Control de soroll

Per a la majoria de les aplicacions d’interès en higiene industrial el watt (W) és una unitat massa gran per a mesurar la potència acústica, per la qual cosa aquesta es mesura en decibels (dB) i en aquest cas es parla del nivell de potència (com sempre que una magnitud es mesura en decibels). El nivell de potència acústica, L_w, es defineix com a:

$$L_{\text{w}}=10\log \frac{W}{W_0}\text{5.1}$$

en què W és la potència de la font en watts i W₀ és la potència de referència, que per convenció val 10^–12 watts.

En la taula 1 es donen alguns exemples de fonts sonores, l’ordre de magnitud de les seves potències acústiques habituals i la seva equivalència en nivells de potència.

Quan es vol reduir el soroll, conèixer la potència acústica d’una font és necessari, però insuficient; fa falta saber, a més, com es distribueix aquesta potència entre les diferents bandes de freqüència, i per a això se solen fer servir les bandes d’octava.

Aquesta distribució és el que es denomina espectre de freqüències; a partir d’aquest espectre és possible determinar la potència acústica de la font mitjançant les tècniques habituals de suma de decibels. En la figura 1 es mostra un exemple d’espectre de potència d’una font sonora i el valor de la seva potència acústica global.

Un altre aspecte important relatiu al comportament de les fonts sonores és la seva directivitat. En general, les fonts sonores no emeten l’energia sonora igual en totes les direccions de l’espai, és a dir, són direccionals.

La intensitat acústica es mesura en watts per metres quadrats (W/m²).

En alguns casos, les fonts sonores es construeixen de manera que l’energia sonora emesa sigui distribuïda preferentment en certes direccions: és, per exemple, el cas de la majoria dels altaveus, dissenyats per emetre el so “cap endavant”. En la figura 2 es mostra la distribució espacial de la intensitat acústica d’un altaveu, en què es veu que l’energia es dirigeix preferentment cap a la seva part davantera.

Si una font de potència sonora W emet la mateixa intensitat sonora en totes les direccions de l’espai (font isòtropa), la intensitat acústica mitjana (I _m ) a una distància r de la font valdrà:

$$I_m=\frac{W}{4\pi r^2}\text{5.4}$$

en què 4πr² és la superfície de l’esfera de radi r centrada en la font.

La directivitat d’una font de potència acústica W en una direcció determinada θ a una distancia r es quantifica mitjançant l’anomenat coeficient o factor de directivitat, Q_θ,r , que es defineix com a:

$$Q_{\theta ,r}=\frac{I_{\theta }}{I_{\text{m}}}\text{5.5}$$

en què I_θ és la intensitat acústica a la distància r en la direcció θ i I_m és la intensitat que produiria a la mateixa distància una font isòtropa de la mateixa potència el valor de la qual és determinat per l’expressió 5.4.

Com que en una font isòtropa I_θ val el mateix per a qualsevol angle, per a qualsevol distància serà I_θ = I_m i, per tant, Q = 1:

Suposem ara una font isòtropa col·locada sobre el terra (figura 3). Com que tota la seva potència sonora serà emesa cap amunt, a una distància r la intensitat acústica valdrà en qualsevol direcció:

$$I_{\theta }=\frac{W}{2\pi r^2}\text{5.6}$$

en què 2πr² és la superfície de la semiesfera de radi r centrada en la font.

Combinant les expressions 5.4 i 5.5 obtenim el valor del coeficient de directivitat:

$$Q_{\theta ,r}=\frac{W/2\pi r^2}{W/4\pi r^2}=2\text{5.7}$$

que, com que és independent de l’angle i de la distància, es designa simplement per Q. D’una manera similar, si una font isòtropa està situada al terra en un racó d’un recinte (figura 4), s’obté fàcilment que el coeficient de directivitat val Q = 4.

El coeficient de directivitat és una dada necessària per a avaluar la distribució del soroll als locals. En general, per a les fonts ordinàries, com màquines sorolloses situades sobre el terra, es considera Q = 2, tret que sigui en un racó i llavors es considera Q = 4.

Quan diem que una font sonora emet soroll, volem dir que algunes parts d’aquesta font vibren, la qual cosa indueix la vibració de l’aire immediatament en contacte amb aquestes parts. Com que l’aire és un medi elàstic, la vibració es transmet a les molècules veïnes de manera que l’energia que fa vibrar la font acaba “viatjant” pel local en forma de les anomenades ones sonores, que és el nom que se sol donar a la manera com es transmeten les vibracions audibles a l’aire. La zona de l’espai en la qual hi ha ones sonores procedents d’una font es denomina camp sonor creat per la font.

A la pràctica, es distingeixen dos tipus de camps sonors: camp lliure o directe i camp difús o reverberant.

1) Camp lliure és aquell en el qual les ones sonores es poden propagar a l’aire sense limitacions físiques, i per tant en un punt d’aquest camp només hi ha les ones sonores que provenen directament de la font. És el tipus de camp normalment existent en exteriors. També es poden simular les condicions de propagació de camp lliure a les cambres anecoiques. Les cambres anecoiques són recintes amb les parets interiors recobertes de materials especials que no reflecteixen les ones sonores, de manera que es compleix la condició que les ones que passen per un punt del recinte solament són les que provenen directament de la font.

En general, les fonts de so emeten ones sonores en totes direccions (figura 5). Als locals tancats, quan les ones sonores arriben a un parament del local (una paret, el sostre, etc.) es comporten de manera similar als rajos de llum en un mirall, i es reflecteixen i continuen el seu “viatge” fins que arriben a un altre parament, on es repeteix el fenomen (figura 6). En cada reflexió una part de l’energia de l’ona sonora és absorbida pel parament (absorció), i una altra part travessa el parament (transmissió). La quantitat d’energia absorbida o transmesa depèn de les característiques del parament, la qual cosa estudiarem amb detall més endavant.

És possible, no obstant això, que part de l’energia sonora emesa per la font arribi al receptor sense haver experimentat cap reflexió. És el que es diu so directe i que en la figura 5 s’ha simbolitzat per I. La figura 7 mostra la mateixa idea en un entorn més industrial.

La figura 8 mostra, en el mateix entorn, la coexistència del so directe amb el so reflectit. Òbviament, el so reflectit arribarà a l’individu des de totes les direccions de l’espai, encara que en la figura això se simbolitza amb una sola fletxa.

2) Un camp difús o camp reverberant es caracteritza perquè les ones sonores provinents d’una mateixa font es propaguen en totes direccions. Per a aconseguir aquest resultat la font sonora ha d’emetre el soroll en un recinte tancat, de manera que el so existent en un punt està compost per les ones que hi arriben directament des de la font i les que s’han reflectit en els límits del recinte. Perquè el camp sigui realment difús és necessari que les ones directes siguin de magnitud insignificant, és a dir, que la totalitat de l’energia sonora que passa per un punt es degui a les ones sonores que ja han experimentat alguna reflexió en els límits del recinte.

Si la vibració de la font sonora és prou intensa, aquesta es podria arribar a transmetre al paviment sobre el qual es recolza i la vibració transmetre’s a altres punts del local. El paviment (o la mateixa estructura) es pot convertir, així, en una nova font de soroll en transmetre’s a l’aire la seva vibració. La figura 9 mostra gràficament aquesta idea.

La transmissió del so per l’estructura és virtualment impossible de controlar i es pot transmetre a grans distàncies, per la qual cosa s’ha d’evitar instal·lant adequadament la maquinària de manera que les seves possibles vibracions no es transmetin a l’estructura. Per a això, se solen fer servir diversos dispositius antivibratoris (figura 10) i, quan això és necessari, com pot ocórrer en el cas d’equips molt grans o pesants, es recorre a situar-los sobre fonaments separats dels de la resta de l’edifici. Atès que una vibració excessiva sol ser un problema per als mateixos equips potencialment sorollosos, el control de les vibracions se sol tenir en compte en el mateix procés d’instal·lació de l’equip, per la qual cosa en aquest apartat el donarem per solucionat.

Així, doncs, suposant que no hi ha transmissió per l’estructura, el so que arriba a una persona és la suma de dos components: el so directe i el so reflectit. El primer depèn de la potència sonora de la font i de la distància existent entre la persona i la font sonora; el segon depèn bàsicament de les característiques absorbents del local, és a dir, en quina proporció el so, en cada reflexió, és absorbit.

Com en tot problema d’higiene industrial, les solucions es poden buscar modificant l’organització del treball (per exemple, actuant sobre el temps d’exposició), mitjançant el recurs a la protecció individual o mitjançant actuacions tècniques, que són les que considerem en aquest apartat.

La primera actuació per al control de soroll s’ha de dirigir cap al focus contaminant, que en aquest cas és la font sonora. Una vegada esgotades les possibilitats de reduir la potència sonora emesa, ens haurem de concentrar en el medi de transmissió, és a dir, introduir “obstacles” al soroll a fi que arribi tan “debilitat” com sigui possible al treballador que volem protegir.

En aquest cas, l’actuació recomanada depèn de si l’individu és “a prop” o “lluny” de la font de soroll. Òbviament, més endavant descriurem amb més detall el que significa a prop o lluny, però de moment ens mantindrem en l’àmbit qualitatiu.

1) Si l’individu és prop de la font de soroll, hi ha tres opcions:

a) La primera (figura 11) consisteix a tancar la màquina en un recinte que impedeixi que el soroll produït surti a l’exterior. Per a això, s’utilitzen les anomenades cabines acústiques, la principal limitació de les quals és que perden gran part de la seva eficàcia si s’hi han de practicar obertures per a assegurar el bon funcionament de l’equip (alimentació de materials, ventilació, greixatge, etc.). Un exemple de cabina acústica es mostra en la figura 12.

b) La segona opció consisteix (figura 13) a tancar el treballador en una cabina acústica. Com que cada vegada és més freqüent que els treballadors desenvolupin la feina a sales de control i només de tant en tant hagin d’accedir físicament als voltants de la font sonora, aquesta solució és viable en un nombre de situacions creixent.

c) Quan no és possible tancar ni l’equip sorollós ni el treballador, es pot recórrer a les pantalles acústiques (figura 14). Les pantalles acústiques s’utilitzen sovint per a reduir el soroll produït pel trànsit d’autopistes i altres vies ràpides, que pot ser molt molest per als qui viuen a les seves proximitats (figura 15). Les pantalles acústiques aconsegueixen reduccions importants en aplicacions a l’exterior però són molt menys eficaces en interiors, a causa de la presència del soroll que es reflecteix en els paraments de l’edifici, que no hi ha a l’aire lliure. Per això, en interiors no són la millor opció, encara que de vegades s’hi recorre.

2) Quan l’individu és lluny de la font de soroll la millor opció és augmentar la capacitat d’absorció del local recobrint-ne els paraments amb materials de gran capacitat d’absorció, la qual cosa pot permetre reduccions importants del nivell de pressió acústica, però només lluny de la font de soroll. Si l’individu que cal protegir és a prop, la reducció aconseguida pot ser inapreciable malgrat que s’hagin invertit quantitats importants de diners a millorar l’absorció del local. Quan la superfície de paraments en els quals es poden col·locar materials absorbents és insuficient per a aconseguir la reducció volguda, es recorre, de vegades, a penjar del sostre un gran nombre de panells absorbents, la qual cosa permet aconseguir reduccions importants de soroll (figura 16a). Aquest tipus de solució també es fa servir sovint en entorns no pròpiament laborals per a millorar el confort acústic; aquest seria el cas de la cafeteria que es mostra en la figura 16b, en la qual s’han muntat absorbents en forma de cilindre, més satisfactoris estèticament que els panells que es mostren en la figura 16a, encara que el seu objectiu i resultats són semblats si es col·loquen en la quantitat apropiada.

En general, reduir el soroll emès per una font sonora, com una màquina o equip de treball, que actua directament sobre ella és una tasca que només està a l’abast del fabricant i, en molts casos, en el curs del procés de fabricació. Modificar una màquina o una altra font sorollosa ja construïda amb l’objectiu de reduir la potència sonora emesa és, sovint, una tasca extremament costosa a causa que els canvis que s’han d’introduir poden ser substancials o fins i tot impossibles de fer.

Molt sovint els fabricants de màquines estan en condicions d’oferir diverses alternatives de diferent nivell de potència sonora per a un mateix equip o màquina, encara que usualment a un preu superior si emet menys soroll.

Això no significa que una observació atenta dels focus de soroll existents en un local no pugui suggerir modificacions que poden contribuir a reduir notablement el nivell sonor, que sempre han de ser compatibles amb el procés concret que es duu a terme.

Reduir el soroll mitjançant mesures d’organització del treball també pot ser una opció per considerar. En un taller mecànic on s’utilitzen esmoladores manuals, per exemple, és habitual que n’hi hagi de disponibles amb diferents diàmetres de mola; els nivells de soroll solen ser superiors en les esmoladores de mida més gran. Per exemple, en un cas concret es van mesurar 102 dBA en utilitzar una esmoladora de 10 cm de diàmetre, i 108 dBA en emprar-ne una de 22,5 cm. Si en lloc d’utilitzar l’esmoladora més propera disponible s’estableix la norma que s’ha de fer servir sempre l’esmoladora de menys mida compatible amb la feina que cal fer és possible que la dosi de soroll rebuda pels operaris disminueixi.

Una font de soroll habitual en moltes indústries la constitueix l’aire comprimit que s’utilitza en múltiples equips amb finalitats de comandament: vàlvules, finals de recorregut i molts altres elements governats pneumàticament (figura 19) que produeixen un soroll considerable quan deixen escapar l’aire comprimit. Aquest soroll es pot reduir dràsticament utilitzant silenciadors, que essencialment utilitzen algun tipus d’element (per exemple, una escuma de plàstic) per a reduir la velocitat de l’aire comprimit en la fuita (figura 20). No s’ha de passar per alt, no obstant això, que els silenciadors, com qualsevol altre equip, tenen una vida limitada i, per tant, s’han de reparar o substituir quan perdin eficàcia.

Una altra de les utilitzacions habituals de l’aire comprimit és com a agent d’expulsió de peces una vegada conformades. S’utilitzen per a això broquets que projecten un raig d’aire (figura 21). Sovint aquests broquets consisteixen simplement en un tub l’extrem del qual s’ha aixafat d’un cop de martell per a donar més velocitat (i, per tant, més força) a l’aire expulsat. L’alternativa és usar broquets comercials amb un disseny aerodinàmic. La diferència, a banda òbviament del preu, és que, a igualtat de capacitat d’embranzida, els broquets comercials produeixen nivells de soroll que poden ser fins a 15 dBA inferiors i consumeixen fins a 10 m³/h menys d’aire comprimit. Tenint en compte que l’aire comprimit té un cost no insignificant (compressor, manteniment, consum elèctric...) que es pot xifrar entorn de 0,02 euros/Nm³, un broquet comercial es pot amortitzar ràpidament tenint solament en compte l’estalvi en aire comprimit; i, a més, produeixen menys soroll.

Condicionar acústicament un local significa actuar-hi sobre els límits físics (sostre, terra i parets) modificant-ne les característiques a fi que els nivells de soroll al seu interior es trobin dins dels límits que es considerin apropiats en cada cas.

Molt sovint per a aconseguir la reducció del soroll en un punt determinat (en el nostre cas, un lloc de treball) es recorre a interposar entre aquest punt i la font de soroll una partició sòlida, com una paret. En aquest cas, es defineix l’índex d’aïllament de la paret (IA) com la diferència entre els nivells de pressió acústica existents a banda i banda de la paret:

IA = L _p1 – L _p2

en què L _p1 i L _p2 són, respectivament, els nivells de pressió acústica a un costat i a l’altre de la paret. IA es mesura, doncs, en decibels, que són les unitats de L _p1 i L _p2 . Els materials que mostren índexs d’aïllament elevats són densos i sense porus, en contrast amb els materials lleugers i porosos habitualment usats per a absorbir el soroll.

Les pantalles o barreres acústiques s’usen habitualment amb una eficàcia considerable per a controlar el soroll a exteriors, a prop de fonts de soroll associades al trànsit d’automòbils, trens o avions. Les reduccions de soroll que s’aconsegueixen poden ser de 5 a 20 dB aproximadament, segons les circumstàncies. En la figura 33 es donen, a tall d’exemple, les dades de reducció de soroll en un receptor situat a 100 metres de la font quan s’hi instal·la una barrera equidistant d’ambdós (supòsits situats a la mateixa altura), segons l’alçària de la barrera.

En interiors, no obstant això, les atenuacions esperables són inferiors, ja que a causa de l’efecte de les reflexions que tenen lloc als paraments del local, l’atenuació es produeix solament en el so directe (figura 34).

Quan les barreres estan col·locades en interiors, la seva atenuació depèn de les característiques absorbents del local (coeficient d’absorció mitjà), de l’índex d’aïllament de la mateixa barrera, del coeficient d’absorció de la superfície de la barrera i de la seva ubicació respecte a la font i el receptor. Les fórmules per al càlcul s’han recollit en la figura 35 i els paràmetres geomètrics de referència en la figura 36.

Primer, es calcula el paràmetre R _b , que representa la constant del local modificada en introduir la barrera. En el seu càlcul intervé el coeficient mitjà d’absorció del local, α _m , els coeficients d’absorció d’ambdós costats de la barrera, α₁ i α₂ (que poden ser iguals o diferents), la superfície total del local, S_o, i la superfície de la barrera, S _b .

Després, es calcula N, un paràmetre anomenat nombre de Fresnel, que està relacionat amb la geometria de la ubicació de la barrera (A, B i d), la freqüència del so i la velocitat del so, c. Depenent de si N és més gran o més petit que 12,7 s’utilitza una o una altra de les fórmules indicades per a calcular el valor del paràmetre intermedi a _b . Per al càlcul de a _b cal calcular la funció tangent hiperbòlica (tanh), que es troba en les calculadores científiques o en els fulls de càlcul.

A continuació, es calcula el paràmetre intermedi a_t, relacionat amb l’índex d’aïllament IA de la barrera, que es calcula segons el material de què està construïda amb els mètodes que hem vist.

Finalment, es calcula el valor de la pressió acústica, L _p , en el punt on se situa el receptor fent servir la fórmula de la part inferior de la figura 35, en la qual intervé, lògicament, el nivell de potència de la font sonora.

1. Un local fa 6,2 × 6 m de base i 3,1 m d’alçària. El sostre i les parets són de lliscat de guix, i el terra de terratzo.

En un racó del local hi ha una màquina el coeficient de directivitat de la qual val 4 i l’espectre de potència de la qual es presenta en la taula 12, expressat en dB:

Determineu el nivell de pressió acústica a 6 m de la màquina.

2. En una fàbrica de paper s’utilitza una màquina sorollosa que es troba dins d’un local de 900 m² de superfície i coeficient d’absorció mitjà de 0,05. A 1.000 Hz, la màquina té un nivell de potència de 105 dB i un factor de directivitat de 2, és a 4 m de la paret d’una sala de control la superfície de la qual és de 100 m² i el seu coeficient mitjà d’absorció de 0,35. L’aïllament de la paret que separa ambdós locals és de 30 dB, i la superfície d’aquesta paret és de 16 m². L’operador és a 1,5 m de la paret. Calculeu el nivell de pressió acústica a 1.000 Hz al lloc de treball de l’operador.

3. A 1.000 Hz una màquina emet una potència de 114 dB. La màquina està col·locada en un local de 20 × 20 m de base i 4 m d’alçària, amb un coeficient mitjà d’absorció, a 1.000 Hz, de 0,051. El factor de directivitat de la màquina val 1. Determineu el nivell de soroll suportat a 1.000 Hz per un operari situat a 3 m de la màquina.

Es vol reduir aquest nivell de soroll col·locant la màquina dins d’una cabina d’1,8 × 1,2 m de base i 1 m d’alçària, amb dues obertures de 300 × 200 mm. La cabina es construirà amb tauler aglomerat de 235 mm de gruix, recobert interiorment amb un material absorbent. La pèrdua per transmissió del tauler aglomerat a 1.000 Hz és de 19 dB, i el coeficient d’absorció de l’absorbent, a 1.000 Hz, és de 0,63.

Calculeu el nivell de soroll suportat per l’operari a 1.000 Hz, una vegada inserida la cabina. Es considera que el terra de la cabina (que no es recobrirà d’absorbent) no contribueix a la transmissió del soroll i que es tracta d’una cabina de mida gran.

4. En què es diferencia la propagació del soroll en un camp lliure i a l’interior d’un local tancat?

5. Com es distribueix l’energia d’una ona sonora quan aquesta xoca amb la paret d’un local?

6. Per què cal posar una cura especial perquè les vibracions d’un equip sorollós no es transmetin a l’estructura del local?

7. Quin és el tipus d’actuació més adequat quan l’individu que cal protegir es troba relativament lluny de la font de soroll?

8. Quines són les obligacions principals del fabricant d’una màquina amb relació al soroll que produeix?

9. Quin tipus de material s’ha de fer servir per a absorbir preferentment les freqüències altes?

10. Com variarà el temps de reverberació d’un local si se n’augmenta el coeficient d’absorció mitjà?

11. Quin és el significat de la distància crítica?

12. Com varia l’índex d’aïllament d’una paret simple en duplicar-ne el gruix, si som per sota de la seva freqüència crítica?

13. Com varia la freqüència crítica d’una paret simple en duplicar-ne el gruix?

14. Per què és molt important que les cabines acústiques tinguin el mínim possible d’obertures?

15. Per què les pantalles acústiques són més eficaces en exteriors que en interiors?

16. Quina de les opcions següents s’hauria d’intentar en primer lloc per a reduir l’exposició al soroll d’un individu que es troba a una distància de la font de soroll inferior a la distància crítica?

17. En quins casos el fabricant d’una màquina té l’obligació legal de proporcionar informació sobre el nivell de potència emès per la màquina?

18. Com modifica el coeficient d’absorció un augment del gruix d’un material absorbent porós enganxat sobre un mur o sostre?

19. Per què el vidre d’una finestra té un coeficient d’absorció més alt a freqüències baixes que a freqüències altes?

20. Quan el coeficient d’absorció mitjà d’un local augmenta, el valor del coeficient del local R...

21. El temps de reverberació d’un local...

22. En un local tancat, a mesura que ens allunyem d’una font sonora...

23. En augmentar l’absorció d’un local...

24. Per sobre de la freqüència de coincidència, en duplicar la freqüència, l’índex d’aïllament d’una paret simple augmenta...

25. En canvi, per sota de la freqüència de coincidència, en duplicar la freqüència, l’índex d’aïllament d’una paret simple augmenta...