mediciones del nivel de presión sonora

Cálculo de pérdida de inserción de barreras acústicas en la Ruta 5 Norte/Sur, tramo concesionado, a partir de mediciones del nivel de presión sonora

aN.A., Bastián-Monarca , bJ. P., Álvarez & cC.H., Reyes

a Departamento de Ingeniería, Acústica Austral, Puerto Montt, Chile, nbastian@acusticaustral.cl b Departamento de Ingeniería, Acústica Austral, Puerto Montt, Chile, jpalvarez@acusticaustral.cl c Departamento de Proyectos, ACR Acústica, Santiago, Chile, creyes@acusticacr.cl

Abstract— En este trabajo se presenta el procedimiento para obtener la pérdida de inserción de tres (3) tipos de barreras acústicas instaladas en la Ruta 5 Norte/Sur, tramo concesionado, según la metodología indicada en la normativa norteamericana Federal Highway Administration (FHWA). La materialidad de las barreras estudiadas corresponde a panel aislante acústico de acero perforado de 2m de altura, panel acrílico traslucido sobre base inferior de hormigón de altura total de 3m y panel aislante acústico de acero perforado y lana de vidrio de 2,5m de altura. De los resultados obtenidos, se observó que la pérdida de inserción (IL) global de las barreras estudiadas a 15m de distancia son: 9,9 dBA para la barrera de panel aislante de 2m de altura, 9,2 dBA para la barrera de 3m de altura de acrílico traslucido sobre base inferior de hormigón y 7,2 dBA para la barrera de panel aislante acústico de acero perforado y lana de vidrio de 2,5m de altura. Asimismo, se observó que, para todas las barreras, el IL presenta valores menores en baja frecuencia y se incrementa para frecuencias mayores, obteniendo los valores más altos entre las bandas de 4.000 y 8.000 Hz. Se concluye que al aplicar los procedimientos de la FHWA para estimar el IL de barreras acústicas entre 2 y 3m de altura, se obtiene un IL global a 15m de distancia cercano a los 10 dBA. Esto demuestra que una barrera acústica es muy eficiente en áreas inmediatas a la vía (habitantes más expuestos).

Keywords—palabras claves; pérdida de inserción; barreras acústicas; ruta 5.

1. INTRODUCCIÓN

La utilización de barreras acústicas en carreteras es una de las principales medidas de control de ruido empleadas en todo el mundo. También pueden usarse en ambientes internos para separar sectores ruidosos [10-13] Una barrera acústica es un dispositivo diseñado para proteger del ruido a una determinada zona, reflejando y/o absorbiendo la energía sonora proveniente de la fuente que genera el ruido [6]. Se puede obtener una reducción de ruido de 10 dB A a nivel del suelo en el área inmediatamente detrás de una barrera de altura considerable con suficiente aislamiento y valores de absorción [8]. Asimismo, resultados experimentales han mostrado valores de atenuación de hasta 24 dB [9]. El cálculo de la atenuación de una barrera se puede estimar mediante modelos matemáticos, como los propuestos por Kurze y Anderson [14] y verificados por Koyasu y Yamashita [15], o los modelos propuestos por Maekawa [9][16] o la ISO 9613-2 [22]. Además, en especial en los casos de barrera diseñadas para el control de ruido en carreteras, se deben considerar los aspectos estéticos, de mantenimiento y durabilidad necesarios [11][17]. En términos prácticos, uno de los parámetros acústicos fundamentales de una barrera acústica es su pérdida de inserción (en adelante IL), la cual se define como la diferencia del nivel de sonido en los puntos receptores con y sin la presencia de una barrera acústica, asumiendo que no hay cambio en el nivel de ruido de la fuente emisora. Respecto a normativas para medir el desempeño de barreras, se destaca el Estándar Europeo UNE-EN 1793 [18], la normativa ISO 10847 [19] y la normativa Federal Highway Administration (en adelante FHWA) [2]. Asimismo, también existen varias guías de diseño de barreras acústicas, como la de la FHWA [2], la del Departamento de transporte de California (CALTRANS) [20] y la Guía de diseño de barreras acústicas del Gobierno de Hong Kong [21]. En Chile, existe una amplia cantidad de barreras acústicas instaladas alrededor de carreteras, sobre todo en la Ruta 5, la cual es la arteria terrestre principal de Chile. En este sentido, entre el 2018 y 2019 el Ministerio del Medio Ambiente (MMA) elaboró el estudio “Mapa de ruido de Ruta 5 Norte/Sur, tramo concesionado” [1], proyecto en el cual, dentro de sus actividades, se desarrollaron mediciones de IL de algunas barreras acústicas en base a la FHWA [2]. En este trabajo, se presentan y analizan los resultados obtenidos en dicho estudio.

2. MEDICIÓN DE PÉRDIDA DE INSERCIÓN (IL) DE BARRERAS

La Federal Highway Administration (FHWA) del U.S. Department of Transportation en su documento “Highway noise barrier design handbook” [2] entrega una metodología para realizar mediciones de IL de barreras en carreteras. El procedimiento descrito es concordante por el indicado en la normativa ANSI S12.8-1987 “Methods for Determination of Insertion Loss of Outdoor noise barriers” [3], el cual presenta tres (3) métodos para determinar la IL de barreras acústicas:

1) Método directo con mediciones ANTES/DESPUÉS. 2) Método indirecto con mediciones ANTES en un sitio equivalente. 3) Método indirecto con predicciones de los niveles de la situación

DESPUÉS.

La normativa cuando hace referencia a las situaciones ANTES y DESPUES, se refiere a la instalación de la barrera acústica.

Ahora, dado que se realizaron mediciones de IL de barreras acústicas existentes, se aplicó sólo el método 2).

2.1. Método indirecto con mediciones ANTES

El método requiere realizar mediciones de ruido con una barrera acústica instalada para determinar niveles de ruido de las situaciones DESPUES y otras mediciones de ruido en un sitio “equivalente” sin barrera acústica para determinar niveles de ruido equivalente a la situación ANTES. Un sitio es equivalente si las condiciones de tránsito vehicular, atmosféricas y geométricas son idénticas al comparar el caso ANTES y DESPUÉS. Las mediciones de ambos casos se deben estudiar de forma simultánea en ubicaciones adyacentes.

El periodo de sampleo fluctúa entre 2 y 30 minutos típicamente. Si se esperan variaciones temporales sustanciales, podría ser necesario periodos más largos (1 a 24 hrs). En la siguiente tabla, se muestran los periodos de medición recomendados.

TABLE I. PERIODOS DE SAMPLEO RECOMENDADOS. FUENTE: [2]

Característica temporal Rango anticipado más alto

10 dB 10-30 dB > 30 dB

Estable* 2 min N/A N/A

No estable, fluctuante 2 min 15 min 30 min

No estable, intermitente Por al menos 10 eventos

No estable, ruido impulsivo aislado Por al menos 10 eventos

No estable, ruido impulsivo “cuasi” estable

3 ciclos de on/off

* Se recomienda un mínimo de 3 repeticiones, 6 de preferencia

Para calcular la IL, se utiliza la siguiente ecuación:

������ =(���������� +���������� −����������)−(���������� −����������) 1

ILi = (LAref + Ledge – LArec) – (LBref – LBrec) (1)

Donde:

• ������ es la pérdida por inserción en el receptor i. • ���������� y ���������� son los niveles de referencia ajustados “ANTES” y “DESPUÉS”. • ���������� es el ajuste por reflexión y/o difracción. • ���������� y ���������� son los niveles de fuente ajustados “ANTES” y “DESPUÉS” en el receptor i.

3. METODOLOGÍA

En base a las recomendaciones entregadas por la FHWA [2], se empleó la siguiente metodología para la medición de IL de barreras acústicas existentes en la Ruta 5.

3.1. Sitios de medición

Se realizaron mediciones en paralelo en un sector con y sin barreras acústicas, ubicados a una misma distancia de la carretera, bajo las mismas condiciones de tránsito vehicular, temperatura, velocidad y dirección del viento y nubosidad, y ambos a la misma altura. En la siguiente figura, se muestra un esquema ejemplificando el criterio adoptado, donde las mediciones en el sector con y sin barrera acústica representan la condición DESPUÉS y ANTES, respectivamente. Fig.1: Esquema de sitios de medición para medición de pérdida de inserción de barreras acústicas.

A continuación, se muestran imágenes satelitales con los sitios de medición donde se realizaron las mediciones de IL de las barreras acústicas.

Fig.2: Imagen satelital de sitio de medición de barrera acústica 2m, ubicada en el sector Puerto Montt – Ruta del Canal (Penitenciaria).

Fig.3: Imagen satelital de sitio de medición de barrera acústica 3m, ubicada en el sector Puerto Montt – Ruta del Canal (Iglesia La Goleta).

TABLE II. CARACTERÍSTICAS DE BARRERAS ACÚSTICAS ESTUDIADAS.

3.2. Mediciones de ruido 3.2.1. Instrumentación

Se utilizaron sonómetros integradores tipo 1 para todas las mediciones de ruido, los cuales cumplen con IEC 61260-1 [4] y IEC 61672-1 [5]. Los sonómetros empleados fueron marca Norsonic, modelos Nor131, Nor139, y Nor140.

3.2.2. Ubicación del micrófono

En las siguientes figuras, se muestran las ubicaciones y alturas de los diferentes micrófonos utilizados para la medición de IL. La posición ANTES, la cual representa una situación sin barrera acústica, se ubicó a 15m del borde de la carretera (donde estaría instalada una hipotética barrera acústica) y a 1,5m de altura. La posición DESPUES, la cual representa la situación con barrera acústica, se ubicó a 15m del borde de la barrera y a 1,5m de altura y la posición del micrófono de referencia se ubicó a 1,5m sobre la barrera acústica (dado que la distancia del centro de la vía a la barrera fue mayor a 15m en todos los casos bajo estudio). Para la medición ANTES, la altura del micrófono de referencia varió entre 3,5m (para barrera de 2m de altura) y 4,5m (para barrera de 3m de altura).

En las siguientes Figuras, se muestran fotografías de las mediciones de ruido realizadas. Fig.5: Distancias empleadas para medición de IL.

Fig.6: Altura de micrófonos empleados para medición de IL.

Fig.7: Medición de IL, micrófono de referencia DESPUÉS a 3,5m altura.

Fig.8: Medición de IL, micrófono DESPUÉS a 1,5m altura.

Dado que el flujo vehicular fue estable para la medición de la barrera acústica BAC-3 y BAC-1 y fluctuante para la barrera acústica BAC-2, se consideró un periodo de sampleo de 2 y 5 minutos por cada medición, respectivamente. Asimismo, se realizaron seis (6) repeticiones en cada punto de medición.

4. RESULTADOS

En la siguiente figura, se presenta la pérdida de inserción (IL) promedio obtenida para las barreras estudiadas.

Fig.9: IL por bandas de frecuencia (Hz) de las barreras medidas.

Al observar la figura, se aprecia que las barreras acústicas estudiadas presentan un comportamiento similar respecto a su IL, teniendo valores bajos en las bandas de frecuencias menores y mayores valores a medida que incrementa la banda de frecuencia (relación directamente proporcional). Asimismo, se aprecia que los mayores valores de IL se obtienen en las bandas de 4.000 y 8.000 Hz. Respecto al IL global, se obtuvo que, a 15m de las barreras estudiadas, el IL para BAC-1 es de 7,2 dBA, para BAC-2 de 9,2 dBA y para BAC-3 de 9,9 dBA.

5. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN

Los resultados muestran que, para barreras de 2 a 3m de altura, se obtiene un IL promedio a 15m de distancia cercano a 10 dBA. Al incrementar la altura de las barreras, debería aumentar el IL promedio, aunque es importante destacar que, estudios desarrollados en Canadá [7], han demostrado que el costo/beneficio de una barrera se extiende hasta los 4 metros de altura y decae a partir de esa altura. En adición, los resultados evidencian que las barreras son muy eficientes en áreas inmediatas a la vía (habitantes más expuestos), sin embargo, presentan escasa efectividad para distancias mayores o para receptores en altura, por lo que es una medida de control que se debe complementar en muchas situaciones, ya sea con pavimento reductor de ruido, aislamiento en fachadas y/o reducción de velocidad en la vía.

6. CONCLUSIONES

Se concluye que al aplicar los procedimientos de la FHWA para estimar el IL de barreras acústicas entre 2 y 3m de altura, se obtiene un IL global a 15m de distancia cercano a los 10 dBA. Esto demuestra que una barrera acústica es muy eficiente en áreas inmediatas a la vía (habitantes más expuestos), aunque para receptores en altura o distancias mayores es necesario complementar las barreras con otro tipo de medidas como pavimento reductor de ruido, aislamiento de fachadas y/o reducción de velocidad en la vía.

AGRADECIMIENTOS

La información utilizada para desarrollar este artículo fue obtenida del proyecto “Mapa de ruido de ruta 5 Norte/sur, tramo concesionado (N°608897-54-LQ18)”, el cual fue financiado por el Ministerio del Medio Ambiente de Chile. [1] Ministerio del Medio Ambiente (MMA), “Mapa de ruido de Ruta 5 Norte/Sur, tramo concesionado”. Ficha de Licitación N°608897-54LQ18. Proyecto ejecutado por la empresa Asesorías y Servicios en Acústica Austral SpA (2018-2019). [2] Federal Highway Administration (FHWA), Department of Transportation, “Highway noise barrier design handbook”. FHWA-EP-00005, Springfield, VA: U.S. Department of Transportation, 2000. [3] American National Standards Institute (ANSI), “Methods for Determination of Insertion Loss of Outdoor Noise Barriers”. ANSI S12.81987, New York, 1987. [4] International Electrotechnical Commission (IEC), “IEC 61260-1:2004 Electroacoustics – Octave-band and fractional-octave-band filters – Part 1: Specifications”, 2004. [5] International Electrotechnical Commission (IEC), “IEC 61672-1:2013 Electroacoustics – Sound level meters – Part 1: Specifications”, 2013. [6] Arenas, J.P., Alba, J., Del Rey, R., Ramis, J. & Suárez, R., “Materiales absorbentes ecológicos para pantallas acústicas”. Ediciones Universidad Austral de Chile, Valdivia, 2011. [7] May, D., Osman M., Andrew C., “Highway noise barrier location for maximum benefit/cost”. Journal of Sound and Vibration. Volume 71, Issue 1, Pages 59-64, 1980. [8] Conference of European Directors of Roads (CEDR), “State of the art in managing road traffic noise: summary report”, Brussels: Conference of European Directors of Roads, 2017. [9] Maekawa, Z., “Noise reduction by screens”. Appl. Acoust, 1, 157-173, 1968. [10] Arenas, J.P., “Sound Barriers and Environmental Impact Studies”. Invited Plenary Conference in Proceedings of the 13th International Congress on Sound and Vibration, Vienna, Austria, 2006. [11] Arenas, J.P., “Use of barriers”, en Crocker, M.J., “Handbook of noise and vibration control”, John Wiley and Sons, New York, 2007. [12] Moreland, J.B. & Musa, R.S., “The Performance of Acoustic Barrier”. Noise Control Eng. J. 1(2), pp. 98-101, 1973. [13] Wang, C. & Bradley, J.S., “A Mathematical model for a single screen barrier in open-plan office”. Applied Acoustics 63(8), pp. 849-866, 2002. [14] Kurze, U.J. & Anderson, G.S., “Sound Attenuation of Barriers”. Applied Acoustics 4, pp. 35-53, 1971. [15] Koyasu, M. & Yamashita, M., “Scale Model Experiments in Noise Reduction by Acoustic Barrier of a Straight Line source”. Applied Acoustics 6, pp. 232-242, 1973. [16] Maekawa, Z., “Noise Reduction by Screens of Finite Size”. Mem. Fac. Eng. Kobe University, 12, 1966. [17] Kotzen, B. & English, C., “Environmental Noise Barriers: A Guide to Their Acoustic and Visual Design”. E & FN Spon, London, 1999. [18] European Committee for Standarization, “UNE-EN 1793: Dispositivos reductores de ruido de tráfico en carreteras. Método de ensayo para determinar el comportamiento acústico”. [19] International Organization for Standardization (ISO), “ISO 10847:1997 Acoustics – In-situ determination of insertion loss of outdoor noise barriers of all types”, 1997. [20] California Department of Transportation (CALTRANS), “Transportation and Construction Vibration Guidance Manual”, Report No CT-HWANP-RT-20-365.01.01, 2020. [21] Environmental Protection Department, Highways Departmen, “Guidelines on Design of Noise Barriers”, Government of the Hong Kong SAR, Second Issue, 2003. [22] International Organization for Standardization (ISO), “ISO 9613:1996 Attenuation of Sound During Propagation Outdoors. Part 2: General Method of Calculation”, Geneva, Switzerland, 1996.