7. ACÚSTICA ARQUITECTÓNICA Una de las ramas de la acústica que más ha evolucionado es la acústica arquitectónica. La inquietud por la acústica de los recintos destinados a representaciones de teatro, ópera, conciertos, etc., es tan antigua como la civilización. Son famosos los teatros romanos (el de Mérida es un buen ejemplo), en los que se conseguía una distribución acústica realmente buena teniendo en cuenta que se encontraban al aire libre. Vamos a estudiar en este capítulo algunas nociones básicas sobre acústica de recintos que nos permitan conocer las características más relevantes y comprender qué diferencia, acústicamente, una sala de conciertos de otra. En primer lugar, definiremos algunas ideas elementales sobre acústica arquitectónica.

7.1. GENERALIDADES 7.1.1. Absorción y reflexión Cuando una onda sonora incide sobre una pared, parte de la energía de la onda es reflejada y otra parte es absorbida por la pared. La relación entre la energía absorbida y la incidente se denomina coeficiente de absorción, , de la pared:

El coeficiente de absorción depende principalmente del material con que esté recubierta la pared. Así, en un recinto, las paredes tendrán normalmente distintos coeficientes de absorción dependiendo del material que las cubra (cortinas, moquetas, pizarras, cemento, ..). La absorción total de un recinto es la suma de las absorciones de todas sus paredes. Supongamos como ejemplo un recinto formado por cuatro paredes paralelas dos a dos, suelo y techo, cuyas dimensiones son:

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Si el suelo está enmoquetado, y una de las paredes de 3x2 tiene una cortina tendremos: 0.2 0.5

2 4

0.09



2 3





2 3

3 4

3 4

2 4

8.02

En este ejemplo hemos considerado que cada uno de los materiales de las paredes tiene un único coeficiente de absorción. Sin embargo, la realidad es que los materiales ofrecen una absorción distinta a cada frecuencia, por lo que el estudio de la absorción deberá hacerse para varios valores de ésta. Este hecho da lugar a que la absorción total de la sala dependa también de la frecuencia, lo que hace pensar que la sala influirá sobre el espectro del sonido recibido por el oyente. Hablaremos entonces de una respuesta en frecuencia del recinto. A continuación vemos una tabla de coeficientes de absorción de diferentes materiales en función de diferentes frecuencias:

Pared de ladrillo pintada Yeso sobre ladrillos Azulejo acústico en paneles Artesonado de madera Hormigón, Mármol Cortinas medias Asientos tapizados ocupados Asientos tapizados libres Asientos madera ocupados Asientos madera libres

125 0.01 0.02 0.5 0.3 0.01 0.07 0.43 0.35 0.27 0.2

250 0.01 0.02 0.7 0.15 0.01 0.3 0.41 0.35 0.3 0.25

Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 0.02 0.02 0.02 0.03 0.04 0.04 0.6 0.7 0.7 0.1 0.05 0.04 0.01 0.02 0.02 0.5 0.7 0.7 0.41 0.45 0.45 0.35 0.35 0.35 0.35 0.43 0.46 0.3 0.3 0.3

4000 0.02 0.04 0.5 0.05 0.03 0.6 0.45 0.35 0.45 0.25

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En general los materiales absorben más las frecuencias agudas que las graves. La madera compensa a otros materiales ya que absorbe más los graves que los agudos, con lo que las salas construidas con mucha madera serán más brillantes.

7.1.2. Tiempo de reverberación Cuando hablábamos de la reverberación mencionábamos que ésta se debe a las reflexiones del sonido en las paredes de un recinto. Pues bien, puesto que ha quedado claro que la cantidad de energía que se refleja al incidir un sonido sobre una pared depende del coeficiente de absorción, resulta evidente que cuanto mayor sean los coeficientes de absorción de las paredes de un recinto más amortiguados llegan los ecos al oyente, con lo que la prolongación del sonido debido a estas reflexiones será más corta. Se define el tiempo de reverberación de un recinto como el tiempo necesario para que el nivel de presión sonora debido a una determinada fuente se reduzca en 60 dB una vez que la fuente deja de emitir. Como hemos dicho, el tiempo de reverberación es menor cuanto mayor es la absorción. Por otro lado, podemos pensar que el volumen de la sala también influye, ya que si las distancias que han de recorrer las ondas son mayores, los ecos llegarán desde más lejos y, por tanto, más tarde. O sea que el tiempo de reverberación aumenta con el volumen del recinto. Estas conclusiones fueron obtenidas experimentalmente por el físico Sabine, obteniendo como resultado la siguiente fórmula para el tiempo de reverberación: !

55,2 # $

donde V es el volumen de la sala, C la velocidad del sonido y A el coeficiente de absorción. Los buenos directores de orquesta pueden llegar a detectar hasta variaciones en el tiempo de reverberación de 0.1 seg, por lo que esta precisión es necesaria. Esta fórmula es antigua y existen hoy en día otras más precisas, pero con ella podemos hacernos una idea de cómo se hacen los cálculos y obtener datos aceptables. Si la sala es grande se producen menos reflexiones y por consiguiente menos absorción por lo que la reverberación aumenta. Cuanto mayor sea la superficie también se produce más absorción y estos dos parámetros se compensan. Se pueden construir salas con mucho volumen y superficie mínima o máxima, dependiendo de la geometría utilizada y de lo que interese.

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7.1.3. Propagación del sonido en un recinto Como ya hemos visto, cuando una fuente sonora radia en el interior de un recinto cerrado cuyas paredes son parcialmente reflectantes, al oído llega en primer lugar el sonido directo procedente de la fuente y, tras un tiempo de retardo inicial, llegan las reflexiones que se producen en las paredes, techo, suelo y demás objetos del recinto. Ahora bien, en las proximidades de la fuente, la magnitud de estas reflexiones en comparación con la intensidad del sonido directo es prácticamente despreciable. Podemos diferenciar tres zonas en las que las características del sonido son diferentes: •

•

•

Campo próximo: es el situado a pocos centímetros de la fuente sonora. En esta zona no son aplicables la mayoría de las leyes de propagación del sonido, ya que las ondas no son ni siquiera esféricas. Campo directo: aquel en el que las condiciones de propagación son las habituales si no hubiese reflexiones, es decir, la atenuación es de 6dB al doblar la distancia. Campo reverberante: la influencia de las reflexiones hace que se pierdan las características de atenuación con la distancia del campo directo. Si el recinto es muy reverberante, puede desaparecer por completo el campo directo de la fuente. Lo deseable en todo recinto en el que se pretenda una cierta calidad acústica, es que el campo reverberante sea difuso, es decir, que la distribución de energía sea homogénea en todo el recinto o, en otras palabras, que la intensidad acústica en un instante dado sea la misma en cualquier punto del recinto.

En este sentido, es de especial interés el evitar en la medida de lo posible superficies cóncavas que concentran el sonido en puntos determinados. Por el contrario, se buscarán superficies convexas que distribuyan el sonido y, por tanto, contribuyan a la creación de un campo difuso. Los investigadores Reichhardt y Schmidt experimentaron, entre otras cosas, con la sensación de sonido directo. Utilizaron para la experiencia una cámara anecóica (sin reverberación) en la cual situaron a una persona rodeada de altavoces de manera que podían recrear las sucesivas reflexiones que se generan en una sala. El sonido directo llega al oyente desde el centro y con un pequeño retardo y una atenuación se puede simular el sonido reflejado en las diferentes paredes de la supuesta sala. Estos señores vieron cuatro grupos de fenómenos. Con un tiempo de retardo pequeño, no superior a 25 ms entre un altavoz y otro, para cualquier ángulo, el sonido 56

se escucha como directo. Si el ángulo del sonido reflejado es pequeño menor o igual a 40º, es aceptable un retardo de hasta 80 ms para seguir teniendo sensación de sonido directo. Para ángulos mayores un retardo entre 25 y 80 ms nos da una sensación de reverberación y el sonido no parece tan directo. A partir de los 80 ms si llega alguna señal reflejada, desde cualquier ángulo, se empieza a percibir eco y la sensación de sonido directo se rompe. Si el techo de estas salas es demasiado alto sí se pueden producir reflexiones que superen este retardo de 80 ms. Debemos procurar que los ángulos de las diferentes reflexiones no superen los 40º. En las salas con techos altos se colocan paneles para evitar las reflexiones demasiado largas y reducir el ángulo B.

Hace ya unos cuantos años se hizo, entre los directores de orquesta, una encuesta para determinar cuáles son las mejores salas del mundo y las mejor consideradas fueron las siguientes: 1. Wiener Musikverein VIENA (1870) 2. Concertgebouw AMSTERDAM (1877) 3. Symphony Hall BOSTON (1900) 4. Konserthuset GÖTEBORG (1935) 5. Palais Des Beaux-Arts BRUSELAS (1929) Se puede resaltar que todas ellas tienen una planta rectangular alargada, y son muy buenas para la música sinfónica. Las plantas rectangulares alargadas satisfacen muy bien los fenómenos relacionados con la percepción y el sonido directo. Esto se debe a que cada oyente es capaz de situar la fuente sonora espacialmente si el sonido reflejado proviene de las paredes de la sala, es decir si el sonido percibido por los dos oídos es diferente. Sin embargo, no puede hacerlo si proviene del techo. Este hecho tiene relación con la anchura de la sala: en una sala ancha, los primeros rayos sonoros reflejados llegan a cada oyente desde el techo. En una 57

estrecha llegan primero los reflejados en las paredes laterales. Por tanto, las salas estrechas son preferidas a las anchas. Además su arquitectura con adornos resulta muy positiva para la difusión del sonido.

7.2. TIEMPO ÓPTIMO DE REVERBERACIÓN Hemos definido el tiempo de reverberación como el tiempo necesario para que el sonido producido en una sala reverberante se reduzca en 60 dB. En una primera aproximación, puede considerarse que la calidad acústica de un recinto depende principalmente de este tiempo aunque, como veremos más adelante, hay otros factores determinantes. Sin embargo, un recinto con un determinado tiempo de reverberación puede ser bueno para algunos usos y pésimo para otros. En general, si el recinto va a ser destinado a la escucha de la palabra el Top deberá ser bajo para evitar que las sílabas se confundan unas con otras. De esta forma se mejora la inteligibilidad. Por el contrario, si se va a destinar el recinto para audición de música, un tiempo de reverberación demasiado bajo puede producir una sala demasiado seca; es más agradable una ligera superposición entre notas consecutivas. Además cada tipo de música (camerística, sinfónica, operística,…) exigirá un Top diferente. Por tanto el tiempo de reverberación óptimo depende de varios factores, tales como el volumen del recinto, el tipo de fuente sonora, la naturaleza de la obra musical e, incluso, de la frecuencia. La siguiente figura indica el tiempo óptimo de reverberación para una frecuencia de 500 Hz según distintos tipos de música y en función del volumen del recinto:

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Sin embargo, el hecho de que el tiempo de reverberación sea distinto según la frecuencia es especialmente importante en recintos destinados a audición musical. La siguiente figura representa el factor de corrección R que debería aplicarse al tiempo óptimo para 500 Hz de la figura anterior, para obtener un tiempo óptimo a cualquier frecuencia:

!

% ∙ !'((

El factor de corrección es mayor a bajas frecuencias, o lo que es lo mismo, el tiempo de reverberación óptimo para la audición de música ha de ser mayor en bajas frecuencias que en frecuencias medias y altas.

7.3. CALIDAD ACÚSTICA DE LAS SALAS Actualmente se utilizan para las medidas acústicas pulsos de corta duración, como pequeñas explosiones, ya que las ondas que circulan por la sala son más fáciles de controlar y permiten excitar un mayor número de resonancias de la sala que se va a estudiar. Una pequeña explosión nos proporciona una señal parecida a un ruido blanco y permite estudiar el comportamiento de la sala en un mayor rango de frecuencias.

7.3.1. Atributos para la calidad acústica de una sala Además del tiempo de reverberación, son muchos factores los que intervienen en la definición subjetiva de la calidad de una sala. Por ejemplo, el tiempo de reverberación global no es suficiente, ya que hemos de hablar siempre del tiempo de reverberación en función de la frecuencia. Además, existen otros factores que influyen de forma notable sobre la calidad. Leo L. Beranek realizó un amplio estudio contando con la ayuda y asesoramiento de técnicos, músicos y críticos, y llegó a definir una 59

escala basada en 18 atributos que permitía dar una puntuación a la calidad acústica de una sala. A continuación se detallan los atributos y las puntuaciones obtenidas para salas de conciertos: 1. Intimidad. Es la sensación de proximidad de la fuente sonora. Se define por medio del intervalo de tiempo transcurrido desde el sonido directo a la primera reflexión. Cuanto menor sea este tiempo mayor será la intimidad o presencia, siendo el valor óptimo para este tiempo entre 0 y 20 milisegundos. 2. Viveza. Una sala reverberante es una sala viva. La viveza se refiere a la reverberación en frecuencias medias y altas (500—1000) con la sala ocupada. La viveza óptima se produce con un tiempo de reverberación a estas frecuencias de 1.5 s para ópera, y de 1.9 s para orquesta típica. Por encima y por debajo de este valor el atributo de viveza empeora. 3. Calor. Es la viveza para las frecuencias bajas o, dicho de otra forma, el relleno de los tonos bajos. Este relleno se produce cuando el tiempo de reverberación para las frecuencias inferiores a 250 Hz es mayor que el de las frecuencias entre 500 y 1000 Hz. Es decir, se mide según la relación entre el tiempo de reverberación en las frecuencias bajas y el tiempo de reverberación en las frecuencias superiores, y viene dado por: !)*' !)'( 2!'((+)((( El valor más adecuado para este atributo es entre 1.20 y 1.25, lo que equivale a decir que las frecuencias bajas tendrán un tiempo de reverberación entre un 20 y un 25% mayor que el de las frecuencias medias. 4. Intensidad del Sonido Directo. Se refiere a la intensidad con que llega el sonido directo a las últimas filas. Lógicamente depende de la longitud de la sala. El mejor valor para este atributo se sitúa en torno a los 20 metros. 5. Intensidad del Sonido Reverberante. El sonido procedente de las reflexiones aumenta el nivel sonoro en general. En una sala grande con muy poca reverberación no será posible alcanzar un nivel adecuado. La intensidad del sonido reverberante se relaciona con el volumen y el tiempo de reverberación a 500-1000 Hz. Los valores más adecuados se encuentran en torno a 3.

, = 1000000

!'((+)((( #

6. Definición o claridad. Una sala tiene una buena definición cuando el sonido es limpio y claro, es decir, pueden distinguirse perfectamente unos 60

instrumentos de otros y escuchar cada nota. Técnicamente definimos la claridad acústica como el logaritmo de la relación entre la intensidad sonora que nos llega en los primeros 80 ms (primeros 50 ms en algunos casos) y la que llega después. El número obtenido nos da una medida de la claridad de la sala. Las salas reverberantes tienen una claridad negativa, llega más energía después de los 80 ms, mientras que las salas muy secas tienen una claridad positiva, la energía que llega en los primeros 80 ms es mayor que la restante. Estas últimas salas son muy limpias y claras pero se pierde grandiosidad. 7. Brillantez o nitidez. Un sonido brillante es aquel que se define como claro, vivo y rico en armónicos. Así pues, una sala brillante tiene un tiempo de reverberación a frecuencias altas mayor que a frecuencias medias. Además la sala ha de tener claridad e intimidad. 8. Difusión. es óptima cuando el sonido reverberante parece llegar desde todas las direcciones. 9. Equilibrio o balance. Se refiere al balance entre las distintas secciones orquestales. 10. Mezcla o matiz. Los sonidos de las distintas secciones de la orquesta deben salir correctamente mezclados antes de abandonar el escenario. Este atributo depende del diseño del techo del escenario y otras superficies situadas en él. 11. Conjunto. Se refiere a la posibilidad de los instrumentistas para tocar al unísono. Para que esto sea posible, los músicos deben poder oír a sus compañeros de orquesta. Las superficies reflectantes a ambos lados del escenario y en el techo son determinantes para este atributo. 12. Proximidad de respuesta o ataque. La sala debe responder inmediatamente a una nota. Esta respuesta depende de las primeras reflexiones que vuelven desde la sala al escenario. 13. Textura: Es la impresión subjetiva creada en el oyente debida a cómo llegan las series de reflexiones. 14. Inexistencia de eco. 15. Inexistencia de ruido. 16. Amplitud dinámica. La dinámica de la sala es la gama de niveles sonoros que puede escucharse dentro de ella. Va desde el nivel mínimo determinado por el ruido ambiente al máximo nivel que pueda producir la sala. 17. Calidad tonal. El refuerzo o atenuación exagerado de una determinada banda de frecuencias empeora la calidad tonal de la sala. 18. Uniformidad. No deben existir zonas en las que el sonido sea pobre.

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7.3.2. Mejoras acústicas de las salas Cualquier sala destinada a algún tipo de acto en el que la información se trasmita por medio de energía sonora habrá de ser tratada y acondicionada al menos para que cumpla unas condiciones acústicas mínimas de manera que la charla, obra teatral, concierto de música, etc. llegue a nosotros en buenas condiciones. Se puede estudiar cada caso y ver qué mejoras se pueden llevar a cabo para que el sonido sea claro, la reverberación justa, se escuche bien desde todos los lugares y tengamos una sensación de sonido directo aceptable. Una característica muy recomendable es que el escenario donde se sitúan los instrumentos este revestido de un material reflectante y a ser posible con las paredes traseras y laterales formando un trapecio. De esta forma nos aseguramos que el sonido generado se proyecta bien hacia el auditorio y no se pierde, como es el caso de los teatros en los que gran cantidad de energía sonora se pierde en los entramados, tramoyas y cortinas situadas a los lados del escenario. Unos paneles reflectantes móviles pueden ser una buena solución para convertir un teatro en una sala de conciertos aceptable. La trasera del auditorio se ha de revestir de un material absorbente para evitar el indeseado eco.

La claridad acústica está relacionada con la cantidad de energía que nos llega en los primeros 80 ms. En este tiempo el sonido puede recorrer una distancia de unos 27 metros. Las reflexiones que se producen no han de sobrepasar en 27 m a la distancia que existe en línea recta hasta el escenario, de lo contrario la sensación de reverberación comienza a confundirse con el eco y desaparece la sensación de sonido directo. El techo es la mayor superficie que puede transmitir el sonido de forma homogénea hacia la audiencia. Su altura es vital en el diseño, ya que modifica el volumen de la sala y la transmisión adecuada del sonido hacia la audiencia. En una sala de conciertos suele situarse una placa reflectora detrás de la orquesta (tornavoz) y 62

también se sitúan paneles reflectores en el techo para dirigir el sonido hacia la audiencia.

Si los músicos se sitúan al borde del escenario el sonido no rebota del todo en el suelo y no se proyecta bien hacia los anfiteatros por lo que es conveniente dejar un espacio mínimo libre en el escenario. El suelo del auditorio debe tener la forma más adecuada para limitar el fenómeno de la difracción en las cabezas del público. Se puede demostrar que cuando se preserva la línea de visión del escenario para cada oyente, no sólo se mejora la percepción visual, sino también la auditiva. La disposición ideal del suelo de un auditorio es la espiral logarítmica, por lo que suelen utilizarse aproximaciones de esta curva. En el Metropolitan Opera House de N.Y. se trabajó con estos parámetros. Las voces de ópera en esta sala no salían con el brillo que les correspondía. Para corregir esto aumentaron la sensación de sonido directo. Construyeron un marco curvo, una especie de portal con un ángulo lateral de forma que el sonido se proyectaba hacia el auditorio y no se perdía en los laterales. Se pusieron paneles circulares convexos que reflejaban las ondas que subían hacia el techo disminuyendo así la distancia de las reflexiones.

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Otra sala en la que se pudieron hacer mejoras es la Opera House de Sydney. Esta sala tiene forma de arena con el escenario en el centro para disminuir la distancia media al público. De esta forma teóricamente la sensación de sonido directo queda garantizada. A pesar de ello no había sensación de sonido directo. Se hicieron varias pruebas con lentejas gigantes de 1.5 m de diámetro suspendidas del techo a unos 10 m de la orquesta. De esta manera se consiguió evitar la reflexión larga con el techo y disminuir así el ángulo de la onda reflejada. Aumentó la sensación de sonido directo. Finalmente se optó por unas figuras de metacrilato con mayor curvatura de forma que el sonido quedaba difuminado.

En la sala Avery Fisher Hall de N.Y. había muchas frecuencias graves y faltaban agudas. Esto se pudo solucionar con paneles de madera del tamaño suficiente para que perturbe y refleje únicamente las frecuencias agudas. En algunas salas se han llegado a construir techos falsos correderos para modificar el volumen de la sala y disminuir así el tiempo de reverberación. De este modo se pueden interpretar de manera óptima varios estilos de música, aunque esta solución está en desuso al alterar el volumen y la estética de la sala. Se pueden instalar también paneles giratorios cuyas caras se revisten de materiales con diferentes coeficientes de absorción, variando así el tiempo de reverberación. En el norte de Europa gustan las salas con poca reverberación, salas muy claras y limpias. Este tipo de salas no pueden llegar a ser muy grandes ya que se utilizan materiales muy absorbentes que se comen parte de la energía acústica de la sala. Lejos del escenario, recordemos que la sonoridad baja casi a la mitad cuando se duplica la distancia, la cantidad de sonido que llega sería más bien poca en una sala grande y seca.

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En la siguiente tabla se representan los tiempos de reverberación para las diferentes frecuencias de algunas de las mejores salas de conciertos:

125 Konserthuset Goteborg 1.9 Symphony Hall Boston 2.2 Concertgebouw Ámsterdam 2.2 Wiener Musikverein Viena 2.4 Palais Beaux-Arts Bruselas 1.9 Metropolitan Opera N.Y. 1.8 Scala Milán 1.5

250 1.7 2.0 2.2 2.2 1.8 1.5 1.4

Frecuencia (Hz) 500 1000 2000 1.7 1.7 1.6 1.8 1.8 1.7 2.1 1.9 1.8 2.1 2.0 1.9 1.5 1.4 1.3 1.3 1.1 1.0 1.3 1.2 1.0

4000 1.5 1.5 1.6 1.6 1.1 0.9 0.9

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