En la figura 1. se encuentra un resumen de todos los pasos de que consta este método.
1.1.- MODELIZACIÓN DE LA FUENTE
Una infraestructura de transporte terrestre considerada como fuente de ruido presenta ciertas particularidades:
- Linealidad y reparto de la potencia acústica a lo largo de la carretera
- Variabilidad de la emisión sonora a lo largo del itinerario
La modelización de esta situación consiste en descomponer la fuente lineal en fuentes puntuales y determinar su potencia sonora.
1.1.1.- Descomposición de la fuente
Primeramente se determinan los tramos (arcos, en términos geométricos) en los cuales se puede considerar que:
- La emisión sonora no varía.
- El perfil transversal (número de carriles, ancho de la plataforma, etc.) a lo largo de la sección permite aplicar el mismo modelo de descomposición de la fuente.
De esta manera, la infraestructura estudiada se descompone en tramos acústicamente homogéneos.
A continuación cada tramo tendrá tantas fuentes lineales como carriles de circulación, considerando estas situadas en el centro de cada carril (figura 1.).
También se puede, en función de la distancia al receptor, representar cada sentido de la circulación por una fuente lineal, e incluso hacerlo con toda la carretera (si ésta no es muy ancha y el receptor está lo suficientemente alejado).
El siguiente paso es descomponer las fuentes lineales en puntuales, para lo que existen varios modos:
- Descomposición equiangular: desde el receptor se tira un conjunto de rayos espaciados un ángulo constante (para vistas de 150º se toma 10º, para vistas superiores se reduce el ángulo). La intersección de cada uno de estos rayos con la fuente lineal da la fuente puntual.
- Descomposición por paso uniforme: cada fuente lineal se descompone en fuentes puntuales regularmente espaciadas, no debiendo éste ser superior a la mitad de la distancia entre el receptor yla vía. Demanera general. El paso no suele exceder los20 m.
- Descomposición variable: en ciertas situaciones, principalmente cuando el receptor está parcialmente tapado, puede ser necesario modificar el paso entre dos fuentes puntuales.
La potencia acústica de la fuente puntual varía cuando se realiza una descomposición equiangular o por paso variable.
1.1.2.- Potencia sonora de la fuente. Modelo de emisiones
El nivel de potencia sonora de una fuente puntual compleja i [LAWi, en dB(A)] en una determinada banda de octava j se obtiene a partir de los niveles de emisión sonora individuales de los vehículos ligeros y pesados según la siguiente fórmula:
donde:
- LAW/m es el nivel total de potencia sonora por metro de vía y se obtiene mediante la fórmula siguiente:
- Evl y Evp son los niveles sonoros LAeq de vehículos ligeros y pesados.La “Guide du Bruit” proporciona nomogramas (figura 2.) que dan el valor del nivel sonoro E para un solo vehículo (ligero o pesado) en función de la velocidad, el flujo de tráfico y el perfil longitudinal.
- Qvl y Qvp son los volúmenes de tráfico de vehículos ligeros y pesados durante el intervalo de referencia [h-1].
- li es la porción de fuente lineal en metros abarcada por la fuente puntual i.
- R(j) es la corrección, en dB(A), por banda de octava j.
- 
es la corrección para tener en cuenta el nivel sonoro producido por el pavimento.
Los tipos de pavimento son los siguientes:
- Asfalto liso: es la superficie de carretera de referencia definida enla norma EN ISO11819-1. Se trata de una superficie densa y de textura regular con un tamaño máximo del árido de 11-16 mm.
- Pavimento poroso: con al menos un 20% de volumen vacío. La superficie ha de tener menos de 5 años de antigüedad (se debe a que pierden porosidad con el tiempo).
- Asfalto rugoso y cemento hormigón: textura áspera.
- Adoquinado de textura lisa: distancia entre adoquines inferior a5 mm.
- Adoquinado de textura áspera: distancia entre adoquines igual o superior a5 mm.
- Otros: categoría abierta para que los Estados puedan introducir correcciones para otras superficies. Los datos deben obtenerse de acuerdo conla norma EN ISO11819-1.
Los tipos de tráfico para entrar en el nomograma de la figura 2 son:
- Continuo fluido: los vehículos se desplazan a velocidad casi constante. Se habla de fluido cuando el flujo es estable, tanto en el espacio como en el tiempo, durante períodos de al menos diez minutos. Se pueden producir variaciones en el curso del día, pero éstas no han de ser bruscas ni rítmicas. Además el flujo no es acelerado ni decelerado, sino que registra una velocidad constante. Este tipo de flujo corresponde al tráfico de autopistas, autovías y carreteras interurbanas, y al de las vías rápidas urbanas (excepto en las horas punta), y grandes vías de entornos urbanos.
- Continuo en pulsos: flujos con una proporción significativa de vehículos en transición (es decir, acelerando o decelerando), inestables en el tiempo (es decir, se producen variaciones bruscas del flujo en períodos de tiempo cortos) y el espacio (en cualquier momento se producen concentraciones irregulares de vehículos en el tramo de la vía considerado). Sin embargo, sigue siendo posible definir una velocidad media para este tipo de flujos, que es estable y repetitivo durante un período de tiempo suficientemente largo. Este tipo de flujo corresponde a las calles de los centros urbanos, vías importantes que se encuentran próximas a la saturación, vías de conexión o distribución con numerosas intersecciones, estacionamientos, pasos de peatones y accesos a zonas de vivienda.
- Acelerado en pulsos: se trata de un tipo de flujo en el que una proporción significativa de los vehículos está acelerando, lo que implica que la noción de velocidad sólo tiene sentido en puntos discretos, pues no es estable durante el desplazamiento. Es el caso típico del tráfico que se observa en las vías rápidas después de una intersección, en los accesos de las autopistas, después de los peajes, etc.
- Decelerado en pulsos: flujo contrario al anterior.
El tipo de tráfico existente en un cruce se observa en la figura 3.
Cuando no se dispone de datos sobre la longitud de los carriles de aceleración y deceleración se sugieren los siguientes:
- Acelerado en pulsos: ra [m] = Vmax x 7 s
- Decelerado en pulsos: rd [m] = Vmax x 11 s
1.2.- PROPAGACIÓN DEL SONIDO AL AIRE LIBRE
La validez de los métodos de cálculo que se van a exponer es para una distancia máxima entre fuente y receptor de800 my situado éste a más de2 mdel suelo.
Hay que tener en cuenta el efecto de las condiciones meteorológicas cuando la distancia fuente receptor es mayor de100 m. La variación del nivel sonoro a partir de esta distancia se debe a la refracción de las ondas acústicas en la base dela atmósfera. Estarefracción se produce por la variación de la velocidad del sonido en la zona de propagación, producto de las variaciones espaciales de la temperatura del aire y de la velocidad del viento.
De manera general se puede decir que estas características sólo varían con la altura, manteniéndose prácticamente constantes en el plano horizontal. La altura viene a ser del orden de30 m. Se caracteriza el tipo de propagación del sonido por el perfil vertical de la velocidad del sonido o por su gradiente.
Los factores que influyen en la velocidad del sonido son:
- Térmicos: los cambios de temperatura entre el suelo y la atmósfera.
- Día: el sol calienta el suelo y éste calienta al aire en contacto con él. Poco a poco se va calentando el aire a más altura, la velocidad del sonido disminuye con la altura.
- Noche: cuando el cielo está despejado. El suelo se enfría más rápidamente que el aire y se lo comunica al aire en contacto con él. Poco a poco se va enfriando el aire a más altura. Esta situación es conocida como inversión de temperatura
- Aerodinámicos: hay que tener en cuenta la rugosidad del suelo ya que la velocidad del sonido en presencia de viento es la suma de la velocidad del sonido sin viento más la velocidad del viento, la cual aumenta con la altura.
- Viento (v) en dirección contraria a la de propagación del sonido (c): la velocidad del sonido (c-v) disminuye con la altura.
- Viento (v) en dirección de propagación del sonido (c): la velocidad del sonido (c+v) aumenta con la altura.
La situación que se muestra en la figura 1. (gradiente negativo) es típica de la atmósfera en reposo o con viento en contra, donde la velocidad del sonido decrece con la altura. Unaconsecuencia de la curvatura de las trayectorias del sonido es la aparición de sombras acústicas como la ilustrada enla figura. Este efecto explica el por qué un avión que se aproxima sólo se oye cuando está cerca, mucho después de avistarlo. La curvatura de la trayectoria explica también por qué el sonido parece provenir de una dirección diferente que la imagen visual. Este tipo de propagación se considera condición desfavorable.
En la situación que se muestra en la figura 2. (gradiente positivo) la curvatura de las trayectorias de las ondas sonoras se invierte, dirigiéndose hacia el suelo. En este caso las reflexiones múltiples en el suelo impiden la existencia de sombras acústicas. Este tipo de propagación se considera condición favorable.
La propagación del sonido con un gradiente vertical nulo (condición homogénea) se produce por dos tipos de circunstancias:
- Cuando la velocidad del viento es nula y la temperatura del aire no varía con la altura.
- Cuando los efectos térmico y aerodinámicos se compensan: viento contrario a la propagación en una noche despajada; día soleado con viento en la dirección de la propagación.
Estas condiciones hacen que los rayos sonoros sigan una trayectoria rectilínea. Estas dos circunstancias son relativamente raras y la propagación del sonido en ausencia de gradiente vertical de velocidad se debe considerar como una frontera entre los dos modos de propagación anteriores más que como otro modo de propagación.
Por defecto, el método de cálculo de los niveles sonoros es el de campo libre. Es de tipo geométrico y consiste en buscar los trayectos de propagación de la energía sonora entre la fuente y el receptor.
Existen dos tipos de trayectos (figura 3.):
- Directos: son rectilíneos, integrándose en ellos las eventuales difracciones y/o reflexiones sobre el suelo.
- Reflejados: sobre obstáculos verticales o algo inclinados (hasta 15º), el cual se trata mediante el método de las imágenes (figura 4.). En algunos casos estas reflexiones producen un incremento de la intensidad, y en otros casos, una disminución. Las reflexiones múltiples en las fachadas opuestas de una calle dan origen a un refuerzo reverberante del campo sonoro conocido como efecto cañón.
Si LAwi,j es el nivel de potencia sonora de la fuente Si para la banda de octava j y αr el coeficiente de absorción de la superficie del obstáculo, el nivel de potencia sonora de la fuente imagen Si’ es:
siendo
i: fuente puntual real
i´: fuente imagen correspondiente a las reflexiones sobre obstáculos verticales
1.3.- DETERMINACIÓN DEL NIVEL SONORO A LARGO PLAZO
Para una fuente sonora puntual Si para una banda de octava dada j de potencia LAwi,j, el nivel sonoro continuo equivalente en el receptor R, para unas condiciones atmosféricas dadas, se obtiene a partir de las siguientes fórmulas.
Nivel sonoro en condiciones favorables para el trayecto (Si, R):
Nivel sonoro en condiciones homogéneas para el trayecto (Si, R)
Sólo las atenuaciones debidas al efecto del suelo y a la difracción están afectadas por las condiciones atmosféricas.
En la realidad, las condiciones térmicas y aerodinámicas son independientes, pudiendo observarse situaciones meteorológicas que producen efectos de compensación parcial de los fenómenos de refracción.
Las desviaciones de los niveles sonoros son más pequeñas en condiciones favorables. En la figura 5. se tienen estas desviaciones, estando de frontera entre ambas la propagación en condiciones homogéneas. La zona oscura contiene al menos el 50% de los valores mientras que la zona clara tiene al menos el 90%.
Una caracterización exacta, en el tiempo y en el espacio, de la influencia de las condiciones meteorológicas en la propagación del sonido es imposible.
Actualmente no existe un método para calcular los niveles sonoros en condiciones de propagación desfavorables. Lo que se hace es partir de los niveles correspondientes a las condiciones homogéneas, sobreestimando los niveles sonoros reales, con lo que se aumenta la seguridad.
Los niveles a largo plazo se calculan haciendo la suma energética de los niveles en condiciones favorables y homogéneas ponderados por las ocurrencias respectivas de las condiciones favorables y desfavorables sobre el lugar:
siendo:
Li.LT,j: nivel sonoro a largo plazo de la fuente i en la banda de octava j
Li,F,j: nivel sonoro en condiciones de propagación favorables de la fuente i (calculado en 1.04) en la banda de octava j
Li,H: nivel sonoro en condiciones de propagación homogéneas de la fuente i (calculado en 1.05) en la banda de octava j
p: ocurrencia (valor de 0 a1) a largo a largo plazo de las condiciones meteorológicas favorables a la propagación del sonido. Se supone que el nivel LF se tiene durante la fracción p de tiempo, y el nivel LH durante la fracción (1-p).El porcentaje de ocurrencia de las condiciones favorables en el caso de un trayecto reflejado es el mismo que en un trayecto directo.
Es evidente que la ocurrencia de las condiciones favorables depende de la dirección fuente-receptor, ya que estas condiciones son función de la dirección del viento. Para efectuar el cálculo es necesario disponer, para el lugar de cálculo, de la ocurrencia de las condiciones favorables para el conjunto de las direcciones de propagación fuente-receptor. Cuando no se dispone de los valores anteriores (caso más frecuente) lo que se hace es maximizar las condiciones favorables (tal como indica la recomendación 2003/613/CE), mayorando, por tanto, los niveles a largo plazo. Se considera:
- Período día (7-19 h): 50% de ocurrencias favorables
- Período tarde (19-23 h): 75% de ocurrencias favorables
- Período noche (23-7 h): 100% de ocurrencias favorables
El nivel sonoro a largo plazo en el receptor R para todos los trayectos será la suma de las contribuciones sonoras de todas las fuentes puntuales y de sus fuentes imagen eventuales:
El nivel sonoro total a largo plazo en el receptor R, en dB(A) es:
variando el índice de la banda de octava j de125 a4.000 Hz.
1.4.- MÉTODO GENERAL DE CÁLCULO
Los cálculos se realizan siguiendo los siguientes pasos:
- Descomposición de las fuentes de ruido en fuentes puntuales
- Determinación del nivel de potencia acústica de cada fuente
- Búsqueda de los trayectos de propagación del sonido entre la fuente y el receptor (directos, reflejados y difractados)
- Para cada trayecto
- Cálculo de la atenuación en condiciones favorables
- Cálculo de la atenuación en condiciones homogéneas
- Cálculo del nivel a largo plazo a partir de los niveles favorable y homogéneo, y de la ocurrencia de las condiciones favorables
- Acumulación de los niveles sonoros a largo plazo de cada trayecto, determinando el nivel sonoro total en el receptor
En la figura 6. se encuentra el organigrama del método utilizado
1.5.2- Absorción atmosférica
Esta atenuación se debe a la fricción y al intercambio de energía vibratoria y rotacional en las moléculas. El valor de la atenuación para un punto situado a una distancia r de la fuente es:
1.5.3.- Efecto del suelo
La atenuación debida al suelo se compone de dos efectos, uno negativo, debido al sonido reflejado desde el suelo hacia el receptor, y otro positivo, debido a la absorción sonora asociada a esa reflexión. El valor de la atenuación obtenida en cada banda de octava depende del tipo de suelo (duro, blando o mixto), así como de la distancia fuente receptor (ligada a las condiciones atmosféricas existentes en la zona) y respecto al terreno (altura). En general, la atenuación conseguida es tanto mayor cuanto menor sea el ángulo de incidencia de las ondas sonoras respecto a la horizontal.
Las propiedades de absorción acústica del suelo están esencialmente ligadas a su porosidad. Lo suelos compactos se comportan como planos especulares mientras que los suelos porosos son absorbentes. La absorción acústica de un suelo está representada por un coeficiente G adimensional con valores entre 0 y 1, adoptando los siguientes valores:
- Suelo reflejante (carretera, hormigón, etc.): G=0
- Suelo absorbente (prado, arboleda, etc.): G=1
- Suelo mixto: G=fracción de suelo blando
Dado que se trabaja con suelos no planos, se denominará h a la altura real y z a la altura equivalente. La altura equivalente z (figura 1.) se obtiene a partir del plano medio del suelo entre la fuente y el receptor. Se reemplaza el suelo real por un suelo ficticio que representa el plano medio del terreno. La altura equivalente de un punto es entonces su altura ortogonal con relación a ese plano medio.
Este plano medio se puede obtener por mínimos cuadrados aplicado al perfil del suelo entre la fuente y el receptor. Si la altura se vuelve negativa (punto situado debajo del plano medio) se tiene una altura nula (si hay difracción coinciden este punto real y su imagen).
Cálculo en condiciones favorables
En estas condiciones los rayos se curvan hacia el suelo y, en consecuencia, su efecto está condicionado por la naturaleza del suelo próximo a la fuente y al receptor. El trayecto del rayo es lo suficientemente alto respecto al terreno situado entre fuente y receptor por lo que su influencia es mínima en el cómputo total. Alguna vez, para grandes distancias, el rayo puede rebotar en esta zona, por lo que se debe tener en cuenta.
Estos fenómenos llevan a calcular los valores del efecto del suelo separadamente para las tres zonas.La norma ISO-9613-2 propone métodos distintos según se trate de distancias cortas (<100 m) o largas (>100 m). Tomando este último caso como más general, la atenuación finalmente conseguida se considera igual a la suma de las atenuaciones correspondientes a las tres zonas (figura 2.), zona próxima a la fuente, zona próxima al receptor y zona intermedia, siendo su amplitud función de las alturas de fuente (hs) y receptor (hr). Para las zonas próximas a fuente y receptor se considera su longitud igual a 30 veces la altura respectiva.
Esto permite tratar una gran variedad de fuentes. Cuando sólo interesa el ruido de infraestructuras (carreteras o ferrocarriles), no es necesario definir estrictamente estas zonas, especialmente la fuente, cuyas características son conocidas.
Cada una de estas zonas se puede definir por un coeficiente de suelo (Gs, Gm y Gr). En el presente caso se consideran dos coeficientes, el fuente Gs y otro para el trayecto Gtrayecto que corresponde a las características medias del suelo en la zona intermedia y en la del receptor (Gm=Gr=Gtrayecto).
En infraestructuras de carreteras, se considera que el suelo cercano a la fuente es reflejante, teniendo en cuenta el revestimiento del suelo. En las otras zonas se obtiene Gtrayecto como una media ponderada (figura 3).
La atenuación debida al efecto del suelo en condiciones favorables sobre el conjunto del trayecto es:
siendo As,F, Am,F y Ar,F las atenuaciones en cada una de las zonas, según las fórmulas de la tabla 1.
donde:
Para las diversas atenuaciones se toma:
Cálculo en condiciones homogéneas
En este caso, dado que las trayectorias son rectilíneas, no se distinguen las tres zonas anteriores. Se toma un coeficiente único Gtrayecto idéntico al utilizado en las condiciones favorables.
La atenuación debida al efecto del suelo en condiciones homogéneas será:
siendo:
siendo:
fc: frecuencia central de la octava considerada
c: celeridad del sonido en el aire, 340 m/s
Cuando hay barreras, el efecto del suelo se considera dentro del cálculo de la difracción, obviando los cálculos anteriores.
1.5.4.- Difracción
La atenuación por barrera es debida a la presencia de barreras naturales (orográficas) o artificiales interrumpiendo la línea directa entre fuente sonora y posición receptora. En estos casos el sonido aun se puede transmitir hasta el receptor debido al fenómeno de difracción, pero en una magnitud más pequeña que la que correspondería sin la existencia de barreras. Cuando en el trayecto existen varios obstáculos, éstos se tratan como una única difracción múltiple.
De manera general se debe estudiar la difracción sobre cada obstáculo situado en la trayectoria.
Cuando se hace el cálculo de la atenuación por difracción, el valor determinado anteriormente de atenuación por efecto del suelo no se considera, ya que este efecto se contempla en la difracción.
Desvío de la trayectoria δ en condiciones favorables
En estas condiciones, la curvatura de los rayos es hacia el suelo, desplazándose la trayectoria hacia arriba en una magnitud Δh (figura 4.) en el punto situado a la derecha de la arista de difracción. Debido a esta situación, se puede dar el caso de que en condiciones homogéneas S y R no se vean y pasen a vista directa en situación favorable (se dice que el rayo bordea el obstáculo).
La magnitud Δh se define como:
siendo γ el radio de curvatura del trayecto sonoro, cuyo cálculo es:
En la figura 5. se tiene la manera de calcular el desvío de la trayectoria δ en estas condiciones. Para la difracción múltiple se hace:
- Se determina el punto A´ a partir de Δh calculado de cada arista
- Se eliminan las aristas que producen difracción negativa (vista directa)
- Se determina el camino más corto entre fuente y receptor pasando por cada uno de los puntos de difracción a tener en cuenta
Desvío de la trayectoria δ en condiciones homogéneas
En la figura 6. se tiene la manera de calcular este desvío de la trayectoria δ.
Cálculo de la atenuación por difracción Adifra
Para saber si hay difracción se compara el desvío de la trayectoria δ con (-λ/20), siendo λ la longitud de onda a la frecuencia de 500 Hz (λ =0.68 m). Si δ >-0.034 m, hay difracción.
El trayecto se descompone en dos partes, lado de la fuente y lado del receptor, separados ambos por el punto de difracción (figura 7.).
El valor de la atenuación por difracción es la suma de tres valores:
siendo:
- Δdifra(S, R): atenuación por difracción pura, sin efecto del suelo entrela fuente S y el receptor R
- Δsuelo(S, O): atenuación debida al efecto del suelo del lado de la fuente, ponderado por la difracción de ese lado
- Δsuelo(O, R): atenuación debida al efecto del suelo del lado del receptor, ponderado por la difracción de ese lado
- Δdifra(S, R): atenuación por difracción pura, sin efecto del suelo, entrela fuente S y el receptor R
siendo:
- λ: longitud de onda a la frecuencia en bandas de octava considerada
- C”: coeficiente que tiene en cuenta la difracción múltiple
siendo e la distancia entre las difracciones extremas (figura 1.15).
El valor de la atenuación Δdifra (S, R) tiene los siguientes límites:
- Valor mínimo: Δdifra (S, R) = 0 dB
- Valor máximo:
- Aristas horizontales Δdifra (S, R) = 25 dB
- Aristas verticales: sin límite
- Δsuelo(S, O): atenuación debida al efecto del suelo del lado de la fuente, ponderado por la difracción de ese lado
siendo:
- Asuelo(S, O): atenuación debida al efecto del suelo del lado de
- zr = zO,S, d = SO
- Condiciones favorables: GS = 0, y Gm = Gr = Gtrayecto se calcula entre S y O
- Condiciones homogéneas: G = Gtrayecto se calcula entre S y O
- Δdifra(S´, R): atenuación debida a la difracción entre la fuente imagen y el receptor calculada según 1.21.
- Δdifra(S, R): atenuación debida a la difracción entre la fuente y el receptor calculada según 1.21.
- Δsuelo(O, R): atenuación debida al efecto del suelo del lado del receptor, ponderado por la difracción de ese lado
siendo:
- Asuelo(O, R): atenuación debida al efecto del suelo del lado del receptor. Se calcula según lo visto en (1.14) y (1.16), con los siguientes cambios:
- zs = zO,R, d = OR
- Condiciones favorables: GS = Gm = Gr = Gtrayecto se calcula entre O y R
- Condiciones homogéneas: G = Gtrayecto se calcula entre O y R
- Δdifra(S, R´): atenuación debida a la difracción entre la fuente y el receptor imagen calculada según 1.21.
- Δdifra(S, R): atenuación debida a la difracción entre la fuente y el receptor calculada según 1.21.
La fórmula para determinar la difracción (1.21) se puede utilizar para calcular la difracción sobre aristas verticales (difracciones laterales). En esta caso se toma Adifra = Δdifra (S, R) y se conserva el término Asuelo. Además, Aatm y Asuelo se calculan a partir de la longitud total del trayecto (Adiv se sigue calculando a partir de la distancia directa d).