Diseño y evaluación acústica de salas para la enseñanza

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DISEÑO Y
EVALUACIÓN
ACÚSTICA
DE SALAS PARA LA ENSEÑANZA
J. E. Sommerhoff
jsommerh@uach.cl
Universidad Austral de Chile
Valdivia - Chile
Resumen
En esta nota técnica se exponen los principales aspectos acústicos en el
diseño y evaluación de salas para la enseñanza. Se destaca la importancia que tiene considerar la variable acústica en diseño arquitectónico
de los colegios, como también, los efectos negativos cuando esta no se
considera. Se aclara cuál es el objetivo último que tiene el diseño acústico de una sala para la enseñanza y los factores acústicos del cual depende. Cada uno de estos factores está complementado con directrices
de diseño para alcanzar el objetivo deseado: buena inteligibilidad de la
palabra. Por último, se explica y muestra un método objetivo de cuantificación y medición de la inteligibilidad de la palabra denominado STI.
Palabras Clave: Inteligibilidad de la palabra, STI, Reverberación, Ruido
de fondo, Relación señal-ruido.
Abstract
This technical note describes the main aspects of the acoustic design
and assessment of rooms for teaching. It stands out the importance of considering the acoustic variable in the architectural design of
schools, as well as the negative effects when it is not considered. It
clarifies which is the ultimate goal of the acoustic design of a room for
teaching and the acoustic factors in which it depends. Each of these factors is complemented with design guidelines to achieve the desired goal: good speech intelligibility. Finally, an objective method of
quantification and measurement of speech intelligibility called STI is
explained and shown.
Key Words: Speech intelligibility, STI, Reverberation, Background noise, Noise to signal relation.
SONAC Revista de Sonido y Acústica, Num. 3, pags 117 - 125. Mayo 2012. ISSN: 1390-6348
1. INTRODUCCIÓN
Los colegios son lugares para aprender, donde hablar y escuchar son
la forma primordial de comunicación. El objetivo acústico de una sala
de clases es permitir una adecuada comunicación oral. Sin embargo,
muchas veces su diseño no contempla esta variable y la sala se transforma en una barrera para el aprendizaje. Este problema invisible tiene
implicancias de largo alcance, pero se puede resolver con facilidad.
Siempre puede haber enseñanza, pero el máximo aprendizaje no ocurrirá hasta que la audición sea óptima. Un aula con mala inteligibilidad
dificulta severamente el aprendizaje del alumno y hace inútil el esfuerzo del profesor.
Las malas decisiones de
diseño acústico de una sala
clase pueden
afectar seriamente el desarrollo educativo de
los estudiantes.
Cuando en el diseño de una sala se considera la variable acústica, los
beneficios asociados al proceso de aprendizaje superan con creces el
bajo costo incremental de la obra que genera un diseño apropiado para
mejorar la acústica de la sala.
Las malas decisiones de diseño acústico de una sala clase pueden afectar seriamente el desarrollo educativo de los estudiantes. Tanto el exceso de ruido ambiental como un inadecuado acondicionamiento acústico pueden degradar la inteligibilidad de la palabra en la sala. Los
alumnos, a menudo no se dan cuenta que tienen algún grado de dificultad para escuchar con claridad lo que el profesor dice, esto, producto
de nuestras capacidades muy notables de “adivinar la palabra correcta”
o “predecir por el contexto” cuando escuchan en condiciones acústicas
de ruido o mucha reverberación [1][2]. Por ejemplo, escuchar en una
sala como mucha reverberación equivale a leer el texto de la figura 1.1
Figura 1.1 Escuchar en una sala como mucha reverberación equivale a leer este texto.
Seguramente todos podrán leer la oración anterior, pero no cabe ninguna duda que el esfuerzo mental que hay que realizar es superior al que
hay que realizar si no se hubiesen omitido algunas letras. Esto produce
en los alumnos cansancio, falta de comprensión, distracción, aburrimiento, desorden, y le genera en el largo plazo problemas de vocabulario y de expresión verbal. En los profesores genera cansancio, stress
y afonía, lo que muchas veces se ve reflejado en un mayor ausentismo
laboral [3].
Los efectos negativos del ruido y la reverberación son generalmente más evidentes en la enseñanza de un segundo idioma, en el cual los
estudiantes son menos capaces de usar el contexto para adivinar o individualizar palabras particulares. También, los oyentes con cualquier
discapacidad auditiva se verán más afectados por una mala acústica en
comparación con los oyentes que tienen una audición normal.
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2. FACTORES ACÚSTICO QUE AFECTAN LA INTELIGIBILIDAD DE
LA PALABRA
Los factores acústicos que afectan la inteligibilidad de la palabra (claridad con que se escucha la voz hablada) son:
a. Ruido de fondo.
b. Nivel de presión sonora de la señal que llega al auditor.
c. Tiempo de reverberación.
d. Factor de forma.
a. Ruido de fondo y nivel de presión sonora de la señal
“Ruido” es cualquier tipo de sonido no deseado. Cuanto más alto es
el nivel de la señal de la voz en relación con el nivel de la interferencia del ruido (relación señal-ruido S/R), mayor es la inteligibilidad de
la palabra. El nivel de la voz (señal) puede variar con la cantidad de
esfuerzo vocal, pero el nivel creciente del habla está limitado por el
mecanismo de la voz humana. Hablar más alto es uno de los medios de
mejorar la relación señal-ruido y por lo tanto la inteligibilidad, sin embargo puede generar estrés y afonía. Una analogía con un texto escrito
se muestra en la figura 2.1
sin ruido de
fondo
con ruido de
fondo
Figura 2.1 Analogía entre un texto escrito y escuchar en una sala ruido.
Un tipo de ruido que es evidente es el emitido por la calefacción, ventilación y aire acondicionado. Otros dispositivos como proyectores u
ordenadores, y los ocupantes de la misma habitación, también contribuyen con el ruido no deseado que pueda interferir con nuestra capacidad para entender el habla.
c. Tiempo de reverberación
Con una reverberación excesiva, las sílabas que anteceden a la sílaba
que lleva la información generan un enmascaramiento en ella de la
forma que se muestra en la figura 3. Una analogía con un texto escrito
es la que se muestra la figura 2.2
Figura 2.2 Enmascaramiento de la información por las sílabas que la anteceden.
d. Factor de forma.
Cuando escuchamos la voz hablada en una sala oímos una combinación del sonido directo de la persona que habla, y muchas reflexiones de la misma voz. Es decir, el sonido viaja entre el locutor y el oyente por muchos caminos diferentes que incluyen las reflexiones de varias
superficies. Algunas de estas reflexiones llegan al oyente muy pronto después del sonido directo, pero otras, pueden reflejarse alrededor de
la habitación durante tanto tiempo como un segundo o más.
Las reflexiones tempranas son muy útiles para aumentar la inteligibilidad de la palabra, sin embargo, las reflexiones tardías son indeseables. Los sonidos que se reflejan alrededor de la habitación por largos
periodos de tiempo degradan la claridad de la voz hablada. Estas reflexiones tardías se pueden considerar como otro tipo de ruido.
La analogía del retardo entre sonido directo y reflejado con un texto
escrito se muestra en la figura 2.3
Figura 2.3 Analogía del retardo entre sonido directo y reflejado con un texto escrito.
Otro tipo de reflexiones que pueden disminuir la inteligibilidad de la
palabra corresponden al fenómeno denominado eco batido (“flutter
eco”). Este fenómeno auditivo se genera por las múltiples reflexiones
sucesivas que llegan al auditor producidas por dos superficies paralelas
reflectantes, de la forma que se muestra en la figura 2.4. Una manera
de determinar su existencia es ubicarse en el eje de la sala y generar
un ruido impulsivo por medio de un aplauso. Si el eco batido existe
se escuchará un aplauso batiente a medida que el sonido impulsivo se
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refleja una y otra vez entre las dos superficies. Para eliminarlo se puede
recubrir una de las superficies con un material absorbente, un elemento
difusor, o eliminar el paralelismo con un desvío de al menos 8 grados
entre ambas superficies.
Figura 2.4 Ilustración del fenómeno de eco batiente (“flutter eco”).
3. DIRECTRICES PARA MEJORAR LA INTELIGIBILIDAD DE LA PALABRA
a. La primera consideración importante para incrementar la
inteligibilidad de la palabra y prevenir una tensión en las
cuerdas vocales de la voz es asegurar que los niveles de
ruido ambiental sean bajos en comparación a niveles de la
voz normal (en general S/R > 15 dB). Además de mitigar el
ruido proveniente del exterior de la sala, se deben aplicar
técnicas de control de ruido a los emitidos por los sistemas
mecánicos de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Los dispositivos como proyectores u ordenadores, también contribuyen al ruido no deseado. Dado que el nivel de
presión sonora de la voz normal a 1 metro del locutor es
aproximadamente 60 dB, y cuando este eleva la voz alcanza unos 70 dB, los criterios aceptados de ruido ambiente
se dan en la tabla 1, ya sea midiendo el nivel de ruido en
dBA, o cumpliendo con la correspondiente curva NC (Noise
Criteria).
b. La segunda consideración es controlar la reverberación de
la sala. Para ello es importante disponer los materiales absorbentes en las superficies que pueden producir reflexiones molestas. La superficie más efectiva para este objetivo
es el muro posterior de la sala, dado que la aplicación del
material absorbente en ella permite disminuir la reverberación de la sala, como también, evitar las reflexiones molestas que esta produce. Si aun falta absorción en la sala,
las superficies aptas para poner material absorbente son la
parte alta-posterior de los muros laterales y la parte posterior del cielo. Los criterios de tiempo de reverberación
aceptados se muestran en la tabla 3.1
Ruido máximo
Situaciones
T [s]
dBA
NC
Sala de clases de colegio primario
30
23
0.5
Sala de clases de colegio de enseñanza secundaria y
universitaria
35
28
0.7
Auditorium
30
23
0.7
Tabla 3.1 Recomendaciones de ruido ambiente máximo y tiempo de reverberación óptimo para
una buena inteligibilidad.
c. La tercera consideración en el diseño, es evitar las reflexiones molestas (p.e. eco batiente) y dotar a la sala de superficies reflectantes que refuercen el sonido directo (reflexiones útiles). La analogía con un texto escrito del efecto de
esta estrategia se muestra en la figura 3.1
sin reflector
con reflector
Figura 3.1 La analogía con un texto escrito del efecto de utilizar un reflector del sonido.
Un resumen de estas estrategias se muestra en la figura 3.2
DISEÑO ACÚSTICO
ABSORBENTE
Figura 3.2 Resumen de estrategias de acondicionamiento acústico.
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4. TÉCNICA OBJETIVA DE EVALUACIÓN DE LA INTELIGIBILIDAD
El STI (Speech Transmisión Index) es una medida objetiva que permite
cuantificar y evaluar la inteligibilidad de la palabra. Esta técnica está
normalizada por el estándar internacional IEC 60268-16 [4]. Como tal,
es una buena herramienta de referencia o de comparación (benchmark)
de la calidad acústica de las salas. Su valor varía entre 0 (completamente ininteligible) a 1 (perfectamente inteligible). La escala de calificación
de STI [5] para una sala se da en la Tabla 4.1. Para ambientes de aprendizaje el STI debería ser mayor a 0,60.
STI
0 a 0,3
0,3 a 0,45
0,45 a 0,6
0,60 a 0,75
0,75 a 1,0
CALIFICACIÓN
Inaceptable
Deficiente
Regular
Buena
Excelente
Tabla 4.1 Evaluación acústica de una sala de acuerdo al STI.
El algoritmo original [6] y su relación con el Índice de Articulación [7]
suponen que la predicción de la inteligibilidad de la palabra se basa
en una contribución ponderada de 7 bandas de octava.
La pérdida de la
modulación entre
la señal emitida
y señal captada
representan la
pérdida de modulación en el habla
natural, y por
lo tanto es también una medida
de la pérdida de
la inteligibilidad.
Como tal, el método STI se basa en modular en amplitud las 7 bandas
de octava de ruido, donde las frecuencias de modulación coinciden
con los de habla natural. La pérdida de la modulación entre la señal
emitida y señal captada representan la pérdida de modulación en el
habla natural, y por lo tanto es también una medida de la pérdida de
la inteligibilidad [8].
La función del factor de reducción de modulación m(F) está dada por
la ecuación (4.1).
4.1
donde,
F = amplitude modulation frequencies (0.63, 0.80, 1.0, 1.25, 1.6, 2.0, 2.5, 3.15, 4.0, 5.0, 6.25,
8.0, 10.0 and 12.5 Hz).
S/R = relación señal-ruido en bandas de octava desde los 125 Hz a 8 kHz.
T = tiempo de reverberación en bandas de octava desde los 125 Hz a 8 kHz.
Esta función determina el factor de reducción que sufre la modulación de la señal cuando viaja desde la fuente hasta el auditor. Un valor
pequeño de m indica una reducción significativa de la inteligibilidad de
la voz. La ecuación (4.1) indica que m es dependiente de dos variables
acústicas medibles presentes en los canales de transmisión; el tiempo
de reverberación, que tiene en cuenta las distorsiones en el dominio del
tiempo, y la relación señal-ruido S/R que tiene en cuenta las distorsiones de dominio de la frecuencia.
El factor de reducción de modulación m(F)se debe calcular/medir para
las 14 diferentes frecuencias de modulación y para las 7 bandas de
octava formando una matriz de 7 x 14 de diferentes combinaciones de
ruido modulado. Los pasos del algoritmo que transforman este conjunto de 98 valores m en un solo valor de STI son los siguientes:
i. Convertir cada uno de los 98 m valores en una relación señalruido aparente (S/R)app utilizando
4.2
ii. Truncar todos los valores de (S/R )app > 15 dB a +15 dB, y (S/R )
< -15 dB a -15 dB.
app
iii. Calcular para cada banda de octava (125 Hz a 8kHz) el promedio de los (S/R )app .
iv. Calcular la relación señal-ruido aparente global con:
4.3
v. v) Normalizar el índice STI en el rango de 0 a 1 utilizando:
4.4
La figura 4.1 muestra una familia de curvas de STI en función del tiempo de reverberación T y la relación señal-ruido S/R.
Figura 4.1. Familia de curvas de STI en función del tiempo de reverberación T y la relación señal-ruido S/R.
En resumen, la técnica STI permite predecir la inteligibilidad de la palabra de
una sala en la etapa de diseño, como también, medir este valor para comprobar la efectividad del diseño y evaluación final de la calidad acústica de la sala.
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5. CONCLUSIONES
Esta nota técnica ha indicado la importancia que tiene diseñar salas de
clase con buena acústica, de tal forma de que la sala no se transforme
en una barrera para el aprendizaje. Se ha establecido que el objetivo
último del diseño acústico es obtener una buena inteligibilidad de la
palabra, y que esta depende de cuatro factores acústicos: ruido de fondo, nivel de presión sonora de la señal que llega al auditor, tiempo de
reverberación y factor de forma. Se han mostrado algunas directrices
de diseño, que orientan las estrategias a seguir en cada uno de los
factores, como también, se ha indicado un método objetivo de cuantificación y evaluación de la inteligibilidad de la palabra denominado
STI. Se ha explicado cuál es la base del STI y mostrado el algoritmo que
permite su cálculo.
6. REFERENCIAS
1.
Bradley J.S., (2002) Acoustical Design of Rooms for Speech, Construction Technology,
Update No. 51.
2.
Bradley J.S., (1986) Speech intelligibility studies in classrooms. Institute for Research in
Construction, National Research Council of Canada, Ottawa.
3.
Urrutikoetxea, A., Ispizua, A., and Matellanes, F. (1995) Vocal pathology in teachers:
a video- laryngostroboscopic study of 1,046 teachers. Revue de Laryngologie, Otologie,
Rhinologie 116: 255 – 62.
4.
IEC 60268-16. (2011) Sound system equipment – Part 16: Objective rating of speech intelligibility by speech transmission index. IEC. Edition 4.0.
5.
ISO 9921:2003(E). (2003) Ergonomics: Assessment of speech communication. International Organization for Standardization.
6.
Steeneken H.J.M., Houtgast T. (1980) A physical method for measuring speech transmission quality. Journal of the Acoustical Society of America 67(1) 318-326.
7.
Fletcher H. (1995) Speech and Hearing in Communication: Acoustical Society of America
Edition.
8.
Steeneken H., Verhave J., McManus S., Jacob K, (2001) Development of an Accurate,
Handheld, Simple-to-use Meter for the Prediction of Speech Intelligibility, Presented at
ReproduceSound17.