Absorción acústica: coeficiente de absorción y materiales absorbentes

Entra en una iglesia de piedra vacía y da una palmada: el sonido tarda varios segundos en apagarse. Haz lo mismo en un salón con sofá, alfombra y cortinas: se apaga casi al instante. La diferencia está en la absorción acústica, la capacidad de las superficies para «quedarse» con parte del sonido en lugar de devolverlo a la sala. Es la segunda gran pieza de la acústica de salas, después de la reflexión, la refracción y la difracción, y la herramienta con la que se controla el tiempo de reverberación.

Lo primero que tienes que saber es que ningún material absorbe igual todas las frecuencias. Escucha estos dos tonos:

▶ 125 Hz (λ ≈ 2,7 m): casi ningún panel fino lo absorbe ▶ 2000 Hz (λ ≈ 17 cm): una espuma de 5 cm lo absorbe casi entero

Un panel de espuma de 5 cm es prácticamente invisible para el primero y muy eficaz con el segundo. Entender por qué es la clave para tratar bien una sala.

Qué es la absorción acústica

Cuando una onda sonora llega a una pared, su energía se reparte en tres partes: una se refleja y vuelve a la sala, otra se disipa en el material (se convierte en calor por rozamiento) y otra se transmite al otro lado. Desde el punto de vista de la sala, todo lo que no vuelve está «absorbido».

El coeficiente de absorción $\alpha$ mide esa fracción:

$$\alpha = \frac{E_{\text{incidente}} - E_{\text{reflejada}}}{E_{\text{incidente}}} = 1 - \frac{E_{\text{reflejada}}}{E_{\text{incidente}}}$$

donde $E$ es la energía sonora (J). Es un número sin unidades entre 0 y 1:

• $\alpha = 0$: la superficie lo refleja todo (un ideal; el mármol pulido se acerca, con valores del orden de 0,01).
• $\alpha = 1$: no devuelve nada. El ejemplo clásico es una ventana abierta: el sonido sale y no vuelve.

El área de absorción equivalente

Para una sala interesa la absorción total, que depende de cuánta superficie hay de cada material. Se llama área de absorción equivalente $A$ y se mide en m² (también llamados sabinos métricos):

$$A = \sum_i S_i \, \alpha_i + \sum_j N_j \, A_j$$

• $S_i$: área de cada superficie (m²).
• $\alpha_i$: su coeficiente de absorción.
• $N_j$: número de objetos o personas de cada tipo.
• $A_j$: absorción de cada objeto o persona (m²).

La idea es de Wallace C. Sabine: 10 m² de una superficie con $\alpha = 0{,}5$ absorben lo mismo que 5 m² de ventana abierta. Con $A$ y el volumen de la sala se calcula el tiempo de reverberación.

Cómo varía el coeficiente de absorción con la frecuencia

Como ves en los audios de arriba, $\alpha$ depende mucho de la frecuencia. Por eso se da en bandas de octava, normalmente las seis que van de 125 a 4000 Hz, que cubren la zona más importante para la música y la palabra.

Tabla de coeficientes de absorción de materiales comunes

Estos son valores orientativos de materiales habituales, redondeados, del tipo que recogen los manuales de referencia (Everest y Pohlmann, Carrión Isbert, Beranek). Cada fabricante y cada montaje dan valores distintos: para un proyecto real, usa siempre la ficha técnica del producto concreto.

Material	125 Hz	250 Hz	500 Hz	1000 Hz	2000 Hz	4000 Hz
Enlucido de yeso sobre ladrillo	0,01	0,02	0,02	0,03	0,04	0,05
Ladrillo visto sin pintar	0,03	0,03	0,03	0,04	0,05	0,07
Suelo de hormigón o terrazo	0,01	0,01	0,02	0,02	0,02	0,02
Linóleo o vinilo sobre hormigón	0,02	0,03	0,03	0,03	0,03	0,02
Suelo de madera sobre rastreles	0,15	0,11	0,10	0,07	0,06	0,07
Placa de yeso laminado (12,5 mm) sobre perfiles	0,29	0,10	0,05	0,04	0,07	0,09
Vidrio de ventana normal	0,35	0,25	0,18	0,12	0,07	0,04
Moqueta gruesa sobre hormigón	0,02	0,06	0,14	0,37	0,60	0,65
Cortina pesada fruncida	0,14	0,35	0,55	0,72	0,70	0,65
Espuma acústica de 50 mm sobre pared	0,08	0,25	0,60	0,90	0,95	0,90
Panel de lana mineral de 50 mm sobre pared	0,20	0,65	0,95	1,00	0,95	0,90
Techo suspendido de placas acústicas	0,45	0,55	0,60	0,75	0,80	0,75
Butacas tapizadas vacías (por m² de platea)	0,49	0,66	0,80	0,88	0,82	0,70
Público sentado en butacas tapizadas (por m²)	0,60	0,74	0,88	0,96	0,93	0,85

Fíjate en tres patrones que se repiten:

1. Las superficies duras y pesadas (yeso, ladrillo, hormigón) absorben casi nada en todas las bandas. Son las que hacen que una sala vacía reverbere.
2. Los materiales porosos (moqueta, cortina, espuma, lana mineral) suben de izquierda a derecha: absorben mucho los agudos y poco los graves.
3. Las placas ligeras con aire detrás (yeso laminado, vidrio, madera) hacen lo contrario: absorben más en los graves. No son porosas, sino que vibran como membranas, como verás enseguida.

Cómo se mide el coeficiente de absorción

Hay dos métodos normalizados:

• Cámara reverberante (norma ISO 354). Se mide el tiempo de reverberación de una sala muy reverberante, vacía y con la muestra dentro. De la diferencia se deduce la absorción. Da el coeficiente para incidencia aleatoria, el que se usa en los cálculos de salas.
• Tubo de impedancia (ISO 10534). Una pequeña muestra se coloca al final de un tubo y se mide la onda que vuelve. Es rápido y barato, pero solo da el coeficiente para incidencia normal (perpendicular), que no es el mismo.

NRC y αw: la absorción en un solo número

Para comparar materiales rápidamente se usan índices de un único valor.

El NRC

El NRC (Noise Reduction Coefficient, norma estadounidense ASTM C423) es la media de los coeficientes en las cuatro bandas centrales, redondeada al múltiplo de 0,05 más cercano:

$$NRC = \frac{\alpha_{250} + \alpha_{500} + \alpha_{1000} + \alpha_{2000}}{4}$$

Para la espuma de la tabla: $(0{,}25 + 0{,}60 + 0{,}90 + 0{,}95)/4 = 0{,}675$, que se redondea a NRC 0,70. Para la lana mineral de 50 mm sale 0,89, es decir, NRC 0,90.

El NRC tiene un problema: ignora por completo las bandas de 125 y 4000 Hz. Dos materiales con el mismo NRC pueden comportarse de forma muy distinta en los graves.

El αw y las clases de absorción

En Europa se usa el coeficiente de absorción ponderado $\alpha_w$ (norma ISO 11654). El método es algo más elaborado:

1. Se toman los coeficientes de 250 a 4000 Hz, redondeados a 0,05.
2. Se compara con una curva de referencia (0,80 - 1,00 - 1,00 - 1,00 - 0,90) que se va bajando de 0,05 en 0,05 hasta que la suma de las desviaciones desfavorables (las bandas en las que la curva queda por encima del material) no pase de 0,10.
3. El $\alpha_w$ es el valor de la curva desplazada a 500 Hz.
4. Si en alguna banda el material supera a la curva en 0,25 o más, se añade una letra: L (250 Hz), M (500 o 1000 Hz) o H (2000 o 4000 Hz).

Con los valores de la tabla, la lana mineral de 50 mm da $\alpha_w = 0{,}95$ y la espuma de 50 mm, $\alpha_w = 0{,}55$ (MH). Esas letras te avisan de que la espuma absorbe muy bien medios y agudos, pero se queda corta abajo: a pesar de tener un NRC de 0,70, su número europeo es mucho más bajo.

Con el $\alpha_w$ los materiales se clasifican en clases de absorción:

Clase	$\alpha_w$
A	0,90 - 1,00
B	0,80 - 0,85
C	0,60 - 0,75
D	0,30 - 0,55
E	0,15 - 0,25
Sin clasificar	0,00 - 0,10

Absorbentes porosos

Son los más conocidos: lana mineral, lana de roca, fibra de poliéster, espumas de celda abierta, fieltros, moquetas y cortinas. El sonido entra por sus poros y el aire, al moverse adelante y atrás por los canales estrechos, roza con las fibras y pierde energía en forma de calor.

Para que un poroso funcione tiene que haber movimiento de aire dentro de él. Y ahí está su limitación. Junto a una pared rígida, la velocidad de las partículas de aire es nula; es máxima a un cuarto de longitud de onda de la pared. Un panel de 5 cm pegado a la pared está en una zona de mucho movimiento para los agudos, pero de casi ninguno para los graves.

Como regla práctica orientativa, un poroso empieza a ser eficaz cuando su espesor (contando la cámara de aire que haya detrás) ronda una décima parte de la longitud de onda, y rinde al máximo cuando llega a un cuarto:

Espesor total	Eficaz desde (λ/10)	Máximo rendimiento (λ/4)
5 cm	unos 690 Hz	unos 1700 Hz
10 cm	unos 340 Hz	unos 860 Hz
15 cm	unos 230 Hz	unos 570 Hz
20 cm	unos 170 Hz	unos 430 Hz

De ahí salen dos consejos:

• Separar el panel de la pared mejora mucho los graves sin gastar más material. Un panel de 5 cm con 10 cm de cámara de aire rinde casi como uno de 15 cm.
• La densidad importa, pero no lo es todo. El parámetro que realmente cuenta es la resistividad al flujo (lo que le cuesta al aire atravesar el material). Una espuma de embalaje de celda cerrada o un corcho no absorben casi nada, aunque parezcan «blandos».

Resonadores: la absorción de los graves

Para absorber graves con un material poroso harían falta espesores de medio metro o más. La alternativa son los resonadores, sistemas que vibran a una frecuencia concreta y, al hacerlo, disipan la energía en esa zona del espectro. Son absorbentes selectivos: muy eficaces en una banda y casi inútiles fuera de ella.

Resonadores de membrana

Una placa ligera (contrachapado, yeso laminado, vidrio) montada con una cámara de aire detrás forma un sistema masa-muelle: la placa es la masa y el aire encerrado, el muelle. Cuando el sonido coincide con su frecuencia de resonancia, la placa vibra y absorbe. Para incidencia normal:

$$f_0 = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{\rho_0 c^2}{m \, d}} \approx \frac{60}{\sqrt{m \, d}}$$

• $f_0$: frecuencia de resonancia (Hz).
• $\rho_0$: densidad del aire (1,2 kg/m³) y $c$, velocidad del sonido (343 m/s).
• $m$: masa por unidad de superficie de la placa (kg/m²).
• $d$: profundidad de la cámara de aire (m).

Un tablero de contrachapado de 6 mm (unos 3,6 kg/m²) con 10 cm de cámara resuena hacia los $60/\sqrt{0{,}36} = 100$ Hz. Una placa de yeso laminado de 12,5 mm (unos 8,5 kg/m²) sobre perfiles de 5 cm da unos 92 Hz. Por eso los tabiques de pladur absorben más en 125 Hz que en 500 Hz, como viste en la tabla. Rellenar la cámara con lana mineral ensancha la banda de absorción.

Resonadores de Helmholtz

Si soplas por la boca de una botella, suena una nota. Eso es un resonador de Helmholtz: una cavidad de aire (el muelle) comunicada con el exterior por un cuello (la masa de aire que vibra). Su frecuencia es:

$$f_0 = \frac{c}{2\pi} \sqrt{\frac{S}{V \, L'}}$$

• $S$: sección del cuello (m²).
• $V$: volumen de la cavidad (m³).
• $L'$: longitud efectiva del cuello (m), algo mayor que la real porque el aire de los extremos también se mueve. Suele sumarse del orden de 1,6-1,7 veces el radio.

Una botella de vino de 0,75 L, con un cuello de 8 cm de largo y 1,9 cm de diámetro, resuena hacia los 108 Hz. En las salas se usan versiones más prácticas: paneles perforados o ranurados delante de una cámara de aire. Un tablero de 16 mm con agujeros de 8 mm que ocupan el 5 % de su superficie y 10 cm de cámara resuena en torno a 260 Hz. Cambiando el porcentaje de perforación y la profundidad se sintoniza la frecuencia.

Trampas de graves

En habitaciones pequeñas, el problema acústico número uno no es la reverberación, sino los graves que retumban por culpa de los modos propios. Para controlarlos se usan trampas de graves (bass traps):

• Dónde: en las esquinas (y mejor en las aristas entre pared y techo). En una sala rectangular, todos los modos tienen un máximo de presión en las esquinas, así que es donde un absorbente de graves trabaja más.
• Qué: bloques gruesos de lana mineral de baja densidad que rellenan la esquina en triángulo (tipo superchunk), paneles porosos de 10-20 cm separados de la pared, o resonadores de membrana o de Helmholtz sintonizados en la frecuencia problemática.
• Cuánto: más de lo que parece. Una o dos «esponjitas» triangulares de espuma de 30 cm de lado no hacen casi nada por debajo de 100 Hz.

La absorción del público

En una sala de conciertos, el mayor absorbente es el público. Cada persona, con su ropa, añade del orden de medio metro cuadrado de absorción en frecuencias medias. En una sala de 2000 butacas, eso supone cientos de metros cuadrados de absorción que están o no están según haya concierto o ensayo.

Hay dos formas de contarlo:

• Por persona, sumando $N \cdot A_{\text{persona}}$. Es lo habitual en aulas y salas pequeñas.
• Por superficie ocupada, multiplicando el área de la platea por un coeficiente de «público sentado», como en la tabla. Leo Beranek mostró que en las salas de concierto este método es más fiable, porque la absorción depende más de la superficie que ocupa el público que del número exacto de personas.

Otro absorbente que no se ve es el propio aire. En salas grandes y en agudos, la absorción del aire, que depende de la temperatura y la humedad, se nota: en 4000 Hz, una sala de 20 000 m³ puede sumar varios cientos de metros cuadrados de absorción solo por el aire. Por eso las grandes salas pierden brillo en los agudos. Lo verás en el tiempo de reverberación.

Ejercicios

Fuentes y bibliografía

• Carrión Isbert, A. (1998). Diseño acústico de espacios arquitectónicos. Barcelona: Edicions UPC.
• Everest, F. A. y Pohlmann, K. C. (2015). Master Handbook of Acoustics (6.ª ed.). Nueva York: McGraw-Hill.
• Kuttruff, H. (2009). Room Acoustics (5.ª ed.). Londres: Spon Press.
• Beranek, L. L. (2004). Concert Halls and Opera Houses: Music, Acoustics, and Architecture (2.ª ed.). Nueva York: Springer.
• Cox, T. J. y D’Antonio, P. (2009). Acoustic Absorbers and Diffusers: Theory, Design and Application (2.ª ed.). Londres: Taylor & Francis.
• Sabine, W. C. (1922). Collected Papers on Acoustics. Cambridge (Mass.): Harvard University Press.
• ISO 354:2003. Acoustics. Measurement of sound absorption in a reverberation room.
• ISO 11654:1997. Acoustics. Sound absorbers for use in buildings. Rating of sound absorption.