Buenos Aires – 5 to 9 September 2016 Acoustics for the 21st Century…

PROCEEDINGS of the 22nd International Congress on Acoustics

Noise: Sources and control: FIA2016-116

Acoustic properties of recycled textile materials Juan Manuel Loria(a), Leonardo Magliolo(b), Joaquín Mansilla(c), Alejandro Bidondo(d) Nicolás Urquiza(e), Gonzalo Botto(f), Gabriel Santiago Rosanigo(g) (a)

Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina, [email protected] Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina, [email protected] (c) Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina, [email protected] (d) Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina, [email protected] (e) Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina, [email protected] (f) Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina, [email protected] (g) Universidad Nacional de Tres de Febrero, Argentina, [email protected] (b)

Abstract Experimenting with industrial discards, mainly textiles materials, allows to develop decorative pieces with sound absorption properties. In order to improve comfort, these elements can improve acoustic conditioning in various spaces of different use (offices, homes, schools, bars, etc.). With discards recovered from the industry as prime material, the company Feboasoma has designed different acoustic absorbent materials as decorative products. The international standard ISO 354 is used to calculate the sound absorption coefficients (α) of different products, as other materials as yarn and fabrics polar type, and experimentation on new materials of natural products as wood chips of pine, privet and several tree roots. The measurements were made in two different halls adapted as reverberant chambers, one located in the company Feboasoma and another in the “Universidad Nacional Tres de Febrero” (UNTREF), both in Buenos Aires, Argentina. The results allowed to evaluate the efficiency of recycled materials to be used for acoustic purposes without neglecting aesthetics. Keywords: Noise - Sustainable materials for acoustic applications - Acoustic absorption coefficients - Acoustic properties - Acoustic quality

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Estudio de la aplicación de materiales reciclados textiles con fines acústicos 1 Introducción El consumo energético en el sector de la industria y la construcción puede alcanzar hasta el 41,1% de la demanda total de energía de un país industrializado [1]. Por esta razón, las estrategias green building o bioconstrucciones (construcciones a base de materiales de bajo impacto ambiental, reciclados o altamente reciclables) pueden ser extremadamente eficaces en cuanto a ahorro de combustibles fósiles y la reducción de gases de efecto invernadero. El sector eléctrico en Argentina constituye el tercer mercado energético de América Latina. Depende principalmente de la generación térmica (57% de la capacidad instalada) y de la generación hidroeléctrica (39%). Las nuevas tecnologías de energía renovable están muy poco explotadas. El año 2015 finalizó con 4,4% de aumento en el consumo energético [2,3]. Los materiales sustentables pueden jugar un papel importante en reducir el consumo energético, ya que generalmente requieren menos energía para su producción que la necesaria para los materiales convencionales. Un material sustentable se fabrica comúnmente a partir de materiales naturales o reciclados. El uso de recursos no renovables se emplea en porciones muy limitadas y tiene un bajo impacto ambiental. Muchos materiales acústicos utilizados en la actualidad no pueden considerarse sustentables en cuanto a que producen emisiones de gases de efecto invernadero. Y algunos de estos materiales pueden ser perjudiciales para la salud humana [4]. Tal es el caso de la lana mineral, que al inhalarse puede alojarse en los alveolos pulmonares y causar irritación de piel, por ende su uso requiere que el material sea sellado adecuadamente, Otro es el caso de las espumas de melanina y de poliuretano, que suelen emplearse como alternativas a soluciones acústicas, estas son relativamente más caras de producir y en su proceso se emplean productos petroquímicos. Además se ha comprobado que el aspirar sus esporas puede causar asma ocupacional, irritación respiratoria, incluso llegar a ser cancerígenas [5]. En los últimos tiempos se ha dado principal atención a las fibras naturales como alternativa a materiales sintéticos, con el fin de combinar un alto rendimiento acústico y térmico con un bajo impacto sobre el medio ambiente y la salud humana. Las fibras naturales tienen muy baja toxicidad y sus procesos de producción pueden contribuir a la protección del medio ambiente [6]. Los materiales reciclados, tales como fibras de plástico reutilizado y granulado de caucho, pueden ser incluso considerado como una alternativa sustentable, ya que contribuyen a la producción de residuos y menor dependencia de las materias primas. Se ha prestado más atención a los materiales compuestos que combinan residuos reciclados y ecológicos, las estructuras vivas. Los ejemplos incluyen techos y paredes construidos exclusivamente de vegetación. Estas estructuras incorporan fibras recicladas y granulados, en forma de sustrato poroso de la cual se permite que las plantas crezcan [6-7].

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Norma ISO 354:2003

Descripta como “Acústica - Medición de la absorción acústica en cámara reverberante” año 2004, el propósito de esta norma internacional es promover la uniformidad en los procedimientos y condiciones de la medición de la absorción de sonido en salas reverberantes. Esta norma internacional especifica un método para medir el coeficiente de absorción acústica de los materiales acústicos utilizados en el tratamiento sobre las superficies del recinto, o el área de absorción acústica equivalente de objetos, como muebles, personas, en una cámara reverberante. No está destinada a ser utilizada para la medición de las características de absorción de resonadores poco amortiguados [8].

2 Materiales y métodos 2.1

Espacio de trabajo

El espacio de trabajo para la óptima obtención del coeficiente de absorción acústica se trata de una sala reverberante que cuenta con ciertas condiciones constructivas. Las salas reverberantes son recintos cerrados necesarios para realizar determinados tipos de mediciones donde se necesita un campo sonoro difuso debido a la conformación de sus superficies y la forma en que el sonido incide sobre ellas. [9] La sala donde se realizaron las mediciones está ubicada en el barrio de San Telmo en un edificio industrial construido íntegramente con paredes de mampostería maciza, losas de hormigón armado y solados revestidos en mosaico granítico. Fue necesario construir un paramento de cierre en uno de sus lados menores, con una lona vinílica de gran espesor en la parte superior, y tableros fenólicos desde el suelo hasta 1,60 m de altura, obteniendo un volumen V = 248 m3 y un área total de superficies internas St = 246 m2. Cabe mencionar que la sala no tiene ningún tipo de tratamiento acústico ni anti vibratorio, por lo que pueden considerarse reflectantes todas las superficies internas de la sala aunque no de una reflexión homogénea. En la figura 1 se puede ver un ventanal que permaneció cerrado en todas las etapas de medición, y limitó la condición de campo difuso a causa de vibraciones.

Figura 1 – Preparación del panel vinílico para limitar el área de la sala donde se realizaran las mediciones. Mediciones en la sala vacía una vez finalizada su construcción.

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2.2

Equipamiento

La norma ISO 354:2003, expone dos métodos para calcular el coeficiente de absorción, basados en medir el tiempo de reverberación de la cámara con y sin material, y a partir de estos valores, calcular, mediante la ecuación de Sabine, el área de absorción equivalente y, posteriormente, el coeficiente de absorción sonora del material. Estos dos métodos que menciona la norma son el método de integración de la respuesta impulsiva directa o indirectamente. Inicialmente, por contar con limitación de equipamiento se decidió utilizar el método directo para obtener la respuesta al impulso mediante un paper gun como fuente impulsiva. Luego se empleó un dodecaedro como fuente omnidireccional eléctrica la cual cuenta con 12 parlantes espaciados en todas las caras de la figura geométrica del dodecaedro. Este tipo de fuentes es avalado por la norma ISO 354 como un medio de excitación del recinto reverberante por el método indirecto. Además de la fuente de excitación es requisito fundamental para cualquier tipo de grabación y control de señales acústicas en condiciones de laboratorio, disponer de un micrófono de medición omnidireccional de rango espectral de 20 a 20000 Hz para la captación de la señal de excitación acústica, junto con una placa de audio de al menos dos canales (para emitir y grabar) y junto con los cables conectores necesarios.

2.3

Productos reciclados

El empleo de los materiales sustentables con fines acústicos es provisto por una empresa del rubro textil dedicada a reconvertir descartes industriales principalmente textiles de los ámbitos públicos y privados a través de técnicas que no requieren procesos de transformación del material [10]. Fueron provistos tres tipos de productos actualmente comercializables con fines decorativos (figuras 2, 3, 4) y dos materiales aun no aplicados a un producto específico (figuras 5 y 6), en ambos casos la finalidad es su aplicación con fines acústicos. Los productos se encuentran en catálogos como: Bomboneras, Murales y Boas & Rastas. Las Bomboneras son confeccionadas de manera artesanal a partir de descartes seleccionados de varias industrias: cilindros de cartón de gran espesor o PVC que albergan textiles como terminación y materiales fonoabsorbentes en el interior. Se presentan en módulos independientes de 6 círculos (ver figura 2).

Figura 2 – Producto bomboneras dispuestas en tres configuraciones de superficie diferentes (13,8 m2, 21,7 m2 y 14,6 m2).

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Los Murales son tejidos en bandas paralelas sobre malla plástica, para el acondicionamiento acústico y/o estético de grandes y pequeños espacios. Modular, las piezas independientes de 60 cm x 1.20 m componen un friso; en gamas cromáticas, de grises o aleatorias (en la figura 3, 5 módulos forman un mural de 3 m x 1.20 m de alto, de colores y estampas variadas).

Además fueron provistos dos materiales producto del descarte textil industrial, con el fin de determinar la eficiencia en cuanto a absorción acústica y su viabilidad en futuras aplicaciones. Los materiales son de origen textil polar e hilados. La tela polar o forro polar o polar fleece (en inglés), es una imitación de la tela de lana, pero sintética, de gran aislamiento térmico, fabricada en máquinas circulares que actualmente se fabrica a partir del reciclado de envases plásticos sustituyendo la fibra textil animal (figura 5) [11]. Los hilados son tejidos o tejedurías en gran variedad de géneros fabricados con fibras mixtas —combinación de fibras naturales, artificiales o sintéticas— y cada uno de ellos se comporta de modo diferente. Estos hilados particularmente provienen de la industria del algodón (figura 6) [12].

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Figura 5 – Detalles del material polar según dos configuraciones de superficies y estados (“revuelto” a la izquierda, 7,5 m2 y “liso” a la derecha, 10 m2).

Figura 6 - Detalles del material tejido uniforme y homogeneamente distribuido formando una superficie de 12 m2.

2.4

Método de obtención del coeficiente de absorción acústica

La normativa de referencia aplicada para el ensayo es la ISO 354 “Medición de la absorción acústica en una cámara reverberante”. El método de medición consiste en medir el tiempo de reverberación con y sin la muestra de ensayo, según exige la norma, en un rango de 100 a 5000 Hz, por tercio de octava. A partir de los resultados obtenidos, se calcula el área de absorción acústica equivalente y se divide por la superficie de la muestra para obtener el coeficiente de absorción. Normalmente se expresa en unidades de Sabines en una escala de 0 (absorción nula) a 1 (absorción máxima). Para obtener la respuesta al impulso de la sala y, posteriormente calcular el tiempo de reverberación, se utilizó un método indirecto que consiste en generar un barrido de frecuencias sweep a través de una fuente de sonido omnidireccional y registrar el audio por medio de micrófonos de medición. Luego se convolucionó la señal registrada con el sweep inverso para obtener la respuesta al impulso. Finalmente, se analizó el decaimiento de la energía sonora en cada punto y se calculó el tiempo de reverberación en bandas de tercio de octava.

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3 Análisis y resultados Los resultados se obtuvieron a partir de 3 posiciones de micrófonos y 3 alturas para cada posición, y 2 posiciones de fuente dando un total de 18 posiciones. Se promediaron 12 mediciones por cada posición, consiguiendo una repetibilidad próxima a la producida por el método de la respuesta impulsiva integrada [8]. Se realizaron un total de 216 registros para las distintas configuraciones de materiales. A continuación se muestran los resultados del coeficiente de absorción de los cinco materiales analizados.

Figura 7 - Coeficiente de absorción acústica de la muestra Bomboneras para las 3 configuraciones.

Figura 8 - Coeficiente de absorción acústica de la muestra Murales para las 3 configuraciones.

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Figura 9 - Coeficiente de absorción acústica de la muestra Boas & Rastas para las 2 configuraciones.

Figura 10 - Coeficiente de absorción acústica de la muestra Polar para las 2 configuraciones.

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Figura 11 - Coeficiente de absorción acústica de la muestra Hilos.

4 Discusión y conclusiones En los casos evaluados para los distintos materiales y configuraciones, exceptuando el material a base de Hilos, se observa un valor de coeficiente de absorción anormalmente excesivo entre las bandas de 100 y 160 Hz. Estos resultados pueden deberse a la incertidumbre en el rango de bajas frecuencias, tanto por el método de fuente impulsiva como por las alinealidades del lugar de medición. Los valores a considerar a partir de la banda de 200 Hz muestran valores propios a materiales absorbentes de tipo poroso. En los casos particulares de los dispositivos identificados como Murales y Boas & Rastas muestran un valor máximo de absorción alrededor de la banda de 1600 Hz, mostrando un decaimiento a partir de esta frecuencia. Los resultados obtenidos demuestran la capacidad de absorción sonora de los materiales estudiados, siendo estos una solución sustentable para su uso como revestimiento absorbente, a la vez que decorativo mediante su correcta manipulación.

Agradecimientos A Feboasoma SRL. Principalmente a las arquitectas Gabriela Antenzon y Silvina Martinez.

Referencias [1] Gerold, D. Energía y Desarrollo Política Energética para los Próximos 20 Años: Autoabastecimiento Oportunidades y Amenazas. G&G Energy Consultants, 2008. [2] http://www.pagina12.com.ar/diario/suplementos/cash/40-8389-2015-03-29.html

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[3] http://www.sinmordaza.com/noticia/342677-crecio-el-consumo-de-energia-electica-en-2015.html [4] Asdrubali, F.; Schiavoni, S.; Horoshenkov, K. V. A Review of Sustainable Materials for Acoustic Applications, Building Acoustics, Vol. 19, 2012, pp. 283-311. [5] WHO, IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, Man-made Mineral Fibres and Radon, Vol. 43, 1988. [6] Joshi, S. V. et al. Are natural fiber composites environmentally superior to glass fiber reinforced composites? Composites: Part A, 2004, 35, 371-376. [7] Zabalza Bribian, I. et al. Life cycle assessment of building materials: Comparative analysis of energy and environmental impacts and evaluation of the eco-efficiency improvement potential, Building and Environment, Vol. 46, 2011, pp. 1133-1140. [8] ISO 354. Acoustics — Measurement of sound absorption in a reverberation room, 2003. [9] Kuttruff, Heinrich. Room Acoustics. Oxon: Spon Press, 2009. [10] http://www.feboasoma.com/ [11] https://vintage7.wordpress.com/2012/09/18/tela-polar-definicion-caracteristicas-ventajas-ydesventajas/ [12] http://www.estrucplan.com.ar/Producciones/entrega.asp?IdEntrega=224

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