Diseño de Alerta Sonora para Alarma Sísmica

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25/10/2022

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA

DISEÑO DE ALERTA SONORA PARA ALARMA SÍSMICA DE
LA ESIME ZACATENCO

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN
JULIETA MARTÍNEZ FRANCO
VÍCTOR DANIEL RAMÍREZ GÓMEZ

ASESORES
DRA. ITZALÁ RABADÁN MALDA
M.C. MARCIAL SÁNCHEZ SÁNCHEZ

MÉXICO, D.F. MARZO DE 2015

DEDICATORIA

A todos los seres vivos que hacen algo para que este mundo
sea un lugar mejor.
A la naturaleza y toda la tierra que nos rodea.
A la persona que me impulsa a ser mejor y me guía para
encontrar el camino para trascender en esta vida.
Para Aquel que cambio mi corazón; soberano Dios.
Para mis Padres Martha y Martin.

ÍNDICE
JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................... 6
OBJETIVO .............................................................................................................. 7
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 7
CAPITULO 1: FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE SONORIZACIÓN ..................... 11
Sonido: Concepto y generalidades ............................................................................................... 11
Niveles de presión sonora ............................................................................................................. 12
Velocidad del sonido ..................................................................................................................... 14
Características de las ondas de sonido ........................................................................................ 15
Frecuencia ..................................................................................................................................... 16
Amplitud ......................................................................................................................................... 16
Comportamiento del sonido ........................................................................................................... 16
Propagación del sonido ................................................................................................................. 16
Atenuación del sonido debido a la distancia ................................................................................. 17
Influencia atmosférica en el sonido ............................................................................................... 21
Refracción ..................................................................................................................................... 21
Difracción del sonido ..................................................................................................................... 22
Absorción del sonido. .................................................................................................................... 23
Reflexión del sonido ...................................................................................................................... 24
El enmascaramiento ...................................................................................................................... 26
Las sirenas ....................................................................................................................................... 28
Clasificación de las sirenas ........................................................................................................... 28
Electrónica ..................................................................................................................................... 28
Electro-neumática ......................................................................................................................... 29
Mecánica ....................................................................................................................................... 29
Funcionamiento de una sirena (altavoz) ....................................................................................... 30
Acústica geométrica ....................................................................................................................... 31
Método geométrico ........................................................................................................................ 31
Acústica urbanística ....................................................................................................................... 34
CAPÍTULO 2: ESTUDIO, PLANIFICACIÓN Y DISEÑO DEL SISTEMA DE
ALARMA SÍSMICA DE LA ESIME ZACATENCO. ............................................... 36
Análisis actual del plantel de ESIME Zacatenco .......................................................................... 36
Descripción arquitectónica: ........................................................................................................... 36
Descripción acústica del plantel .................................................................................................... 41

Análisis actual de la sonorización del sistema de alarma sísmica. ........................................... 44
Mediciones de ruido ambiental en el plantel ................................................................................. 45
Diseño de sonorización y distribución de las sirenas acústicas. .............................................. 47
Cálculo de pérdida por distancia. .................................................................................................. 48
Cálculo de potencia nominal: ........................................................................................................ 51
Distribución de las sirenas a lo largo del edificio “Z” ..................................................................... 53
Calculo de longitudes de onda ...................................................................................................... 54
Sonorización frente el edificio “Z” ............................................................................................ 57
Análisis horizontal...................................................................................................................... 57
Análisis vertical .......................................................................................................................... 66
Sonorización tras el edificio “Z” ................................................................................................ 68
Ángulo de inclinación y de dirección. ........................................................................................ 71
Plano oficial de ESIME con diseño de sonorización. .............................................................. 72
Adaptación del diseño al sistema actual. ..................................................................................... 73
COTIZACIÓN ........................................................................................................ 74
CONCLUSIONES: ................................................................................................ 75
REFERENCIAS ..................................................................................................... 76
APÉNDICE ............................................................................................................ 77
1.- Escala de decibeles ................................................................................................................... 77
2.- Estándares para la instalación del sistema de seguridad eléctrico ..................................... 77
3.- Señalización acústica ................................................................................................................79
4.- Curvas isofónicas ...................................................................................................................... 81
5.- Plano arquitectónico .................................................................................................................. 83
6.- Breve descripción del “Robot sisVigilante” ............................................................................ 84
7.- Coeficientes de absorción acústica (I) .................................................................................... 85
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Justificación

Existe un problema evidente en el plantel E.S.I.M.E. ZACATENCO: la
Sonorización del sistema de la alerta temprana de sismos no es eficiente, es decir,
no es posible para todo el personal escuchar la alerta sonora con la que hoy
cuenta dicho plantel.

Este problema es muy grave dado que involucra vidas humanas, y se vuelve un
asunto de protección civil. Este proyecto además de ser planeado de manera
óptima, está diseñado para resguardar la seguridad de la comunidad que asiste a
este plantel.
Por esta razón es de gran importancia hacer un diseño acústico de forma eficiente
que satisfaga las necesidades al respecto. De no hacerlo, ciertos grupos humanos
dentro del plantel correrían peligro.

Objetivo

Sonorizar el plantel con un sistema de sirenas acústicas aprovechando la
estructura y distribución arquitectónica del mismo, lo cual permita al personal
asistente ser alertado de un posible sismo y/o algún otro tipo de acontecimiento
que ponga en riesgo al mismo.

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Introducción

En el desarrollo de este trabajo conoceremos la sonorización actual de la alarma
sísmica en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y la eficiencia
limitada que tiene la misma, asi como también recordaremos conceptos que nos
ayudarán a comprender mejor este trabajo.
En la historia de la humanidad, el hombre se ha visto en la necesidad de asumir
un estado de alerta ante eventos que pusieran en riesgo su vida y la de su
comunidad. Los dispositivos acústicos han sido utilizados para proporcionar alerta
ante situaciones de emergencia durante siglos.
En tiempos antiguos se alertaba al hacer chocar
objetos metálicos entre sí, luego se construyeron
campanarios, la sirena de Cagniard de la Tour en
1819 (es un aparato que utiliza el aire comprimido
con un mecanismo similar a una turbina), usadas
también en las locomotoras de vapor, los barcos
para hacer señales, en las fábricas para indicar la
hora de entrada y salida (Fig. 0.1), en las
investigaciones acústicas ya en el siglo 20
comenzaron a aparecer las sirenas mecánicas
rotativas, que son usadas en muchos países.
Por lo tanto los sistemas de alarma son elementos de seguridad pasiva. Esto
significa que no evitan una situación anormal, pero sí son capaces de advertir de
ella, cumpliendo así, la función de evadir posibles problemas. Como, la intrusión
de personas, inicio de fuego, el desbordamiento de un tanque, sismo, la presencia
de agentes tóxicos y/o cualquier situación que sea anormal para el usuario.
Son capaces de reducir el tiempo para ejecutar las acciones a tomar en función
del problema presentado. El desarrollo electrónico ha influido en el desarrollo de
las sirenas, las primeras alarmas electrónicas empezaron a aparecer a finales del
siglo 20. Las alarmas electrónicas son amplificadores electrónicos de alto
desempeño, parecidos a los instalados en sistemas domésticos de sonido. No
obstante, estas sirenas trabajan con niveles de salida mayores y consideran
exigencias particulares relacionadas con alta fiabilidad y variación en sus métodos
de control, requeridos en este tipo de sistemas. La infraestructura de control
requiere ser altamente fiable y generalmente se disponen dos canales
independientes de comunicación. Las sirenas para estos amplificadores son
dispuestos en deflectores de sonido (altavoces) diseñados especialmente, los que
emiten señales almacenadas en la memoria digital de la sirena o señales
Figura 0-1
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/14/Siren_(Harper's_Engraving).png
http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Cagniard_de_la_Tour&action=edit&redlink=1
http://es.wikipedia.org/wiki/1819
http://es.wikipedia.org/wiki/Aire_comprimido
http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina
http://es.wikipedia.org/wiki/Locomotora_de_vapor
http://es.wikipedia.org/wiki/Barco
http://es.wikipedia.org/wiki/F%C3%A1brica
http://es.wikipedia.org/wiki/Seguridad
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/14/Siren_(Harper's_Engraving).png
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/14/Siren_(Harper's_Engraving).png
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

8
alimentadas desde fuentes: micrófono, teléfono, estación de radio, radio común,
radiodifusión televisiva.
Las alarmas, como parte de los organismos que deben responder ante una
emergencia, suelen formar parte de un sistema que incluye diversos estados. Un
primer estado es el prealerta, que avisa a los responsables del organismo sobre la
posible ocurrencia de un desastre. El segundo estado es el alerta, que exige tomar
las medidas y las prevenciones necesarias. Finalmente llega la alarma, que es el
llamado a la acción.
Y de ahí es importante saber cómo funciona una alarma. Por lo tanto cuando, la
alarma comienza a funcionar, o se activa dependiendo del sistema instalado, este
puede tomar acciones en forma automática como ya se había mencionado. Si se
detecta la intrusión de una persona a un área determinada, mandar un mensaje
telefónico a uno o varios números. Si se detecta la presencia de humo, calor o
ambos, mandar un mensaje telefónico a uno o varios números o accionar la
apertura de rociadores en el techo, para que apaguen el fuego. Si se detecta la
presencia de agentes tóxicos en un área, cerrar las puertas para que no se
expanda el problema. Si es un sismo, activar la sirena como el sistema más
sencillo.
Para esto, la alarma tiene que tener conexiones de entrada, para los distintos tipos
de detectores, y conexiones de salida, para activar otros dispositivos que son los
que se ocupan de hacer sonar la sirena, abrir los rociadores o cerrar las puertas.
Todos los sistemas de alarmas (ver figura 0.2) tienen conexiones de entrada para
los detectores y por lo menos una de salida para la sirena. Si no hay más
conexiones de salida, la operación de llamar a un número, abrir el rociador o
cerrar las puertas deberá ser realizada en forma manual por un operador, esto es
importante, ya que si se llegara a desconectar en este caso un sistema
inalámbrico y no hay como activar la alarma esto ocasionaría un desastre, por eso
es importante el botón manual en las alarmas.

Figura 0-2 sistema de alarmas
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

9
Uno de los usos más difundidos de un sistema de alarma es advertir el
allanamiento en una vivienda o inmueble. Los equipos de alarma pueden estar
conectados con una Central Receptora, también llamada Central de Monitoreo,
con el propietario mismo (a través de teléfono o TCP/IP) o bien simplemente
cumplir la función disuasoria, activando una sirena que funciona a unos 100 dB (la
potencia de la sirena estará regulada por las distintas leyes de seguridad del
Estado o región correspondiente).
Para la comunicación con una Central Receptora de Alarmas, se necesita de un
medio de comunicación, como pueden serlo: una línea telefónica RTB o una línea
GSM, un transmisor por radiofrecuencia llamado Trunking o mediante transmisión
TCP/IP que utiliza una conexión de banda ancha ADSL y últimamente servicios de
Internetpor Cable Modem.
Las alarmas sísmicas.
La posibilidad de reconocer oportunamente el inicio de un sismo cerca del
epicentro, la diferente velocidad de propagación de las ondas sísmicas y
eléctricas, así como la distancia entre el sitio del epicentro sísmico y el lugar
donde se desea prevenir sus efectos, son parámetros básicos y condiciones que
hacen posible el desarrollo de un sistema de alerta sísmica, (Cooper, 1868). La
eficacia de esta tecnología depende, del resultado de acciones como: Captar el
sismo, pronosticar su magnitud, informar oportunamente a la población en riesgo y
que ésta responda adecuadamente.
Desde 1984, el Instituto de Ingeniería de la UNAM, con apoyo de instituciones
internacionales opera y conserva una red de acelerógrafos en Guerrero que
produce información útil para investigar sobre la generación y efectos de sismos
fuertes de subducción. El resultado del estudio sismológico de la región entre
Acapulco y Zihuatanejo, Gro., muestra que
en esa región puede ocurrir un sismo con
magnitud entre 7.9 y 8.2 (Anderson, et al,
1989) y se estima que sus posibles efectos
podrían superar los que sufrió la Ciudad de
México en 1985. Estas investigaciones
permiten confirmar la existencia de la
“Brecha de Guerrero” y el peligro de que se
genere un sismo de gran magnitud. La red
de Guerrero permitió el registro del
terremoto M 8.1 de Michoacán. (Fig. 0.3)
Después en 1988 se amplió la Red Telemétrica del SSN, recibiendo apoyo de
Petróleos Mexicanos (PEMEX), que facilitó canales de su red de microondas para
la transmisión de los datos.
Figura 0-3 Red de acelerógrafos.
http://es.wikipedia.org/wiki/Familia_de_protocolos_de_Internet
http://es.wikipedia.org/wiki/Red_Telef%C3%B3nica_Conmutada
http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_Global_para_las_Comunicaciones_M%C3%B3viles
http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADnea_de_Abonado_Digital_Asim%C3%A9trica
http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=CableModem&action=edit&redlink=1
http://www.cires.org.mx/
http://www.cires.mx/
http://www.cires.mx/
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

10
A inicios de los años 90's el Departamento de Instrumentación del Instituto de
Geofísica, comenzó a desarrollar un sistema de adquisición y procesamiento
automático de datos y a instrumentar estaciones telemétricas digitales.

A partir de 1992, con apoyo presupuestal de la Secretaría de Gobernación y de la
UNAM, se inició la modernización de la Red Sismológica Nacional con la
instalación de equipos de nueva tecnología. Así, nació la red de Observatorio
Sismológicos de Banda Ancha. Hoy el SSN cuenta con 22 observatorios sísmicos
en todo el país y tiene planeado aumentar la red a 33 observatorios. (14, 15, 16,
17,18, 19). ver (Fig. 0.4).

Figura 0-4 Ejemplo de un proceso de detección de sismos
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/SISTEMA_aLERTA.JPG
http://www2.ssn.unam.mx/website/jsp/RSBA.jsp
http://www2.ssn.unam.mx/website/jsp/RSBA.jsp
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/SISTEMA_aLERTA.JPG
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/SISTEMA_aLERTA.JPG
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

CAPITULO 1: FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE SONORIZACIÓN

Sonido: Concepto y generalidades

El sonido es una alteración de la presión atmosférica producida por la oscilación
de partículas, a través de las cuales se transmite longitudinalmente la onda sonora. Este
fenómeno puede producir una sensación auditiva. (11)
Cuando se habla del sonido, usualmente se pensó en el estímulo que ocurre en
los oídos.
La definición más completa del término de sonido debe considerar tanto el
fenómeno físico como el fenómeno psicoacústico. La diferencia de estos dos, es
que el primero existió únicamente en un evento sonoro y el segundo, se dice que
es un evento auditivo. Por lo tanto existen ambos casos: la onda mecánica que se
propaga por el medio elástico y denso a través de las partículas, y la sensación
auditiva que esta produce.
Es la vibración acústica capaz de producir una sensación audible. (6)
Rango de Frecuencias
El rango de frecuencias que el oído humano puede escuchar va de los 20 Hz
hasta los 20 KHz cubriendo una variedad de 10 octavas.
Por debajo de los 20 Hz, las variaciones de presión son inaudibles, aunque si la
onda que se está manejando tiene una amplitud muy grande, estas variaciones
muestran una sensación en el sentido del tacto. En este rango se considera la
gama de los infrasonidos.
En cuanto a las variaciones de presión superior a los 20 KHz se habla de
ultrasonidos, debido a su alta frecuencia y longitudes de onda corta
correspondiente, estás son inaudibles al oído humano. Una de las aplicaciones de
estas ondas es: producir imágenes de objetos pequeños, por lo que hoy en día
tienen amplio uso en aplicaciones médicas, como herramienta de diagnóstico y en
ciertos tratamientos.
Un dato extra es que la frecuencia del ultrasonido es utilizada en muchos
animales, entre ellos el murciélago; los sensores de ultrasonido de este animal se
encuentran en sus orejas. (13) (Fig. 1.1)
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Fig. 1. 1

Niveles de presión sonora

Los sonidos presentes en el entorno tienen unos valores de presión sonora que
abarcan desde las diez-milésimas de pascal (ruido de fondo en lugares muy
silenciosos), hasta la decena de pascales, que es la medida utilizada. El oído
humano es capaz de percibir sonidos de tan solo cienmilésimas de Pa de amplitud
de presión sonora, mientras que valores encima de los 100 Pa ya producen dolor y
llegan a dañar tu audición. La percepción humana del sonido no sigue una escala
lineal con la amplitud, se le llama logarítmica; al duplicar progresivamente los
valores de presión sonora de un cierto ruido, el oído responde como si ese ruido
se le fuera sumando la misma cantidad. La utilización de la escala lineal entre los
valores indicados, daría lugar a la utilización de cifras muy grandes, por lo que se
optó a utilizar la escala logarítmica por esta razón. (13) (Fig.1.2).

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

El uso del decibel, está presente al momento del cálculo del nivel de presión
sonora. Esto se debe a que la diferenciación de presiones en el oído es
logarítmico como se había mencionado.
Los niveles de presión sonora se obtienen mediante:

Ecuación 1
Fig. 1. 2 niveles acústicos
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

14
Donde la P1, es la presión a determinar, y Po es la presión umbral de audición,
situada en 20 micro pascales. En diferentes libros se encontrara que SPL también
se abrevia como Lp. (Tabla 1)

Tabla 1 Presión sonora eficaz.
Velocidad del sonido
La onda sonora requiere de un medio para poder propagarse, sea cual fuera. Por
lo tanto se tiene que la velocidad del sonido depende de estas variables en el
medio que son: temperatura, humedad, densidad y elasticidad.
Es importante situar esta definición en el estudio de la acústica arquitectónica
parte fundamental del trabajo. El sonido viaja por el aire aproximadamente 340
m/s. La cercanía de las partículas de ese medio, que transportan la onda al chocar
unas con otras, facilita la propagación. Entonces se puede decir que en un medio
donde la propagación es más densa, y menos elástica que el aire (propiedades
físicas). Por ejemplo en el acero, se dice que la propagación en este medio será
más rapida.
Conociendo la velocidad de sonido en condiciones ideales y conociendo un rango
de frecuencias, podemos obtener las longitudes de onda que componen a cada
frecuencia en este. Se obtiene mediante:

λ= longitud de ondaVs= Velocidad del sonido
f= frecuencia
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

15
En la siguiente tabla 2 se muestra la velocidad que tiene cada uno de los
materiales. (14)

Tabla 2 . Velocidad del sonido para varios materiales

Características de las ondas de sonido

Los sonidos existen en la naturaleza aunque no se perciban, hay sonidos
complejos. Se considera al sonido más simple como tono puro. La onda de este
sonido puro es conocida como onda senoidal, esta onda tiene diferentes
características como la frecuencia, la amplitud, el periodo. (Fig. 1.3)

Fig. 1. 3 Características de una onda senoidal.
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

16
Frecuencia

La frecuencia de una onda se define como el número de ciclos u oscilaciones que
se repiten en un segundo. Sus unidades son los Hertz (ciclo por segundo). Esta
característica de la onda es lo que se llama en acústica como tono. Una frecuencia
alta equivale a un tono agudo, y viceversa, una frecuencia baja equivale a un tono
grave. (14)
Amplitud
La amplitud de una onda de sonido es el grado de movimiento de las moléculas de
aire en la onda, que corresponde a la intensidad del enrarecimiento y comprensión
que la acompañan. Cuanto mayor es la amplitud de la onda, más intensamente
golpean las moléculas en el tímpano y más fuerte es el sonido percibido. A
continuación se muestran unas imágenes de cómo se define la amplitud mediante
un péndulo y como se ve en un plano xy en el tiempo. (Fig. 1.4)

Fig. 1. 4 Amplitud del sonido

Comportamiento del sonido

Propagación del sonido
La propagación del sonido consiste en que un cuerpo en oscilación de cualquier
índole ponga en movimiento a las moléculas de aire (del medio) que lo rodean.
Éstas, a su vez, transmiten ese movimiento a las moléculas vecinas y así
sucesivamente. Cada molécula de aire entra en oscilación en torno a su punto de
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

17
reposo. Es decir, el desplazamiento que sufre cada molécula es pequeño. Pero el
movimiento se propaga a través del medio.
Entre la fuente sonora (el cuerpo en oscilación) y el receptor (el ser humano)
tenemos entonces una transmisión de energía pero no un traslado de materia. No
son las moléculas de aire que rodean al cuerpo en oscilación las que hacen entrar
en movimiento al tímpano, sino las que están junto al mismo, que fueron puestas
en movimiento a medida que la onda se fue propagando en el medio.
El (pequeño) desplazamiento (oscilatorio) que sufren las distintas moléculas de
aire genera zonas en las que hay una mayor concentración de moléculas (mayor
densidad), zonas de condensación, y zonas en las que hay una menor
concentración de moléculas (menor densidad), zonas de rarefacción. Esas zonas
de mayor o menor densidad generan una variación alterna en la presión estática
del aire (la presión del aire en ausencia de sonido). Se conoce como presión
sonora. (Fig. 1.5)

Atenuación del sonido debido a la distancia

El sonido se atenúa dependiendo de su tipo de propagación: así, si la propagación
del sonido es en forma esférica (fuente sonora puntual), se dice que se da una
atenuación de 6 dB cada vez que se duplica la distancia de alejamiento. Esto se
debe a que, el área de incidencia de sonido crece exponencialmente respecto a su
Fig. 1. 5 Propagación de una onda sonora
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

18
origen; específicamente, el área que atraviesa el haz del sonido, crece según el
cuadrado de la distancia entre la fuente sonora puntual, y dicha área.

Fig. 1. 6 Fuente puntual

Cuando un sonido es emitido desde una fuente de sonido (fuente puntual) el
sonido se esparce sobre el espacio en forma de esfera, por lo que (onda de
superficie esférica) el nivel de presión sonora será inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia como ya se había mencionado. En otras palabras, cada
vez que se duplica la distancia el nivel de presión sonora es atenuado 6 dB. (Fig.
1.6)

Las variaciones son mostradas en la imagen 1.7, en condiciones en un espacio
libre. (3)

Fig. 1. 7 Atenuación del sonido referente a la distancia.

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

19
Si no existe degradación de la energía acústica la onda esférica disminuye su
intensidad con el cuadrado de la distancia, como se menciona anteriormente.

Ecuación 2

La relación de los módulos de las intensidades a distancias y es:

Ecuación 3

Expresando en niveles tendremos:

Ecuación 4

Por lo tanto la variación de nivel de vida exclusivamente la divergencia esférica
sigue la ley:

Ecuación 5
De modo que si =

Cada vez que se dobla la distancia hay una perdida 6 dB en el nivel de presión
acústica captado, por efecto exclusivo de la divergencia esférica de las ondas.

En la gráfica 1.8 se da la variación del nivel en función de las distancias. (10)

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Fig. 1. 8 Pérdida de nivel de intensidad entre dos distancias

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Influencia atmosférica en el sonido

A parte de tomar en cuenta la atenuación a distancia, otro factor importante
cuando se requiere que el sonido recorra distancias significativas, se toma en
cuenta la pérdida por influencia atmosférica, en este caso la absorción acústica del
aire, afectando en mayor grado a la frecuencia. La absorción acústica del aire
ocasiona perdida en las frecuencias más altas, si la humedad relativa del aire es
más baja, la absorción es mayor.

Tabla 3 Atenuación de la onda por absorción del aire.

Refracción

La refracción es un cambio en la dirección de propagación del sonido debido a un
cambio en la velocidad del sonido (c) del medio de transmisión. Hay dos formas
que una onda sonora se pueda refractar: la primera es que haya un cambio en el
medio como por ejemplo el paso del sonido de una pared y la segunda sucede en
el mismo medio.

Fig. 1. 9 Ejemplo de refracción en el medio.

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

22
Difracción del sonido

Se refiere a cualquier desviación de la propagación en línea recta, debido a la
presencia de un obstáculo en el medio homogéneo.
Para que un sonido se difracte en un cuerpo, se debe cumplir que la longitud de
onda de dicho sonido debe ser de un valor menor o máximo igual que la
dimensión de dicho cuerpo; caso contrario, si el sonido encuentra en su trayectoria
un cuerpo con dimensiones menores a su longitud de onda, el sonido rodeara
dicho cuerpo, y continuará su trayectoria por detrás. (9)

Fig. 1. 10 Difracción por un orificio

Fig. 1. 11 Difracción en una esquina.

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

23
Absorción del sonido.

La absorción sonora es la perdida de energía sonora debido a la transmisión
parcial hacia otro medio, o bien debido a la transformación irreversible de parte de
esa energía en calor. Se puede encontrar la absorción de un medio y de un
contorno.
La absorción por contorno es la energía cedida por las ondas sonoras cuando
inciden sobre el contorno del medio, bien por transmisión a otro medio, por
disipación viscosa o por ambos mecanismos. Si la superficie de incidencia es lisa
y rígida, apenas hay poca absorción y la energía sonora incidente es reflejada casi
en su totalidad.
En el extremo opuesto se sitúan los materiales rugosos y blandos. Por una parte la
rugosidad hace que la superficie real de contacto entre aire yel contorno sea
mucho mayor que si se observa con una superficie lisa, con lo que aumenta el
conjunto de partículas de fluido adheridas al contorno. Por otro lado, en superficies
blandas y flexibles, las propias ondas sonoras le forzaran a vibrar, es decir, se
producirá una transmisión de energía sonora del fluido a energía mecánica del
material (Fig 1.12), por eso este tipo de superficies se dice que son muy
absorbentes. (1)

Fig. 1. 12 Análisis en materiales absorbentes

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Fig. 1. 13 Incidencia de una onda sonora en un contorno

Reflexión del sonido

Cuando una onda sonora incide sobre un contorno, la energía sonora en parte se
refleja, en parte se transmite y en parte se disipa en calor como lo vemos en la
imagen 1.13. Si la absorción y la transmisión son muy pequeñas, quiere decir que
cuando la mayor parte de la energía incidente es reflejada, se dice que la
superficie acústicamente es dura, es el caso de paredes y suelos de edificios,
calles o carreteras. La presión sonora en cualquier punto de la zona de la fuente
emisora se deberá por un lado a la radiación directa desde la fuente y por otra
parte también se deberá al sonido que llega tras reflejarse sobre una o más
superficies. En un recinto cerrado se producen continuas reflexiones entre las
paredes, dando lugar a un campo sonoro difuso. La reflexión no actúa igual sobre
las altas frecuencias que sobre las bajas. Lo que se debe a que la longitud de
onda de las bajas frecuencias es muy grande (pueden alcanzar a los 20 metros)
por lo que son capaces de rodear la mayoría de los obstáculos. (4)
Para los estudios y cálculos de las reflexiones suele utilizarse la teoría geométrica
basada en la propagación del sonido en línea recta(Fig1.14-16). De ahí el
concepto utilizado de rayo sonoro por analogía con el rayo luminoso. Dependiendo
de las características del obstáculo donde se produce la reflexión, el rayo sonoro
puede reflejarse en una sola dirección o en varias direcciones, con lo que el
estudio de su comportamiento se hará más complejo. (2)
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Fig. 1. 14 Reflexión del sonido en diferentes superficies
Fig. 1. 15 Reflexión del sonido en diferentes tipos de recintos.
Fig. 1. 16 Reflexión del sonido de acuerdo al Angulo de incidencia
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Cuando una onda acústica encuentra en su propagación una superficie de
separación de dos medios distintos se originan dos nuevas ondas, como una
reflejada, que se propaga en el primer medio y otra transmitida, que se propaga en
el segundo medio. De ellas deducimos que el ángulo de incidencia y reflexión son
iguales, y el de incidencia y refracción
guardan la relación siguiente:

Por lo tanto “s” la superficie de separación de
dos medios con impedancias características
y respectivamente, y siendo “i” la onda
incidente, “r” la reflejada y “t” la transmitida al
medio 2 (ver Fig 1.17), se tiene:

Ahora bien, los puntos de la superficie s, y en particular el punto p, tendrán que
cumplir las condiciones de contorno por ser puntos frontera entre ambos medios.
Expresando la continuidad de las presiones, la presión que el medio 1 ejerce
sobre P tendrá que ser igual a la que ejerce el medio dos y asi: (10)

Ecuación 7

El enmascaramiento

El fenómeno del enmascaramiento es una característica psicoacústica del oído
humano que se produce cuando un tono de frecuencia cercana a otro de nivel de
Ecuación 6
Fig. 1. 17 Reflexión y transmisión de una onda
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

27
Fig. 1. 19 Ejemplo de enmascaramiento
intensidad sonora menor no es percibido por el oído humano, ya que es
enmascarado por el tono de intensidad superior, como se ve en la siguiente
imagen Fig. 1.18. (5)

Fig. 1. 18 Efecto de enmascaramiento

El enmascaramiento de un tono por otro es más destacado cuando los dos tonos
tienen frecuencias próximas, y en general, un tono enmascara señales de
frecuencias superiores a las de él, pero no inferiores. (10)

El sonido es enmascarado por el ruido del
tráiler que va pasando. El oído percibe
entonces un sonido mezclado cuya
inteligibilidad o claridad queda disminuida por
el efecto de enmascaramiento, que es
consecuencia del ruido de fondo perturbador.
En estas condiciones de audición, aparecen
dos necesidades fundamentales: disminuir el
ruido de fondo y amentar el nivel sonoro de la
fuente.
Para enmascarar el ruido de fondo es
necesario tener una presión acústica de 10dB
por encima del ruido ambiental. (7)
En la figura 20 se representa la variación del
umbral de audición en presencia de un ruido
de frecuencias comprendidas en 891 y 1.122
Hz (tercio de octava) con frecuencia central
en 1000 Hz, en función del nivel de ruido. Se
comprueba que para ser audibles los sonidos
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

28
cuya frecuencia se encuentra en la banda del ruido, tienen que tener un nivel no
inferior al del ruido disminuido en 4 dB. Fuera de esta banda, el efecto de
enmascaramiento se debilita rápidamente, para los sonidos de frecuencia inferior
a la frecuencia central de la banda, que para los sonidos de frecuencia superior.
(10)

Las sirenas

Definición

La sirena es un instrumento acústico que genera sonidos mediante las
interrupciones periódicas de una corriente ya sea de aire, vapor, eléctrica. La
sirena emite un sonido usualmente con una frecuencia alta para así dar una señal
de alerta a quien la escucha.

Clasificación de las sirenas

Electrónica
La sirena electrónica (Fig.1.21) se compone de una unidad de control que ha
almacenado en el interior de la secuencia de tonos, y uno o dos altavoces
conectados a esta unidad. El uso de sirenas electrónica está muy extendido,
siendo especialmente adecuadas para su funcionamiento continuo, también tienen
un bajo consumo eléctrico y no requieren mantenimiento.
La sirena electrónica de última generación utiliza altavoces muy potentes
(neodimio) que permiten una mayor audibilidad y, por tanto, una mayor eficacia.
Fig. 1. 20 Umbral de audición en presencia de una banda estrecha de ruido,
centrada en 1000 Hz
http://es.wikipedia.org/wiki/Neodimio
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

29
Algunos incluso han llegado a 200 watts de potencia, y se pueden integrar en el
techo del vehículo o en el motor.

Electro-neumática

La sirena electro-neumática (Fig.1.22) tiene dos o más trompetas de membrana,
alimentadas por un compresor equipado con un dispositivo rotativo que gestiona la
secuencia de tonos. Este tipo de sirena requiere mantenimiento periódico, ya que
el compresor requiere ser lubricado con aceite y se debe comprobar el nivel para
evitar un sobrecalentamiento de la unidad. La instalación de estas sirenas se
produce normalmente en el compartimento del motor y la posición de trompetas en
la azotea es común para los vehículos pesados. Las versiones actuales están
equipados con un compresor para servicio continuo, a diferencia de los modelos
más antiguos que tienden a recalentarse después de varios minutos de
funcionamiento ininterrumpido.

Mecánica
La sirena mecánica es un cuerpo único (ver fig. 1.23), que incluye dentro un motor
conectado a un ventilador, que genera un sonido largo y agudo (silbato) que se
Fig. 1. 21 Ejemplo de una sirena electrónica
Fig. 1. 22 Ejemplo de una sirena electroneumatica
Diseño de alerta sonora para alarmasísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

30
ajusta de forma automática; a veces también incluye un botón de control manual.
(8)

Fig. 1. 23 Ejemplo de una sirena mecánica

Funcionamiento de una sirena (altavoz)

Altavoz (generación electrodinámica de sonido)

Un altavoz convierte la corriente alterna en sonido. Esto se produce por la
interacción entre la corriente y el imán permanente. La bobina se encuentra dentro
del campo magnético del imán permanente. Si se hace circular corriente a través
de la bobina, ésta es desviada por la fuerza de Lorentz y provoca oscilaciones de
la membrana.

Esto se produce en un movimiento hacia arriba y hacia abajo por medio de la
araña centradora. La araña centra la bobina, asegurando, junto con la
acanaladura, que la bobina regrese de nuevo a su posición de reposo.
Mediante un dimensionamiento adecuado del tamaño y del material de la
membrana así como de diferentes accionamientos (bobina e imán permanente
Fig. 1.24), los altavoces pueden
optimizarse para diferentes rangos de
frecuencias

Fig. 1. 24 Representación de las partes de un altavoz
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

31
Acústica geométrica

La utilización de las leyes geométricas que rigen la propagación sonora, puede ser
de gran utilidad en muchas ocasiones por ejemplo, la distribución de recintos, del
campo acústico directo de las primeras reflexiones.
El método geométrico se basa, fundamentalmente, en la propagación rectilínea del
sonido, donde toda onda se propaga por el camino más rápido.
Los rayos sonoros parten de la fuente acústica, portando todos los rayos la misma
energía. Si en el recorrido de un rayo se sitúa un obstáculo, parte de la energía
acústica se refleja como ya se había visto anteriormente.
Si la superficie del obstáculo es lisa, el rayo incidente se refleja en una sola
dirección, (reflexión especular), siguiendo las leyes de Snell. Así, si se tiene una
fuente F, una superficie S y un receptor R, este punto será tal, que el camino total
recorrido por el rayo sea el más rápido (con la constante C, el más corto).
Cualquier punto de la superficie S equidistante de la fuente F y de su imagen F´.
(10)

Método geométrico
El primer método geométrico se basa, en la sustitución de los frentes de onda por
sus direcciones de propagación (ver Fig, 1.25) asimilándolos a rayos sonoros que
emergen de la fuente y se comportan de igual forma que los rayos luminosos:
existe cambio de dirección en el momento de pasar de un medio a otro, curvatura
cuando la propagación se realiza en un medio no homogéneo y reflexión
geométrica sobre los obstáculos.
Fig. 1. 25 Atenuación de la intensidad sonora asociada a un rayo, con la distancia la fuente emisora

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

32
El vector sonoro tienen su origen en la fuente y en cada punto tienen una
intensidad dada por:

Ecuación 8
En donde W es la potencia de la fuente, e es la intensidad a un metro de la
fuente. Supuesta la fuente omnidireccional, la intensidad disminuye pues, con el
cuadrado de la distancia recorrida. Cada vez que un rayo se refleja transmite parte
de su energía al plano de reflexión, emergiendo con una cierta atenuación debida
a la absorción por el cerramiento.
En el caso de que la fuente no emita por igual en todas direcciones, la expresión
anterior se vería afectada por un factor de direccionalidad para cada dirección, es
decir:

Ecuación 9
En donde Q es el factor de direccionalidad o relación entre la intensidad
propagada en una dirección determinada y la intensidad que sería propagada, en
esa misma dirección, por una fuente omnidireccional de la misma potencia.

Fig. 1. 26 Reflexión sobre una superficie plana

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

33
Aplicando las leyes de la reflexión se construyen todos los rayos, de tal forma que
todos los reflejados por una superficie plana, parecen provenir de la imagen de la
fuente por ese plano (Fig. 1.26). Esta propiedad da lugar a la división del
tratamiento geométrico en dos métodos distintos: el método de rayos, o el método
de imágenes, que sustituye el efecto de cada superficie plana por la imagen (Fig.
1.27), que de la fuente se obtiene por dicho plano.

Fig. 1. 27 Recorrido de un rayo sonoro
Este método, es más práctico en el caso de cerramientos planos, y considerado
solo pocas reflexiones, ya que al aumentar el número de reflexiones aumenta
considerablemente el número de imágenes(Fig. 1.28), llegándolo a hacer inviable.
(10)

Fig. 1. 28 Imágenes de fuente, en una sala rectangular
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

34
Acústica urbanística

La acústica urbanística está constituida por el conjunto de técnicas y métodos
cuyo objetivo es crear el ambiente sonoro adecuado, en los diversos espacios
exteriores habitados por el hombre.
Por lo tanto se debe tener en cuenta, como está estructurada la ciudad, el impacto
acústico que, las actividades que en sus distintas zonas se van desarrollando, con
el objetivo de que los niveles de ruido en el exterior sean los adecuados. (10)
Ruido ambiental
Las fuentes de ruido más importantes que afectan a la comunidad son:
 Tráfico
 Industria y construcción
 Servicios
 Actividades de recreación
Los medios de transporte son indudablemente el foco de ruido más importante de
aquellos que afectan a la comunidad. Por sus características este tipo de ruido es
fácil de cuantificar. (10)
Atenuación causada por obstáculos naturales

Dentro de los obstáculos naturales se incluyen el terreno y todo tipo de vegetación
capaz de interferir en la propagación del sonido.
En la propagación del sonido, las ondas sonoras sufren reflexiones en el terreno a
lo largo de su recorrido, de ahí la importancia de la naturaleza del mismo. Si el
terreno es compacto la atenuación será prácticamente nula para las distancias
fuente-receptor inferiores a 100 m. Sin embargo, si presenta alguna porosidad o
está recubierto de césped o de algún tipo de vegetación uniforme, la atenuación
puede llegar a ser apreciable, especialmente en frecuencias altas. En la siguiente
tabla (4) se dan algunos valores de la atenuación causada por el terreno cubierto
de distintos tipos de vegetación, para una frecuencia de 1000 Hz.
Cuando el terreno no tiene recubrimiento alguno, la atenuación se produce por
interferencia entre el sonido directo y el reflejado del mismo, a frecuencias bajas
(300-600 Hz) esta atenuación puede alcanzar los 50 dB en puntos situados a
250 m de la fuente.
La atenuación causada por las pantallas vegetales formadas por árboles y
matorrales o arbustos de cierta altura, es bastante pequeña aunque si esta es muy
densas (al menos 100 m de profundidad), pueden alcanzarse atenuaciones
significativas. Esta atenuación puede variar entre 5 dB/100 m para bosques no
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

35
muy densos de hoja caduca y los 20 dB/100 m para bosques densos de hoja
perenne. (10)

TIPO DE RECUBRIMIENTO ATENUACIÓN
dB/100m a 1000Hz
Ninguno 2-5
Hierba escasa 3-6
Arbustos 12-15
Césped tupido 15-20

Tabla 4 Atenuación en diferentes tipos de vegetación

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

36
CAPÍTULO 2: ESTUDIO, PLANIFICACIÓN Y DISEÑO
DEL SISTEMA DE ALARMA SÍSMICA DE LA ESIME
ZACATENCO.

Análisis actual del plantel de ESIME Zacatenco

Descripción arquitectónica:

Para el diseño de la sonorización de la alarma sísmica de la E.S.I.M.E. Zacatenco
es necesario conocer el espacio donde se trabajará, es decir, la distribución de losedificios y la arquitectura que tiene el plantel, pues de ser así, se facilitará la tarea
a la hora de tomar decisiones para una óptima sonorización.
El plantel cuenta con cinco edificios que tienen una distribución paralela entre sí,
cabe decir que en estos edificios se encuentra personal todo el día laboral, de 7
am a 10 pm para, cubrir los turnos vespertinos y matutinos respectivamente.
Cada uno de estos edificios está sostenido por una estructura metálica, siendo
estás el principal sostén de los mismos edificios. En ellos se encuentran oficinas
de gestión escolar, aulas donde se imparten cursos de nivel superior, maestrías y
posgrado. Cada edificio tiene la siguiente distribución: planta baja, primer piso,
segundo piso y tercer piso. Teniendo una altura total de 12.6 m.

Fig. 2. 1 Representación de los edificios de la E.S.I.M.E. ZACATENCO
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Fig. 2. 2 Representación de los edificios de la E.S.I.M.E. ZACATENCO perspectiva aérea.

Se componen principalmente de aulas, pasillos, escaleras y cubículos para
profesores.
El área total de cada edificio es de 2,191.7449 m2 y un volumen de
27,615.98574 m3.

Fig. 2. 3 Representación de los edificios de la E.S.I.M.E. ZACATENCO perspectiva aun costado.
Las áreas verdes que forman parte del plantel, tienen un área muy significativa,
está conformada por césped y pantallas vegetales (árboles). En estas zonas se
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

38
encuentran andadores y pórticos que permiten llegar a los accesos de cada
edificio.
Además de los 5 edificios que se describieron anteriormente, la ESIME Zacatenco
cuenta con un edificio llamado “Z”, tiene una singular característica; se encuentra
perfectamente perpendicular a la distribución de los demás, por esta razón, es
fundamental en el diseño de este proyecto; “La sonorización de la alarma sísmica
de la ESIME Zacatenco”. (Como se muestra en la Fig. 2.4)

Fig. 2. 4 Representación de los Edificios 1-5 y el edificio “Z” de E.S.I.M.E. ZACATENCO perspectiva aérea.

Fig. 2. 5 Representación de los edificios 1-5 y el edificio “Z” de la E.S.I.M.E.
ZACATENCO perspectiva aérea.
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

39
El edificio “Z” cuenta con una planta baja, piso 1, piso 2 y piso 3, teniendo la
misma altura que los demás. Principalmente está constituido por: laboratorios
¨ligeros¨, en estos se imparten cursos de las diferentes especialidades de I.C.E.

Fig. 2.6

Tras el edificio “Z” se encuentran los laboratorios “pesados” y las aulas
provisionales, situados paralelamente al edificio, creando entre estos un corredor
como se muestran en las siguientes imágenes. (Fig. 2.6, Fig. 2.7, Fig. 2.8)

Fig. 2.7
Fig. 2. 6 Representación del edificio “Z” de la E.S.I.M.E. ZACATENCO perspectiva aun costado.
Fig. 2. 7 Representación del edificio “Z” y los laboratorios pesados de la E.S.I.M.E. ZACATENCO perspectiva de
frente.
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Fig. 2. 8 Representación del edificio “Z” y los laboratorios pesados de la E.S.I.M.E. ZACATENCO perspectiva aérea.

Fig. 2. 9 Representación del edificio “Z” y los laboratorios pesados de la E.S.I.M.E. ZACATENCO perspectiva aérea- frontal.

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

41
Descripción acústica del plantel

En esta sección del trabajo, se explica las características acústicas más
importantes en el plantel, al igual que la descripción arquitectónica, ayudara a
comprender el comportamiento que tienen las ondas sonoras en este espacio.
Existen ventajas y desventajas en la propagación del sonido debido a la
arquitectura propia por tratarse de una alarma sonora, donde el principal objetivo
es hacer llegar un estado de alerta a todos los individuos que se encuentran en
horario laboral.
Un obstáculo significativo que encontramos en el espacio que se tiene que
sonorizar fue; la cantidad de árboles que se encuentran en todo el plantel. Las
ondas propagadas por una fuente sonora son amortiguadas por las hojas de
estos, y se pretende hacer llegar la máxima energía emitida por las sirenas al
personal que se encuentra laborando en sus zonas correspondientes de trabajo.

Fig. 2. 10 Representación de las pantallas vegetales de la E.S.I.M.E. ZACATENCO perspectiva de aérea-frontal.
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

42
Al igual que los árboles, las áreas verdes (césped), como ya se mencionó
anteriormente, tienen una área significativa en el plantel y es perjudicial para la
reflexión de ondas, pues su coeficiente de absorción (ver apéndice) indica que
parte de la energía que incide en él ya no es reflejada sino transformada a otro
tipo de energía no acústica.

Otro punto de interés en este proyecto e importante en análisis es; el de las
ventanas (vidrio de 6 mm). Pues la mayor cantidad de personal laborando se
encuentra dentro de las aulas de cada edificio donde se encuentran estas
ventanas. Aunque el vidrio atenúa el sonido no significativamente.

Algunas de las ventajas acústicas, son las siguientes:
La pared de todos los edificios que se encuentran perpendicular al edificio “Z”,
son de ladrillo rojo y barnizado, el cual tiene la capacidad de reflejar bastante la
Fig. 2. 11 Representación de la vegetación que se encuentra en la E.S.I.M.E. ZACATENCO edificio 2.
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

43
energía, pues su coeficiente de absorción es muy bajo (ver apéndice), por lo tanto
se reflejará el sonido, como se explicará más adelante en el subtema
¨Sonorización frente el edificio Z¨.

Fig. 2. 12 Representación de las paredes de los edificios que se encuentran perpendicularmente al edificio “Z” en la
E.S.I.M.E. ZACATENCO.
El pavimento que se encuentra a lo largo de todos los corredores y las zonas que
albergan a las cafeterías entre cada edificio, son capaces de reflejar igualmente
una cantidad considerable de energía que incide en él.

Fig. 2. 13 Representación de los vidrios que componen los edificios que se encuentran en la E.S.I.M.E. ZACATENCO.
El vidrio que compone las ventanas de la mayoría de las aulas, permite pasar la
energía de las ondas sonoras incidentes y la otra es reflejada, por esta razón se
considera que es posible sonorizar desde una fuente externa al salón de clases.

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

44
Análisis actual de la sonorización del sistema de alarma sísmica.
Hoy en día la E.S.I.M.E. Zacatenco cuenta con un detector de sismos, la
descripción del software que controla este sistema se encuentra en el apéndice 6,
pero cabe decir que este diseño NO pretende mejorar el sistema de detección
temprana de sismos, pues se cree que es eficiente, sin embargo la sonorización
de este sistema es la que no es deficiente.
A grandes rasgos, una señal que viene desde el geófono activa una secuencia
sonora que es amplificada por un sistema de audio y es emitido desde dos
altavoces colocados como se muestra en la figura 2.14.

Fig. 2. 14 Representación de los altavoces del sistema de alarma de sismo que se encuentran en la E.S.I.M.E. ZACATENCO.

La alerta sonora que se encuentra no es percibida por el personal, pues como se
muestra en el plano arquitectónico del plantel, su ubicación hace que la mayor
parte del sonido sea dirigido hacia amortiguadores acústicos (arboles). Además
que tiene una altura no favorablepara una óptima sonorización.
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Fig. 2. 15 Localización de los altavoces del sistema de alarma sísmica que se encuentran en la ESIME ZACATENCO en
perspectiva aérea.

Mediciones de ruido ambiental en el plantel

Para el diseño del proyecto, se tiene que conocer el nivel de ruido ambiente que
se encuentra en el mismo, para este caso, se consideran los lugares más
alejados al edificio “Z”, en la azotea se colocan las sirenas acústicas, en el
subtema de ¨sonorización del edificio “Z” se explica el ¿por qué?. Además serán
de interés los lugares que se encuentran con más obstáculos para que tengan una
radiación directa de las sirenas.
El lugar de interés es el andador junto al estacionamiento, siendo el más alejado
linealmente al edificio “Z” (172.10 m. ver plano arquitectónico apéndice 5 ) y a su
paso se encuentran árboles, por esta razón es el caso crítico donde se tiene que
superar el ruido por más de 10 dB para ser percibido sin ser enmascarado por el
mismo ruido ambiental.
El nivel de presión acústica promedio en este lugar(fig. 2.18) es de 65 dB A, para
el diseño se tendrá que calcular que la radiación por las sirenas llegue al menos
con un nivel de presión acústica de 75 dB A.

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Fig. 2.17

En la fig. 2.17 y 2.16 se observa el ruido que se percibe en este espacio, las
componentes de baja frecuencia son las que más energía contienen.
Sin embargo según las curvas isofónicas, la máxima sensibilidad que tiene el oído
está alrededor de los 1000 Hz (ver apéndice n.4) por esta razón será de interés las
frecuencias cercanas a está para el diseño, también el comportamiento que tiene
el sonido en mencionado intervalo, se puede tratar como rayos “ópticos” por tener
una longitud de onda pequeña y ayudará al estudio de reflexiones.
Fig. 2. 16 Espectograma scroll con software SpectroGram 5.0 Free
Fig. 2. 17 Vista "Barras" Espectograma
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Fig. 2. 18 Localización de mediciones

Diseño de sonorización y distribución de las sirenas acústicas.

Considerando el análisis actual del plantel y las condiciones críticas que se debe
superar, se enlistan las condiciones a cumplir en el diseño de este proyecto:
 Sonorizar terreno con una superficie de 76,188.0603 m2.
o Áreas verdes
o Andadores
o Edificios 1-5
o Edificio z
o Laboratorios Pesados y aulas “provisionales”.
 Altura de planta baja hasta tercer piso, 12.6 m.
 Superar el ruido ambiental en la zona más alejada a las fuentes
sonoras.
 Colocación de fuentes sonoras (sirenas) en puntos estratégicos con
la menor cantidad de amortiguadores acústicos.

Establecidas estas condiciones se propuso que “n” número de sirenas sean
colocadas en la azotea del edificio “Z” con una dirección radiante hacia el andador
cercano al estacionamiento, por las siguientes dos razones:
1.- Evitar al máximo el choque con pantallas vegetales (árboles).
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

48
2.- Siendo las sirenas una fuente direccional y teniendo un ángulo de
cobertura, se pretende provocar que parte de las ondas emitidas sean
reflejadas en las paredes de cada edificio (2, 3, 4) para así alimentar
acústicamente al edificio “Z” por reflexiones en las mismas. (Ley de Snell)
Cálculo de pérdida por distancia.

Para evitar un enmascaramiento en la zona más alejada de la fuente, se necesita
considerar el nivel de presión acústica a un metro de distancia y calcular la
potencia con la que funcionaran las fuentes, para así, poder aplicar la Ley
cuadrática inversa y analizar la pérdida por distancia.
En este caso se hará de la siguiente manera:
Si se quiere llegar a una distancia “X” con un nivel de presión acústica “Y” se sabe
por esta ley que en X/2 habrá Y+6dB, en este caso se conoce la distancia y el
nivel con el que se quiere llegar, 10 dB por arriba del ruido ambiental de 65 dB A,
esto es: 75 dB A.
La distancia máxima se calcula por el teorema de Pitágoras, esta distancia será la
hipotenusa de un triángulo rectángulo, teniendo como catetos la altura del edificio
y la distancia desde el piso del edificio “Z” hasta el andador del estacionamiento,
ambas conocidas D1= 12.6m y D2=172.10 m. (Ver fig 2.19)

Fig. 2. 19 Calculando distancia efectiva "X".
Entonces (D3)2=(D1)2+(D2)2

Luego: D3=√

D3=√
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

49
D3=√ = 172.5606 m

Fig. 2. 20 Distancia efectiva en plano 3D
Conociendo la distancia y el nivel de presión acústica deseado se puede estimar a
que potencia y nivel debería tener la sirena a un metro de distancia.
Distancia dB
172.56 m 75 dbA
86.28 m 81 dbA
43.14 m 87 dbA
21.57 m 93 dbA
10.78 m 99 dbA
5.392 m 105 dbA
2.696 m 111 dbA
1.348 m 117 dbA
Tabla 2. 1 Ley cuadratica inversa
De la tabla 2.1 se deduce que: para alcanzar un nivel de 75 dB a 172.56 m de
distancia, se necesitan al menos 117 dB a 1.348 m de la sirena.
De otra manera, sabiendo que:
NPAatenuado= nivel de presión acústica atenuado
NPAAtenuado=20 log (

)
Donde
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

50
= distancia tomada como referencia (como característica de sensibilidad es a 1
m).
= distancia a la que se desea observar la cantidad de atenuación en dB.
Entonces el nivel de presión acústica a 1 metro teniendo en cuenta la perdida por
distancia es:
1.- Calculando la caída en dB a 172.5606
NPSAtenuado= 20 log (

)= 44.73 dB
2.-Ahora, se necesita superar el ruido por 10 dB arriba de 65 dB (esto es 75 dB)
entonces:
NPS= 75 dB + (44.73 dB)
Siendo esto último lo que se atenuará a lo largo de la trayectoria que recorrerán
las ondas sonoras.
Será:
SPL= 119.73 dB a 1 metro de la sirena.
Una característica fundamental de la sirena a proponer es aplicando una potencia
P, pueda generar este nivel de presión acústica a 1 m.
Existen diferentes tipos y clases de sirenas, para este proyecto se propone la
siguiente con estas características:
Sirena Syscom SR581-L Sensibilidad: 105 dB a 1W, 1 metro en el eje axial.
Angulo de cobertura vertical 60º
Angulo de cobertura horizontal 110º
Dos tonos (secuenciales)
Vcc 12 V

Fig. 2. 21 Sirena Syscom SR581-L
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

51
Calculo de potencia nominal:

Ahora se necesita saber que potencia se debe suministrar a la sirena para obtener
119.73 dB a 1 metro.
En la siguiente tabla se muestra la relación entre decibeles y potencia eléctrica:

Como se observa, cada que se duplica la potencia eléctrica existe una diferencia
de 3 decibeles.
En particular, conociendo la sensibilidad de la sirena y el nivel que se desea emitir
desde la misma, obtenemos una diferencia de 14.73 dB, esto es:
119.73 dB -105 dB= 14.73 dB

Tabla 2. 2 Relación de potencia y nivel de presión
acustica (THE RELATION BETWEEN DECIBELS AND
POWER)
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

La siguiente tabla (2.3) muestra solo el aumento de potencia con su respectiva
relación en dB cada que esta se duplica.
Potencia dB
1 0
2 3
4 6
8 9
16 12
32 15
64 18
128 21
256 24
Tabla 2. 3 Duplicando la potencia.

Fig. 2. 22 Grafica de tabla 2.3
Si bien, de la tabla y grafica anterior no se puede observar directamenteel valor
correspondiente de potencia para 14.73 dB, se puede estimar sabiendo su
localización entre 28 y 32 W.
El adaptador SYSCOM RT-1230L cumple con este requisito. Sus características
son las siguientes: entrada127 Vca, 30W de salida a 12V, 2.5 A
d
B

Potencia electrica
1
2
4
8
16
32
64
128
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53
Distribución de las sirenas a lo largo del edificio “Z”

Para la distribución de las sirenas y la cantidad de las mismas, se necesita
conocer el área que cada sirena logra cubrir con un nivel de presión acústica
mínimo de 75 dB en su eje axial.
Para determinar el área que cubre cada sirena se calculó, las áreas sectoriales de
circunferencias al ángulo de cobertura por las especificaciones de la sirena.
Fórmula para el cálculo de area sectorial:

Donde:
= area sectorial.
= Radio.
α= Angulo de cobertura.
Para cada sirena su área de cobertura horizontal en espacio libre es:

Nota: El ángulo de cobertura, como se conoce, estará delimitado por el haz que se
forma sobre el eje axial como se muestra en la fig. 2.22.

Donde “A” y “B” son limites críticos, teniendo una atenuación de 6 dB respecto del
eje directo, es decir, en este caso, las sirenas estarán emitiendo una secuencia a
119.73 dB a un metro sobre el eje; por lo que “A” y “B” serán los límites con
113.73 dB respectivamente.

A
B Fig. 2. 23 Angulo horizontal.
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54
Por otro lado, el eje vertical tiene las mismas características y limites, los cuales se
llaman A’ y B’.

Como se puede comprender las sirenas pueden cubrir una extensión del terreno
en el plantel, no obstante se diseña la siguiente sección con análisis de acústica
geométrica.

Se secciona el diseño en las dos partes siguientes:

Sonorización frente el edificio “Z”

Sonorización tras el edificio “Z”

Y a su vez se subdividirá en análisis vertical y horizontal respectivamente.

La aplicación de la acústica geométrica ayudará a comprender las diferentes
reflexiones que tendrá cada patrón de radiación de las sirenas. Sin embargo se
debe conocer si esta herramienta se puede aplicar a este caso según la teoría
consultada, la longitud de onda emitida por el radiador acústico debe ser muy
pequeña para que pueda ser tratada como rayo óptico y así aplicar la ley de
reflexión en superficies duras.

Calculo de longitudes de onda

La sirena Syscom SR581-L tiene dos posibles tonos, uno se encuentra por arriba
de 2000 Hz y el otro es una secuencia que va desde los 980 Hz hasta los 1700
Hz.
A’
B’
Fig. 2. 24 Angulo vertical
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Fig. 2. 25 Análisis con software SpectroGram de Tono

Fig. 2. 26 Análisis con SpectroGram de Tono 2

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56
El tono 1 se utilizará para otro fin de emergencia, para este proyecto el tono dos
será de interés, pues es considerada esta secuencia como alerta temprana de
sismos en la región.

Ahora bien, si sabemos que:

Donde c es la velocidad del sonido en el aire estándar (340 m/s), la longitud de
onda y la frecuencia , podremos despejar a para saber la longitud de onda en
metros.

Como se trata de una secuencia, las longitudes de onda varían en el tiempo
comportándose como un barrido de frecuencias secuencial (ver imagen) por lo que
se calculara la máxima y mínima longitud de onda.

Para máxima longitud:

Para la mínima longitud:

Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

57
Teniendo en cuenta las dimensiones de los muros donde se pretende que se
reflejen parte de las ondas acústicas, se considera que es posible utilizar acústica
geométrica.

Sonorización frente el edificio “Z”

Análisis horizontal

Observando el área que se quiere sonorizar y recordando el área que puede cubrir
una sirena, proponemos que 3 sirenas se encarguen de sonorizar esta zona,
además considerando que 4 de las 5 paredes de los edificios servirán de
reflectores hacia el edificio “Z”.

Las tres sirenas serán colocadas a modo que su eje de radiación forme un ángulo
recto con la dirección del edificio “Z” (ver fig. 2.27)

Fig. 2. 27 Referencia en EZ lado Sur

Se toma como referencia 0 m en el comienzo del edificio “Z” lado sur para
identificar la posición exacta de cada sirena. (Ver figura 2.27) Para ocupar
óptimamente las paredes de los edificios 2,3,4 y 5 es necesario que entre cada
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58
edificio se coloque una sirena, esto es, considerando que parte de la energía
emitida por las mismas debe reflejarse.

Posicionamiento de sirena 1

Conociendo el ángulo de cobertura y aprovechando este para radiar la mayor área
posible, se coloca la fuente emisora en 49.8m, quedando de la siguiente manera:

Fig. 2. 28 Localización y radiación acústica de sirena 1.
Para hacer el análisis de reflexión al edificio “Z”, se ocupan algunas herramientas
trigonométricas, para calcular el ángulo de incidencia y reflexión.

La distancia que hay desde el edificio “Z” a cualquier edificio es de 38.437m y el
ancho de cada edificio (E1-E5) es de 10.32m (Ver fig. 2.29), entonces:

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Fig. 2. 29 Ángulos de incidencia y reflexión

Siendo paralelas las dos paredes de los edificios se observa que se forman dos
triángulos rectángulos. Se conoce la magnitud de los catetos por lo cual se puede
utilizar la razón tangente para calcular los ángulos de incidencia.

Entonces:

23.30º

Para restaría cambiar la magnitud del cateto opuesto quedando:
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( )

34.966º
Para el muro de lado derecho (edificio2 ver Fig 2.30) se calcula de la misma
manera y se obtienen los ángulos:

Fig. 2. 30 reflexiones en edificios 1 y 2

α3=tan
-1

=47.53º

α4=tan
-1

=53.69º

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61
El análisis horizontal para la sirena 1 quedaría de la siguiente manera:

Para calcular el nivel de presión acústica con que llegan las reflexiones al edificio
Z se hace de la siguiente manera:

Como se puede observar, existe un inicio de reflexión y un final, se reporta solo los
extremos (finales) siendo el caso más crítico con más distancia hacia la fuente y
por lo tanto con más pérdida por distancia(ver Fig. 2.32).

Como se vio al inicio del capítulo 2, la distancia fue calculada por teorema de
Pitágoras, nuevamente se aplica esta herramienta ajustándola al caso.

Conociendo la distancia del edificio “z” a los edificios E1-E5 y su posición en el
mismo edificio no queda más que calcular el valor de una hipotenusa donde ahora
se agrega un factor de dos por la siguiente razón:

Fig. 2. 31 Simulación de reflexiones
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Fig. 2. 32 Reflexiones al edificio “Z”

La suma de D1 más D2 será la distancia que recorrerá el sonido antes de llegar al
edificio “Z”. Se tiene ahora dos triángulosrectángulos con los mismos parámetros,
entonces para la primera sirena es:

√

Por lo tanto la distancia total será dos veces

√

129.842m

Para la reflexión del lado izquierdo se sigue el mismo algoritmo esperando como
resultado:
= 93.78m
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Recordando la pérdida por distancia en la ecuación número 5 y aplicándolas a
estas distancias:
La atenuación por distancia con estas longitudes de trayectoria es de 42.26 dB y
39.44 dB respectivamente. Si se analiza el caso extremo donde el limite critico de
la sirena con 113.73 dB sea el que se esté reflejando, el nivel de presión acústica
emitido al edificio seria de 71.47 dB y 74.29 dB, no obstante cabe resaltar que es
un caso critico donde la distancia es máxima y límite del patrón de radiación
horizontal.

Para el análisis de las sirenas dos y tres que restan para sonorizar la parte frontal
al edificio “Z”, se hace el mismo procedimiento de cálculo y diseño:

Posición en el edificio “Z”.
Ángulos de reflexión y paredes en que se refleja.
Nivel de presión acústica reflejado.

Posición de sirena 2:

Fig. 2. 33 Posicion de sirena 2
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64
Ángulos de reflexión:

α1= 48º
α2= 40.10º
α3= 35.74º
α4= 44.68º

Distancias máximas y atenuación por trayectoria:

DtI=114.88 m Atenuación: 41.2 dB
DtD=108.08 m Atenuación: 40.67 dB

Nivel de presión acústica critico reflejado:

Izquierdo: 72.53 dB
Derecho: 73.06 dB

Posición de Sirena 3:

Fig. 2. 34 Posición de sirena 3
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

65
Ángulos de reflexión:

α1= 48.358º
α2= 40.54º
α3= 38.184º
α4= 46.53º
Distancias máximas y atenuación por trayectoria:

DtI=115.69m Atenuación: 41.26 dB
DtD=111.744m Atenuación: 40.96 dB

Nivel de presión acústica critico reflejado:

Izquierdo: 72.47 dB
Derecho: 72.76 db

Fig. 2. 35 Conjunto de sirenas para sonorizar frente a edificio “z”
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

Análisis vertical

El análisis vertical llevara a calcular el ángulo de posición en las sirenas
apuntando desde la azotea del edificio “Z” hacia el andador junto al
estacionamiento de cada edificio respectivamente.

A diferencia del apartado anterior, solo se hará un análisis para las 3 sirenas que
sonorizaran esta sección, pues la altura, ángulo de posición y distancia a los
edificios E1-E5 es equivalente.

Por medio de la identidad trigonométrica coseno se puede calcular el ángulo, esto
es:

cos =

Donde es el ángulo que se desea conocer, “D” será la distancia desde la azotea
al andador y “A” la altura del edificio “Z”.

Fig. 2. 36 Angulo vertical para la sirena
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De otra manera se puede decir que las sirenas estaran apuntando con una
pendiente negativa de - 4º1`14.04º o bien, 85.81°.
Tomando en cuenta que el ángulo de cobertura de la sirena es de 60º vertical, se
tiene lo siguiente:

Fig. 2. 37 proyección vertical

Fig. 2. 38 simulación de reflexión vertical
Para calcular los ángulos de emisión y reflexión se ocupa, al igual que en el
análisis horizontal identidades trigonométricas (ver Fig. 2.39). Se analiza la
proyección del eje axial (vertical) y sus dos límites críticos de la sirena.

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68
El límite crítico vertical se sitúa 30º por debajo del eje axial por tener un ángulo de
cobertura de 60º es decir, 30 º por arriba y 30º en sentido opuesto. Si el eje está
dirigido con una dirección de 85.81º el límite inferior vertical será de -34.19º.

Por tener la misma altura los edificios, las reflexiones comenzaran a ser emitidas
desde los 90º (4.19º arriba del eje axial) hasta el límite critico inferior.

Fig. 2. 39 análisis de reflexión en la cobertura vertical
Calculando el cateto opuesto al ángulo de 34.19º por identidad de coseno y seno:

El ancho de haz es 2 veces el cateto opuesto.
Por el análisis anterior se deduce que es suficiente el ángulo de cobertura vertical
pues la altura máxima de los edificios es de 12.6m.

Sonorización tras el edificio “Z”

Como se observa, tras el edificio “z” se encuentran las aulas provisionales y
laboratorios pesados (ver Fig. 2.40 y2. 41). Sonorizar esta zona es posible con
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69
una sola sirena, considerando la distancia desde el inicio del edificio hasta la
última aula provisional que pertenece a la ESIME.

La radiación acústica para este espacio será directa hacia las aulas provisionales
y a los laboratorios pesados, se calcula solo la perdida por distancia al punto mas
alejado y propondremos la altura de 3.26m (nivel del piso en primer nivel) para así,
provocar reflexiones hacia el mismo desde paredes.

Fig. 2. 40 vista traz el edificio "z"
Fig. 2. 41 vista 2 tras edificio "z"
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Fig. 2. 42 proyección de rayos acústicos, sirena 4

El eje axial, estará apuntando hacia la parte mas alejada a sonorizar(Fig. 2.43). La
potencia será de la misma magnitud que las demás

NPAAtenuado= 20 log (

)= 44.73 dB

Considerando que esta misma sirena utilice el adaptador SYSCOM RT-1230L
para suministrar una potencia de 30 W, el nivel de presión acústica será de 119.77
dB a un metro de distancia.

Fig. 2. 43 Distancia más alejada a sonorizar.
Diseño de alerta sonora para alarma sísmica de la E..S.I.M.E. Zacatenco

71
Dmax=√
Dmax= 172.1308m
El nivel de atenuación hasta el punto mas alejado es de:
NPAAtenuado= 20 log (

)= 44.71 dB
El nivel de presión acústica será de:
NPAmin=75.05 dB

Ángulo de inclinación y de dirección.

Fig. 2. 44 Dirección de sirena 4

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Plano oficial de ESIME con diseño de sonorización.

Fig. 2. 45 Plano Oficial ESIME Zac. con diseño de sonorización
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73
Adaptación del diseño al sistema actual.

La señal que activa la alerta sonora, llega a la unidad “Isla” en el plantel mediante
una conexión Ethernet. Esta señal será repetida por medio de una interfaz
inalámbrica (emisor) y la misma será recibida en el edificio “z” por un receptor.
El siguiente diagrama muestra el proceso:

GEOFONO
INTERFAZ
ETHERNET PC
TERMINAL PC
AMPLIFICADOR
SISTEMA DE
ALTAVOCES
ACTUAL
ADAPTADOR
INALAMBRICO
(EMISOR)
MODULADOR
(RECFEPTOR)
CONTROL DE
SWITCH
CONEXIÓN A CABLE
TETRAFILAR
SISTEMA DE
SIRENAS
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74
Cotización

CANTIDAD DESCRIPCIÓN PRECIO Subtotal
400m
2 rollos de CABLE DE 4 HILOS
SYSCOM tetrafilar (305m) $450 $900
4
Sirena 2 Tonos de 30 W.
[SYSCOM] SR581L $150 $600
6
Caja de tornillos