Estudio Acústico de la Catedral de Santa María y San Julián de Cuenca

Realizado por Paula María Selva Mena. Curso 2015/16.

Contenido:

 

 

Resumen

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Desde la Escuela Politécnica de Cuenca se han llevado a cabo diversos Trabajos Fin de Grado centrados en el estudio acústico de los recintos más representativos de la provincia de Cuenca. Sin embargo, hasta el momento no se había centrado por completo la atención en el recinto más emblemático y voluminoso de la ciudad que es la Catedral de Santa María y San Julián, por lo que se eligió como objetivo de estudio de este proyecto.

El trabajo que aquí comienza tiene como objetivos principales la obtención de los parámetros acústicos y el diseño de un modelo de simulación en 3D para el correcto análisis del recinto.

El primer paso corresponde a la recopilación de toda la información pertinente para la descripción del recinto (planos, historia, características arquitectónicas y artísticas…)

Seguidamente, se han llevado a cabo las medidas “in situ”, para las cuales se utilizaron dos fuentes acústicas diferentes (una omnidireccional y otra de simulación vocal) que fueron colocadas en las posiciones que ocupan las fuentes naturales del recinto, obteniendo así los parámetros de reverberación, nivel, energía e inteligibilidad.

Para la parte de simulación, se ha diseñado un modelo en 3D que, debido a la complejidad arquitectónica del lugar, requería la consecución de un modelo muy elaborado pero, al mismo tiempo, teniendo muy presente el compromiso entre nivel de detalle y coste computacional. Una vez construido dicho modelo, se ha ajustado con respecto a la realidad en cuanto a tiempo de reverberación y materiales.

Con todo ello, se pretende llegar a la conclusión de cómo varían los parámetros acústicos según en qué parte de la catedral se sitúe la fuente sonora, al tratarse de un recinto de grandes dimensiones. Por otra parte, en el caso de que el emisor se apoye en el sistema de refuerzo sonoro existente en el recinto, verificar que el mensaje emitido por este es inteligible y posee nivel suficiente en todos los puntos de escucha.

Para concluir, resulta imprescindible resaltar que la obtención de los parámetros acústicos de un recinto que forma parte del patrimonio artístico y cultural de un determinado lugar abre la puerta a que futuros estudios que engloben más recintos de este tipo, como por ejemplo recintos góticos de otros lugares, puedan encontrar útiles las mediciones ya realizadas si se almacenan, por ejemplo, en una base de datos. Y es, precisamente, el hecho de haber logrado recrear de manera virtual el comportamiento acústico de la catedral lo que ofrece multitud de posibilidades. Sirve de ejemplo la realización de auralizaciones (la escucha de una pieza musical en cualquier punto de la sala de forma virtual) o propuestas de mejora del sistema de refuerzo sonoro ahorrando costes técnicos. En el caso del sistema de refuerzo sonoro se encontraron deficiencias en cuanto a inteligibilidad por lo que el modelo de simulación resultó de gran utilidad para diseñar una propuesta de mejora que agrupara los dos usos típicos del sistema de megafonía de la catedral: uso turístico (hilo musical y avisos) y el uso religioso (comprensión del mensaje religioso durante la celebración de la misa).

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Objetivos del estudio

Los objetivos principales que se han pretendido alcanzar en el desarrollo de este TFG se describen a continuación:

  • Descripción del recinto.
  • Realización de las medidas “in situ”.
  • Diseño de un modelo de simulación que ofrezca múltiples posibilidades, como por ejemplo, comparar los resultados obtenidos “in situ” con los simulados, realizar auralizaciones o proponer posibles mejoras del recinto. Además, dicho modelo puede ser útil en líneas futuras de investigación.
  • Estudio de la influencia de la localización de la fuente sonora en los parámetros acústicos en base a la obtención de los parámetros de reverberación, nivel, energía e inteligibilidad.
  • Verificación de que el mensaje emitido mediante el sistema de refuerzo sonoro sea inteligible y llegue a todos los puntos con un nivel suficiente y sin coloración. Si no fuera así, desarrollar una propuesta de mejora del sistema de megafonía.
  • Realización de auralizaciones desde distintas posiciones de fuente y escucha.

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Metodología de medida

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Para realizar de manera adecuada el ensayo de medida, y con el fin de seguir un procedimiento normalizado, coordinado y estandarizado es imprescindible seguir las pautas que dictan las normas referentes a las mediciones acústicas. Dichas normas corresponde con la UNE-EN-ISO-3382-1:2010, cuyo campo de aplicación de dicha norma consiste en la medición del tiempo de reverberación y de otros parámetros acústicos en salas de espectáculos, y el estándar IEC 60268-16 de Electroacústica que consiste en  la evaluación objetiva de la inteligibilidad del habla mediante STI.

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Conexionado de equipos para la medida de la respuesta al impulso
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Conexionado de equipos para la medida de inteligibilidad

Las posiciones de fuente se colocan donde se sitúan generalmente las fuentes sonoras naturales en el recinto. Según dicho requisito, se posicionan cuatro posiciones de fuente sonora diferentes, teniendo en cuenta que se emplean dos fuentes, la fuente omnidireccional para medir la respuesta al impulso y la fuente de simulación vocal para medir inteligibilidad:

  1. Se sitúa la fuente omnidireccional y la de simulación vocal en el altar correspondiente al Altar Mayor, ya que la actividad característica del recinto es la celebración de la misa.
  2. La fuente omnidireccional queda fijada en uno de los dos púlpitos, aprovechando la simetría del recinto para medir en uno solo en vez de en los dos, y poder caracterizar mejor el recinto de cara a la simulación.
  3. La fuente omnidireccional se localiza en uno de los dos órganos de la Sillería de coro, aprovechando también en este caso la simetría del recinto.
  4. La fuente de simulación vocal se coloca conectada al armario de los equipos que controlan la megafonía para evaluar el refuerzo sonoro.

Como las posiciones de micrófono se deben colocar donde se encuentran habitualmente los oyentes y a una altura de 1,2 m por encima del suelo, se sitúan 12 posiciones de micrófono que abarcan las tres áreas de audiencia del recinto, pasillos y sillería de coro.

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Esquema de las posiciones de medida

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Diseño del modelo de simulación de acústica

Para llevar a cabo una correcta caracterización acústica del recinto bajo estudio, además de la realización de las medidas “in situ”, es imprescindible diseñar un modelo de simulación que nos sirva para validar los resultados obtenidos, realizar auralizaciones y poder sacar las conclusiones pertinentes.

Dicho modelo de simulación se ha llevado a cabo mediante tres programas diferentes: Autodesk AutoCAD 2014, SketchUp 2015 y ODEON 13.

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Vistas del modelo de simulación acústica en los diferentes softwares
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Archivo GIF. Reflexiones del sonido desde primer orden al orden enésimo

 

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Tiempo de reverberación, claridad vocal y musical e inteligibilidad

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Early Decay Time vs Reverberation Time
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Claridad musical
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Claridad musical
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Rapid Speech Transmission Index

 

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Escucha la música de órgano

El término “auralización” consiste en el proceso por el cuál es posible realizar una escucha, en cualquier punto de un recinto, de un mensaje oral o una pieza musical, con la particularidad de que ello se lleva a cabo de forma virtual. Esta escucha puede efectuarse mediante altavoces, aunque es más recomendable que se realice mediante auriculares. Para ello es necesario conocer las características del oyente (canal derecho e izquierdo del oído y localización espacial que defina su posición) y  una señal de excitación vocal o musical.

Durante el desarrollo del estudio se han realizado diversas auralizaciones, o escuchas virtuales, entre las que se pueden escuchar las correspondientes a usar como señal de excitación música de órgano, desde la Sillería de Coro, y a usar como señal de excitación un dueto de clarinete y fagot, desde el Altar Mayor.

A continuación, se pueden escuchar los audios donde se puede disfrutar de un concierto virtual de música de órgano. Para apreciar el efecto de las auralizaciones se recomienda el uso de auriculares para la escucha.

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Conclusiones

Para finalizar el desarrollo de este TFG resulta indispensable exponer las conclusiones alcanzadas a lo largo de todo el trabajo. Para ello, se realizará un repaso exponiendo las conclusiones obtenidas desde el planteamiento hasta las auralizaciones.

Primeramente, el primer desafío al que hubo que enfrentarse fue a la búsqueda de los planos del recinto. En un primer momento solo se disponía de ellos en papel y, en el caso de formato digital, se encontraban almacenados en disquetes MF2HD. Afortunadamente, gracias a la empresa encargada de la rehabilitación de la instalación eléctrica de la Catedral de Cuenca, que los actualizó a un formato digital más actual y a una de las versiones de AutoCAD más recientes, se pudo comenzar a trabajar con ellos.

Seguidamente, fue necesario realizar un estudio de la viabilidad de llevar a cabo el ensayo de medida en un lugar de tales características, como es una catedral. Esto es así porque se trata de un lugar turístico y de culto religioso en el que el tiempo autorizado por la dirección para ejecutar las medidas “in situ” se reducía a las tres horas de cierre de la catedral al mediodía. Además, hubo que diseñar el ensayo teniendo en cuenta las enormes dimensiones del recinto, que implicaban la selección de una fuente sonora capaz de proporcionar suficiente señal en todo el área de la edificación y planificar adecuadamente la distribución de cable que se requería para medir en las posiciones de fuente y escucha elegidas, en base a la longitud de cable de la que se disponía en el laboratorio de la universidad.

A continuación, hay que destacar que el diseño del modelo de simulación supuso un gran reto, pues se trata de un lugar caracterizado por un volumen muy grande y con una geometría muy compleja. La cuestión de partida del diseño fue el compromiso entre nivel de detalle y coste computacional. De esta manera, y tras varias pruebas, se llegó a la conclusión de que los mejores resultados se conseguían empleando formas geométricas sencillas (cuadrados para las columnas, triángulos para los arcos apuntados y los planos de las bóvedas, etc.), tomando como ejemplo modelos de simulación de otros recintos. Por otra parte, se ha comprobado que también resulta de utilidad definir en los programas de diseño asistido por ordenador diferentes capas (en función de los materiales o las zonas) para luego asignar más fácilmente los materiales y el coeficiente de scatterig en el programa de simulación. Por último, se decidió que el procedimiento óptimo de exportación del modelo de simulación consistiría en exportar desde AutoCAD en formato *.dwg, para posteriormente y desde SketchUp, explotar los sólidos en 3D (no admitidos por ODEON) y mantener todas las capas definidas al inicio. De manera, que el último paso sería importar el archivo en formato *.dxf en ODEON para poder empezar a trabajar en el software de simulación.

Por otra parte, también hay que mencionar que se ha comprobado que el proceso de ajuste del modelo de simulación en cuanto a materiales, parámetros de reverberación y de energía es muy tedioso, largo e iterativo donde se llega a un punto en el que hay que tomar una decisión con referencia al compromiso existente entre nivel de ajuste y tiempo material para llevarlo a cabo.

Las valoraciones objetivas que se han logrado en base al análisis de los parámetros acústicos, en función de la comparación con los valores óptimos recomendados por la bibliografía consultada, se desglosan en los siguientes puntos:

  • Los mayores tiempos de reverberación se obtienen cuando la fuente sonora se sitúa en el coro y, a consecuencia, conviene recalcar que la música requiere un tiempo de reverberación más elevado que la palabra. Sin embargo, los tiempos de reverberación que se obtienen cuando la fuente se sitúa en el Altar Mayor y en el púlpito son también elevados, sobre todo en las bandas de frecuencia influyentes en la inteligibilidad, y repercuten muy negativamente en la capacidad de compresión del mensaje emitido. Esto se debe a que un tiempo de reverberación elevado produce que las vocales se prologuen enmascarando las consonantes posteriores, y en el caso de la palabra, la importancia recae precisamente en las consonantes.
  • Valorando la claridad vocal y la definición, se puede apreciar que el púlpito cumple con la función para cual se diseñó, que es conseguir que el mensaje llegue a una audiencia más amplia que si el emisor se sitúa en el altar. Se puede lanzar, por tanto, la hipótesis de que los maestros encargados de edificar catedrales e iglesias eran conscientes de la importancia de colocar reflectores en la parte superior de los púlpitos y de elevarlos sobre la audiencia para conseguir transmitir el mensaje de manera más efectiva. Por el contrario, pese a la mejora de dichos parámetros en el púlpito, no se puede considerar que la catedral tenga unos valores muy adecuados en base a los considerados como óptimos.
  • En cuanto a la claridad musical, nos encontramos ante un recinto perfecto para la música de órgano (cuando la fuente sonora se sitúa en el coro), según las recomendaciones de Marshall.
  • El recinto bajo estudio presenta sensación subjetiva de calidez y suavidad de la música que escuchemos en él independientemente de la localización de la fuente sonora. Además, también posee un sonido claro y rico en armónicos.
  • Si valoramos los parámetros de inteligibilidad, se corrobora que no es un recinto apto para las ejecuciones vocales. Y no es apto, ni cuando el emisor no se apoya en el sistema de refuerzo sonoro, ni cuando sí lo hace, a consecuencia de los bajos valores de los índices STI y RASTI obtenidos. Asimismo, los índices STIPA y STITEL confirman el desfavorable efecto de la reverberación y la distorsión del sistema de megafonía sobre la capacidad de comprender el mensaje emitido.

En cuanto a la mejora de la inteligibilidad, la única solución viable es la propuesta de mejora del sistema de megafonía. Esto se debe a que al tratarse de un monumento que pertenece al patrimonio artístico y cultural, no se pueden realizar modificaciones en cuanto a los materiales o la geometría. Si fuera posible, ello reduciría el elevado tiempo de reverberación que caracteriza a las bandas frecuenciales que más influyen en la inteligibilidad de la palabra, como son el intervalo comprendido entre 500 Hz y 2 KHz. A su vez, por si en un futuro se quisiera implementar la propuesta, se tomó como opción más efectiva la implementación de un diseño funcional que aprovechara los equipos ya disponibles en la catedral y que cumpliera con dos requerimientos, el uso turístico (hilo musical y avisos) y para el uso religioso (compresión del mensaje religioso). De esta manera, con referencia al uso turístico se han redistribuido los altavoces para obtener un nivel de presión sonora suficiente en todas las zonas que pertenecen al recorrido, y para el uso religioso, se han colocado los altavoces de tal forma que se cubre mejor las áreas de audiencia y se ha añadido un modelo nuevo para reforzar las proximidades de la fuente sonora.

Para finalizar, llegamos a la conclusión de que las múltiples posibilidades que ofrece conseguir recrear de manera virtual la acústica de un recinto mediante auralizaciones posibilitan la posterior realización de un análisis psicoacústico, que estudie desde el punto de vista perceptivo la similitud con el sonido real del recinto, las diferencias entre parámetros psicoácusticos en función de las posiciones de fuente y escucha, e incluso mantener el sonido característico de una catedral en un edificio de nueva construcción.

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Líneas futuras

En el penúltimo epígrafe de la memoria, se hace referencia a los proyectos que en un futuro pueden tener como base este TFG. Los estudios que se comentan en las líneas siguientes derivan de las conclusiones obtenidas a lo largo de todo el trabajo y que pueden resultar muy interesantes ya que contemplan objetivos distintos a los que fueron definidos al inicio de este estudio acústico:

  • Estudio acústico de recintos góticos a nivel estatal: Las medidas “in situ” y el modelo de simulación realizados pueden formar parte de una base de datos que englobe la misma documentación de proyectos de otras catedrales e iglesias góticas del territorio español llevados a cabo por universidades españolas para elaborar un estudio mucho más extenso de la acústica religiosa.
  • Propuesta de mejora de la inteligibilidad de la Catedral basado en la modificación de materiales: Si se obtiene un permiso por parte de las instituciones pertinentes se puede estudiar la posibilidad de reducir el elevado tiempo de reverberación mediante la alteración de los materiales presentes en el recinto.
  • Medidas “in situ” y simulación acústica en estado de ocupación.
  • Auralizaciones en base a un estudio histórico de la situación original de los órganos: En la actualidad, varios historiadores se encuentran investigando acerca de la posición de la sillería de coro antes del siglo XVIII. Si se llegara a conocer la posición exacta, se podrían comparar escuchas virtuales de órgano en su posición original y actual.
  • Análisis de las auralizaciones mediante psicoacústica: Analizar desde el punto de vista perceptivo la similitud entre las auralizaciones y el sonido del recinto en la realidad y la influencia de la localización de la fuente sonora en los parámetros psicoacústicos.
  • Simulación y auralización con otros softwares de simulación acústica: Puede repetirse el proceso completo empleando otros programas similares como por ejemplo, EASE (Enhanced Acoustic Simulator for Engineers).
  • Visita virtual guiada a partir de auralizaciones.

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Agradecimientos

La autora del TFG y la Escuela Politécnica de Cuenca agradecen al Obispado y Diócesis de la Catedral de Cuenca el interés en la realización de este Trabajo Fin de Grado y  la buena disposición mostrada, permitiendo el acceso a la Catedral y a la documentación que ha sido posible.

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