alejandro molina jaramillo - usb · 2015. 4. 27. · aquellas superficies que puedan estar vibrando...

EVALUACIÓN DE LOS MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE POTENCIA SONORA

BASADOS EN PRESIÓN Y EN EL USO DE LA SONDA P-U MICROFLOWN

PARA LA CARACTERIZACIÓN ACÚSTICA DE LOS ELECTRODOMÉSTICOS DE

LA LÍNEA ASSENTO DE HACEB

ALEJANDRO MOLINA JARAMILLO

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA - SECCIONAL MEDELLÍN

FACULTAD DE INGENIERÍAS

INGENIERÍA DE SONIDO

MEDELLÍN

2014

2

EVALUACIÓN DE LOS MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE POTENCIA SONORA

BASADOS EN PRESIÓN Y EN EL USO DE LA SONDA P-U MICROFLOWN

PARA LA CARACTERIZACIÓN ACÚSTICA DE LOS ELECTRODOMÉSTICOS DE

LA LÍNEA ASSENTO DE HACEB

ALEJANDRO MOLINA JARAMILLO

Proyecto de grado para optatar al título de Ingeniero de Sonido

Asesores

Luis Alberto Tafur. Ingeniero de sonido, MSc. en Sonido y Vibraciones, candidato

al título de Doctor en Sonido y Vibraciones.

Héctor García Mayén. Físico, MSc. en Sonido y Vibraciones.

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA - SECCIONAL MEDELLÍN

FACULTAD DE INGENIERÍAS

INGENIERÍA DE SONIDO

MEDELLÍN

2014

4

DEDICATORIA

A mi mamá y a mi papá, bastones inquebrantables.

AGRADECIMIENTOS

A mi mamá y a mi papá, a los asesores, a los laboratoristas, a mi compañero

Víctor Palacio, al personal de HACEB que facilitó nuestras visitas a la planta, a la

profesores del programa que me permitieron la edición de datos durante algunas

de sus clases y a todos quienes directa o indirectamente aportaron al desarrollo de

este proyecto.

5

CONTENIDO

Pág.

RESUMEN…………………………………………………………………………………8

INTRODUCCIÓN……………………………………………………………….…………9

LISTA DE TABLAS………………………………………………………………………11

LISTA DE FIGURAS…………………………………………………………………….13

1. OBJETIVOS………………………………………………………………….….……21

1.1 OBJETIVO GENERAL……………………………………...…………………..21

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………………………...……21

2 MARCO TEÓRICO………………………………………………………………….22

2.1 INTENSIDAD Y POTENCIA ACÚSTICA……………….…...………………..22

2.2 NIVELES SONOROS……………………………………………………….…..24

2.3 MEDIDAS DE LA INTENSIDAD Y POTENCIA SONORA…………………25

2.3.1 ISO 3744:1994. Determinación de los niveles de potencia acústica

de fuentes de ruido mediante el uso de la presión sonora en un

campo esencialmente libre y sobre uno o más planos reflectante.29

2.3.2 Método de medición tecnología Microflown……………….………….35

2.3.2.1 Software Scan&Paint…………………………………………....39

3 ESTADO DEL ARTE……………………………………………………………..…41

4 METODOLOGÍA………………………………...…………………………..………45

4.1 GENERALIDADES…………………………………………………...…………45

4.1.1 Descripción de los refrigeradores y modo de operación…………….45

4.1.2 Descripción de los entornos de medición……………………………..49

4.1.2.1 Estudio A………………………………………………………….50

4.1.2.2 Estudio B……………………………….…………………………51

4.2 APLICACIÓN DEL ESTÁNDAR ISO 3744……………………………………54

4.2.1 Medición de los niveles de presión…………………….………………54

6

4.2.2 Determinación de la corrección por ruido de fondo 𝐾1………………57

4.2.3 Determinación de la corrección por entorno acústico 𝐾2……………58

4.2.3.1 Medición del tiempo de reverberación…………………………58

4.3 MEDICIONES DE VELOCIDAD DE PARTÍCULA…………………………61

4.4 MEDICIONES ACÚSTICAS ADICIONALES ………………………………64

5 RESULTADOS………………………………………………………………………72

5.1 RESULTADOS DEL ESTÁNDAR ISO 3744………………………………….72

5.1.1 Niveles de presión y de ruido de fondo………………………………72

5.1.2 Niveles de presión de superficie, niveles de presión de ruido,

correcciones y niveles de potencia……………………………………73

5.2 NIVELES DE VELOCIDAD DE PARTÍCULA (TECNOLOGÍA

MICROFLOWN)…………………………………………………………………81

5.2.1 Espectrogramas de velocidad de partícula……………………………81

5.2.2 Holografías de velocidad de partícula…………………………………85

5.3 MODELO DE VÍAS DE TRANSMISIÓN………………………………………86

5.4 MEDICIONES ACÚSTICAS ADICIONALES…………………………………89

6 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN…………………………..………………………………96

6.1 ESTÁNDAR ISO 3744…………………………………………………………96

6.2 MEDICIONES DE VELOCIDAD DE PARTÍCULA (TECNOLOGÍA

MICROFLOWN)……………………………………………………101

6.3 CORRESPONDENCIA ENTRE ESPECTROS DE POTENCIA Y

VELOCIDAD DE PARTÍCULA………………………………….106

6.4 MODELO DE VÍAS DE TRANSMISIÓN…………………………………….108

6.5 MEDICIONES ACÚSTICAS ADICIONALES…………….…………………110

7 CONCLUSIONES…………………………………………………………………114

REFERENCIAS…………………………………………………………………………117

ANEXOS……………………………………...…………………………………………120

A. NIVELES DE PRESIÓN Y RUIDO DE FONDO NORMA ISO 3744….121

7

B. ESPECTROGRAMAS DE VELOCIDAD DE PARTÍCULA…………….129

C. HOLOGRAFÍAS DE VELOCIDAD DE PARTÍCULA……………………141

D. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS REFRIGERADORES..….205

E. FICHA TÉCNICA DEL INSTRUMENTAL………………………………..210

F. CERTIFICADOS DE CALIBRACIÓN DE EQUIPOS…………...………220

8

RESUMEN

Mediante la evaluación de técnicas de medición de potencia acústica

estandarizadas (ISO 3744) y de la tecnología Microflown se cuantificó el nivel de

ruido e identificaron los principales mecanismos generadores de sonido en la serie

de electrodomésticos ASSENTO de la compañía HACEB. Un análisis de los

resultados obtenidos tras la medición de las variables acústicas y la localización

de las fuentes de ruido en los refrigeradores de la línea descrita, posibilitó

demostrar cuál es la técnica más conveniente que debería emplear un posible

dispositivo viable provisto para la caracterización acústica de los

electrodomésticos HACEB en la planta de producción.

El estándar internacional basado en presión ISO 3744 y el método de la tecnología

Microflown, basado en la sonda tipo p-u (presión – velocidad de partícula), se

aplicó a los refrigeradores en estudio para la determinación de los niveles de

potencia sonora. Los resultados de estas mediciones y otras adicionales se

compararon y discutieron con el fin de esclarecer su conveniencia para la

cuantificación del ruido en el entorno donde se ensamblan los electrodomésticos

en cuestión.

Para la localización de las fuentes o mecanismos generadores de ruido, se

adelantaron mediciones de velocidad de partícula sobre las superficies de los

refrigeradores. Identificar las superficies vibrantes de las neveras y las fuentes

puntuales de sonido, permitió proponer un modelo de vías de trasmisión, que en

conjunto a la cuantificación del ruido, aportaron información útil que posibilitan

eventuales medidas de control que mitiguen la emisión ruidosa de los

refrigeradores.

9

INTRODUCCIÓN

El ruido es un fenómeno auditivo molesto que según la Organización Mundial de la

Salud, en el aparatado de temas de salud, puede atentar negativamente contra la

integridad física y mental de los seres humanos, siendo causa posible de

enfermedades cardiovasculares, insomnio, estrés, fatiga, pérdida de la

concentración y disminución del rendimiento en entornos laborales y escolares

(Organización Mundial de la Salud). Atendiendo a la inconformidad que varios de

los usuarios de refrigeradores de la línea ASSENTO de la marca HACEB han

presentado ante el ruido que éstos emiten durante su funcionamiento regular, y en

congruencia con lo descrito en el párrafo anterior, el fabricante se ha interesado en

cuantificar los niveles de ruido emitidos por sus refrigeradores y en caracterizar de

manera integral la forma en que éstos radian sonido, con el fin de implementar

eventuales medidas de control.

Algunas compañías afines a la industria de bienes manufacturados,

electrodomésticos y automotores ya se han dado a la tarea de estudiar la

propagación de ruido en los bienes que producen, o bien, en la maquinaria que

emplean para su elaboración [2-4]. Para tales fines en este caso particular, se

implementaron métodos de medición de potencia acústica que arrojan los niveles

de energía radiada por las neveras en cada banda de frecuencia de tercio de

octava, así como el empleo de la tecnología Microflown para la identificación de

aquellas superficies que puedan estar vibrando y comportándose como fuentes de

ruido. (Ochoa, 2011; Tijs & de Bree, Mapping 3D sound intensity streamlines in a

car interior, 2009; Tijs, de Bree, & Büsow, P-U sound power measurements on

large turbo machinery equipment, 2009)

Tras haber determinado los niveles de potencia sonora y localizar los mecanismos

de sonido presentes en los electrodomésticos bajo entornos acústicos controlados,

es propone un modelo de vías de transmisión, el cual, mediante una diagramación

10

simple y entendible, incluso para personas que no tienen conocimientos en

acústica y vibraciones, ilustra el fenómeno propagativo del sonido a través del aire

y de los componentes estructurales y funcionales de los electrodomésticos bajo

evaluación.

Mediciones acústicas adicionales en entornos y con fuentes controladas

permitieron una evaluación de los métodos empleados en el proyecto,

posibilitando comparaciones entre ellos y un análisis de sus ventajas, desventajas,

limitantes, alcances y versatilidad, señalando a la tecnología Microflown como la

más conveniente para la caracterización integral de fuentes de ruido en ambientes

de producción típicos.

11

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Medidas físicas ISO 3744 para cada refrigerador sobre un plano reflectante…………………………………………………………………………………55

Tabla 2. Medidas físicas ISO 3744 para cada refrigerador sobre dos planos reflectantes……………………………………………………………………….………56

Tabla 3. Medidas físicas ISO 3744 para la primera medición en interiores con fuente controlada………………………………………………………………………...66

Tabla 4. Medidas físicas ISO 3744 para la segunda medición en interiores con fuente controlada……….……………….…………………………………………….…68

Tabla 5. Resultados del estándar ISO 3744 sobre un plano reflectante. Nevera AS220L. ………………………………………………………………………………..…74

Tabla 6. Resultados del estándar ISO 3744 sobre un plano reflectante. Nevera AS300L. …………………………………………………………………………………..75

Tabla 7. Resultados del estándar ISO 3744 sobre un plano reflectante. Nevera AS420L. …………………………………………………………………………………..76

Tabla 8. Resultados del estándar ISO 3744 sobre dos planos reflectantes. Nevera AS220L. …………………………………………………………………………………..77

Tabla 9. Resultados del estándar ISO 3744 sobre dos planos reflectantes. Nevera AS300L. …………………………………………………………………………………..78

Tabla 10. Resultados del estándar ISO 3744 sobre dos planos reflectantes. Nevera AS420L. …………………………………………………………………………79

Tabla 11. Niveles totales de potencia de los refrigeradores bajo el estándar ISO 3744 sobre uno y dos planos reflectantes…………………………………………….80

Tabla 12. Niveles de velocidad de partícula para las frecuencias críticas por sectores. Nevera AS220L. ……………………………………………………………..82

Tabla 13. Niveles de velocidad de partícula para las frecuencias críticas por sectores. Nevera AS300L. ……………………………………………………………..83

Tabla14. Niveles de velocidad de partícula para las frecuencias críticas por sectores. Nevera AS420L. ……………………………………………………………..83

12

Tabla 15. Niveles de potencia acústica para la fuente controlada en interiores mediante los métodos de la ISO 3744 y la tecnología Microflown…………..…..…93

Tabla 16. Niveles de potencia acústica para la fuente controlada en interiores sobre la superficie de medición pequeña y grande, método ISO 3744 y tecnología Microflown. …………………………………………………………………………….…94

Tabla 17. Niveles de ruido de fondo en el entorno de la línea de control de calidad HACEB…..……………………………………………………………………………..…95

Tabla A1. Niveles de presión sonora sobre un plano reflectante nevera AS220L…………………………………………………………………………………..121



Tabla A4. Niveles de presión sonora sobre dos planos reflectantes nevera AS220L. …………………………………………………………………………………124

Tabla A5. Niveles de presión sonora sobre dos planos reflectantes nevera AS300L…………………………………………………………………………………..125

Tabla A6. Niveles de presión sonora sobre dos planos reflectantes nevera AS420L...………………………………………………………………………………..126

Tabla A7. Niveles de ruido de fondo Estudio B. ………………………..…………..127

Tabla A8. Tiempos de reverberación por bandas de tercio de octava. Estudio A y Estudio B. ……………………………………………………………………...……….128

Tabla D1. Especificaciones refrigerador ASSENTO 220 litros……………………206

Tabla D2. Especificaciones refrigerador ASSENTO 300 litros……………………207

Tabla D3. Especificaciones refrigerador ASSENTO 420 litros……………...…….209

13

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Fig. 1. Ilustración del concepto de intensidad y potencia acústica…………………24

Fig. 2. Sondas p-p y p-u ultrasónica………………………………………………...…28

Fig.3 Cajas de referencia para uno y dos planos reflectantes……………………...31

Fig. 4. Distribución de los puntos de medición para las superficies imaginarias paralelepípedas. …………………………………………………………………………34

Fig. 5. Sensor p-u Microflown. …………………………………………………………36

Fig. 6. Gradiente de temperatura entre los alambres de platino……………………36

Fig. 7. Patrón polar sensor velocidad de partícula Microflown y error en las mediciones de intensidad como función del desfase entre las variables de presión y velocidad de partícula.…………………………………..…………………………….37

Fig. 8. Ilustración del proceso de discretización espacial .…………………..……...40

Fig. 9 Refrigeradores de la línea ASSENTO estudiados .…………………………..46

Fig. 10. Distribución de componentes externos de los refrigeradores ASSENTO. Sección frontal.……………………...…………………………………………………...47

Fig. 11. Distribución de componentes externos de los refrigeradores ASSENTO. Sección posterior. ……………………………………………………………………….47

Fig. 12. Termostato de las neveras de 220 y 300 litros. ……………………………48

Fig. 13. Control electrónico de temperatura para el refrigerador de 420 litros……49

Fig. 14. Estudio A. Coberturas de las superficies internas y aspecto del lugar…..50

Fig. 15. Vista en planta del estudio A, localización de paneles y de la fuente para la toma de datos. …………………………………………………………………………..51

Fig. 16. Estudio B. Coberturas de las superficies internas y aspecto del lugar…..52

Fig. 17. Vista en planta del estudio B, localización de paneles y de los refrigeradores para la toma de datos. ………………………………………………...53

Fig. 18. Mediciones de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744……………..57

Fig.19. Posición de micrófonos y fuente para la medición de tiempo de reverberación en la sala difusa del Estudio B. ……………………………………….59

14

Fig. 20. Posición de micrófonos y fuente para la medición de tiempo de reverberación en la sala de grabación del Estudio A. ………………………………60

Fig. 21. Sectorización de las caras de los refrigeradores para las mediciones de velocidad de partícula. ……………………………………………………………….…62

Fig. 22. Mediciones de velocidad de partícula con la sonda Microflown y el software Scan&Paint. …………………………………………………………………...64

Fig. 23. Arreglo experimental para la medición de potencia mediante la sonda p-u Microflown en exteriores. ………………………………………………………………65

Fig. 24. Mediciones acústicas adicionales. ……………………………………….68-69

Fig.25. Niveles de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744 sobre un plano reflectante. Nevera AS220L…………………………………………………………….74

Fig. 26 Niveles de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744 sobre un plano reflectante. Nevera AS300L. …………………………………………………………...75

Fig. 27. Niveles de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744 sobre un plano reflectante. Nevera AS420L. …………………………………………………………...76

Fig. 28 Niveles de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744 sobre dos planos reflectantes. Nevera AS220L. ………………………………………………………….77

Fig. 29. Niveles de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744 sobre dos planos reflectantes. Nevera AS300L…………………………………………………………..78

Fig. 30. Niveles de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744 sobre dos planos reflectantes. Nevera AS420L. …………………………………………………………79

Fig.31. Niveles totales de potencia acústica sobre uno y dos planos reflectantes.80

Fig. 32. Niveles de velocidad de partícula para las frecuencias críticas por sectores. NeveraAS220L. ………………………………………………………………84

Fig.33. Niveles de velocidad de partícula para las frecuencias críticas por sectores. Nevera AS300L. …………………………………………………………………………84

Fig.34. Niveles de velocidad de partícula para las frecuencias críticas por sectores. Nevera AS420L. …………………………………………………………………………85

Fig. 35. Modelo de vías de transmisión de los refrigeradores ASSENTO…………87

Fig. 36. Ventilador del congelador. ……………………………………………………88

Fig. 37. Conjunto funcional: compresor, bandeja recolectora y filtro secador…….88

15

Fig. 38. Niveles de potencia acústica tecnología Microflown. Nevera AS300L…...90

Fig. 39. Niveles de potencia acústica para la primera medición con fuente controlada en interiores mediante los métodos de la ISO 3744 y la tecnología Microflown………………………………………………………………………………..90

Fig. 40. Niveles de potencia acústica para la segunda medición con fuente controlada en interiores, superficie de medición grande, método ISO 3744 y tecnología Microflown. ………………………………………………………………….91

Fig. 41. Niveles de potencia acústica para la segunda medición con fuente controlada en interiores, superficie de medición pequeña, método ISO 3744 y tecnología Microflown. ………………………………………………………………….91

Fig. 42. Niveles de potencia acústica para la fuente controlada en interiores, superficie de medición pequeña y pequeña, método tecnología Microflown……..92

Fig. 43. Niveles de ruido de fondo en el entorno de la línea de control de calidad HACEB. …………………………………………………………………………………..92

Figura A1. Tiempos de reverberación por bandas de tercio de octava Estudio A y B………………………………………………………………………………………….128

Fig. B1. Espectrogramas velocidad de partícula cara FRONTAL nevera AS220L………………………………………………………………………………….129

Fig. B2. Espectrogramas velocidad de partícula cara DERECHA nevera AS220L………………………………………………………………………………….130

Fig. B3. Espectrogramas velocidad de partícula cara POSTERIOR nevera AS220L. …………………………………………………………………………………131

Fig. B4. Espectrogramas velocidad de partícula cara IZQUIERDA nevera AS220L…………………………………………………………………………………..132

Fig. B5. Espectrogramas velocidad de partícula cara FRONTAL nevera AS300L…………………………………………………………………………………..133

Fig. B6. Espectrogramas velocidad de partícula cara DERECHA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..134


Fig. B8. Espectrogramas velocidad de partícula cara IZQUIERDA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..136

16

Fig. B9. Espectrogramas velocidad de partícula cara FRONTAL nevera AS420L…………………………………………………………………………………..137

Fig. B10. Espectrogramas velocidad de partícula cara DERECHA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..138


Fig. B12. Espectrogramas velocidad de partícula cara IZQUIERDA nevera AS420L. …………………………………………………………………………………140

Fig. C1. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara FRONTAL nevera AS220L. …………………………………………………………………………………141

Fig. C2. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara DERECHA nevera AS220L. …………………………………………………………………………………142

Fig. C3. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara POSTERIOR nevera AS220L…………………………………………………………………………………..143

Fig. C4. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara IZQUIERDA nevera AS220L…………………………………………………………………………………..144

Fig. C5. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara FRONTAL nevera AS220L…………………………………………………………………………………..145

Fig. C6. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara DERECHA nevera AS220L………………………………………………………………………………..…146

Fig. C7. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara POSTERIOR nevera AS220L…………………………………………………………………………..………147

Fig. C8. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara IZQUIERDA nevera AS220L………………………………………………………………………………..…148


Fig. C10. Holografía velocidad de partícula a 199,2Hz cara DERECHA nevera AS220L………………………………………………………………………………..…150

Fig. C11. Holografía velocidad de partícula a 199,2Hz cara POSTERIOR nevera AS220L…………………………………………………………………………………..151

Fig. C12. Holografía velocidad de partícula a 199,2Hz cara IZQUIERDA nevera AS220L…………………………………………………………………………………..152

17

Fig. C13. Holografía velocidad de partícula a 205,1Hz cara FRONTAL nevera AS220L………………………………………………………………………………..…153

Fig. C14. Holografía velocidad de partícula a 205,1Hz cara DERECHA nevera AS220L……………………………………………………………………………..……154




Fig. C18. Holografía velocidad de partícula a 210,9Hz cara DERECHA nevera AS220L…………………………………………………………………………………..158

Fig. C19. Holografía velocidad de partícula a 210,9Hz cara POSTERIOR nevera AS220L………………………………………………………………………………..…159




Fig. C23. Holografía velocidad de partícula a 240,2Hz cara POSTERIOR nevera AS220L………………………………………………………………………………..…163


Fig. C25. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara FRONTAL nevera AS300L……………………………………………………………………………..……165

Fig. C26. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara DERECHA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..166

Fig. C27. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara POSTERIOR nevera AS300L………………………………………………………………………………..…167

Fig. C28. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara IZQUIERDA nevera AS300L………………………………………………………………………………….168

18





Fig. C33. Holografía velocidad de partícula a 210Hz cara FRONTAL nevera AS300L…………………………………………………………………………………..173

Fig. C34. Holografía velocidad de partícula a 210Hz cara DERECHA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..174

Fig. C35. Holografía velocidad de partícula a 210Hz cara POSTERIOR nevera AS300L…………………………………………………………………………………..175

Fig. C36. Holografía velocidad de partícula a 210Hz cara IZQUIERDA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..176

Fig. C37. Holografía velocidad de partícula a 240Hz cara FRONTAL nevera AS300L…………………………………………………………………………………..177

Fig. C38. Holografía velocidad de partícula a 240Hz cara DERECHA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..178

Fig. C39. Holografía velocidad de partícula a 240Hz cara POSTERIOR nevera AS300L…………………………………………………………………………………..179

Fig. C40. Holografía velocidad de partícula a 240Hz cara IZQUIERDA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..180

Fig. C41. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara FRONTAL nevera AS420L…………………………………………………………………………………..181

Fig. C42. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara DERECHA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..182


Fig. C44. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara IZQUIERDA nevera AS420L…………………………………………………………………………..………184

19


Fig. C46. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara DERECHA nevera AS420L………………………………………………………………………………….186



Fig. C49. Holografía velocidad de partícula a 175.8Hz cara FRONTAL nevera AS420L…………………………………………………………………………………..189

Fig. C50. Holografía velocidad de partícula a 175.8Hz cara DERECHA nevera AS420L………………………………………………………………………………..…190


Fig. C52. Holografía velocidad de partícula a 175.8Hz cara IZQUIERDA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..192









20




Fig. C64.Holografía velocidad de partícula a 240,2Hz cara IZQUIERDA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..204

Fig. D1. Aspecto exterior e interior de la nevera AS220L………………………….205



Fig. E1. Sonómetro integrador CESVA SC310……………………………………..211

Fig. E2. Calibrador Clase 1 CB006…………………………………………………..212

Fig. E3. Micrófono de medición dbX RTA-M………………………………………..213

Fig. E4. Sensibilidad y fase del micrófono de la sonda Microflown………………214

Fig. E5. Respuesta en frecuencia y fase del sensor Microflown………………….214

Fig.E6. Acondicionador de señal MFSC-2…………………………………………..215

Fig. E7. Interfaz MFDAQ-2…………………………………………………………….216

Fig. E8. Parlante Mackie HR824……………………………………………………..218

Fig. E9. Consola TAPCO………………………………………………………………218

Fig. E10. Cámara Web 720hp HD Genius…………………………………………..219

21

1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL

Evaluar los métodos de estimación de potencia sonora basados en presión y en el

uso de la sonda p-u Microflown para la caracterización acústica de los

electrodomésticos de la línea ASSENTO de HACEB.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Obtener los niveles de potencia acústica de la serie de neveras ASSENTO de

la marca HACEB por medio del método estandarizado ISO 3744 basado en la

presión sonora.

Estimar los niveles de potencia acústica de la serie de neveras ASSENTO de

la marca HACEB por medio de los datos de intensidad obtenidos mediante la

sonda p-u Microflown.

Analizar los niveles de velocidad de partícula en los refrigeradores ASSENTO

de la marca HACEB por medio de la sonda Microflown para la identificación de

las principales fuentes de ruido.

Analizar los resultados de las mediciones previas y los métodos de potencia

para proponer de un modelo de vías de transmisión.

22

2. MARCO TEÓRICO

La determinación de los niveles de potencia acústica y velocidad de partícula de

una serie de electrodomésticos dedicados a la refrigeración hace parte de los

alcances de este trabajo. En la presente sección se expone la teoría relevante

relacionada con potencia, intensidad acústica y velocidad de partícula así como

algunos métodos empleados para su medición.

2.1 INTENSIDAD Y POTENCIA ACÚSTICA

La intensidad (𝐼) de una onda de sonido es el promedio temporal de la razón a la

que se transmite energía a través de la unidad de área normal a la dirección de

propagación, y está definida como el valor promediado en el tiempo de la

intensidad instantánea 𝐼(𝑡),

𝐼(𝑡) = 𝑝(𝑡)�⃗⃗�(𝑡) (1)

𝐼 =1

𝑇∫ 𝐼(𝑡)𝑑𝑡

𝑇

0=

1

𝑇∫ 𝑝(𝑡)�⃗⃗�(𝑡) 𝑑𝑡

𝑇

0 (2)

donde 𝑇 es el período de una onda de una frecuencia única o la duración de un

evento impulsivo o una variable que tiende a infinito en el caso de ondas no

periódicas como el ruido, 𝑝(𝑡) es la presión sonora instantánea y �⃗⃗�(𝑡) la velocidad

de partícula instantánea del fluido. La intensidad se expresa en Watts por metro

cuadrado (𝑊/𝑚2). (Kinsler, Frey, Coopens, & Sanders, 2000), (Fahy, 1995),

(Blackstock, 2000), (ISO(9614-1), 1993), (ISO(9614-2), 1996)

Para una onda plana armónica que se desplaza en sentido positivo o negativo de

la abscisas, se cumple que

𝐼 = ±𝑃𝑟𝑚𝑠

2

2𝜌0𝑐 (3)

23

donde 𝑃𝑟𝑚𝑠2 es la presión cuadrática media (rms), 𝜌0 es la densidad media en

equilibrio del aire, y 𝑐 la velocidad de propagación del sonido en el aire (Kinsler,

Frey, Coopens, & Sanders, 2000).En general, el símbolo 𝐼 se utiliza para denotar

la magnitud signada de la intensidad 𝐼. El signo es una indicación del sentido

direccional y está determinado por la selección de un marco de referencia o la

dirección positiva del flujo de energía (ISO(9614-2), 1996).

La intensidad acústica también puede entenderse como la potencia sonora

disipada en la unidad de superficie, ya que la potencia sonora 𝑊, se define como

la energía acústica radiada por una fuente en la unidad de tiempo (Blackstock,

2000; Harris, 1995). Su unidad es el Watt y puede expresarse como la integral de

la intensidad sobre una superficie 𝑆:

𝑊 = ∫ 𝐼𝑑𝑆𝑠

(4).

Esta forma de expresar la potencia, según lo refleja el concepto de la integral de

superficie, considera la suma de las contribuciones de intensidad normales a cada

porción de área infinitesimal.

El caso particular de las ondas planas permite expresar una relación más simple

para estas magnitudes:

𝑊 = 𝐼𝑆 (5).

Similarmente, la propagación esférica admite particularizar la ecuación (5),

obteniendo una expresión sencilla que relaciona potencia e intensidad

𝑊 = 4𝜋𝑟2𝐼 (6)

donde 𝑟 es el radio de la superficie esférica que envuelve a la fuente (Blackstock,

2000).

24

Fig. 1. Ilustración del concepto de intensidad y potencia acústica expuesto en la ecuación

(6).Imagen adaptada de (Universidad de Southampton).

La Figura 1 puede ayudar a comprender mejor el concepto expuesto en la

ecuación (6) y en general, el de potencia e intensidad acústica. En ésta Figura se

observa una fuente puntual, que radia sonido en todas direcciones encerrada en

una superficie imaginaria esférica. Si se conoce la potencia de la fuente 𝑊, la

intensidad puede calcularse resolviendo (6) para 𝐼. El efecto de incrementar el

radio de la esfera, y por ende, su superficie total, produce una disminución de la

intensidad acústica. Esto tiene sentido, ya que la potencia de la fuente, la cual es

invariable, debe disiparse en un área mayor. Si se desconoce la potencia pero se

sabe la intensidad disipada en la superficie que rodea la fuente, ésta puede

estimarse según se plantea en la ecuación (4).

2.2 NIVELES SONOROS

Las variables acústicas oscilan típicamente en un amplio rango de valores, de

hasta 12 órdenes de magnitud. Para facilitar su manejo, suele emplearse una

escala logarítmica. La medida logarítmica de las variables acústicas se conoce

como nivel sonoro. Algunos de los niveles sonoros que se trabajan

Superficie esfera imaginaria

Intensidad en la superficie esférica

Fuente de potencia

25

frecuentemente son el nivel de presión sonora (𝐿𝑝), el nivel de intensidad sonora

(𝐿𝐼), el nivel de potencia sonora (𝐿𝑊) y el nivel de velocidad de partícula (𝐿𝑢),

definidos así:

𝐿𝑝 = 20𝐿𝑜𝑔10 (𝑃𝑟𝑚𝑠

𝑃𝑟𝑒𝑓) (7)

𝐿𝐼 = 10𝐿𝑜𝑔10 (𝐼

𝐼𝑟𝑒𝑓) (8)

𝐿𝑊 = 10𝐿𝑜𝑔10 (𝑊

𝑊𝑟𝑒𝑓) (9)

𝐿𝑢 = 20𝐿𝑜𝑔10 (𝑢

𝑢𝑟𝑒𝑓) (10) 1

donde 𝑃𝑟𝑒𝑓 = 20𝜇𝑃𝑎, 𝐼𝑟𝑒𝑓 = 10−12𝑊/𝑚2, 𝑊𝑟𝑒𝑓 = 10

−12𝑊 𝑦 𝑢𝑟𝑒𝑓 = 50𝑛𝑚/𝑠 , son los

valores de referencia de cada nivel sonoro (Kinsler, Frey, Coopens, & Sanders,

2000; Blackstock, 2000; de Bree H. E., Microflown E-book).

2.3 MEDIDAS DE LA INTENSIDAD Y POTENCIA SONORA

Para cuantificar o caracterizar el ruido que emite una fuente es usual medir

cualquiera de las cuatro magnitudes acústicas de la sección anterior: presión,

intensidad, potencia o velocidad de partícula. Sin embargo, la dependencia que la

presión y la intensidad tienen con las variables espaciales limita la información que

brindan por sí solas respecto a los niveles de emisión de la fuente. La potencia

1 Siempre que se haga referencia a un logaritmo en base diez, se empleará en este escrito la notación 𝐿𝑜𝑔10

26

acústica, por el contrario, es una cantidad escalar independiente de la distancia,

que representa la energía que la fuente en cuestión radia al medio circundante.

Como no existe un instrumento para cuantificarla directamente, ésta puede

estimarse a partir de instrumentos sensibles a la presión acústica tales como el

sonómetro o las sondas de intensidad tipo p-p (presión-presión). Estos últimos

(Fig. 2(a)) están constituidos por un par de micrófonos de condensador

omnidireccionales, enfrentados cierta distancia (∆𝑟) y funcionan sobre la relación

entre la velocidad de partícula �⃗⃗�(𝑡), y el gradiente de presión, o la razón a la que

cambia la presión instantánea respecto a la distancia, 𝜕𝑝(𝑡)

𝜕𝑟:

�⃗⃗�(𝑡) = −1

𝜌0∫

𝜕𝑝(𝑡)

𝜕𝑟𝑑𝑡 (10)

donde 𝜌0 es la densidad del aire (Harris, 1995). El gradiente de presión puede

aproximarse mediante la diferencia finita, que permite estimar dicho gradiente a

partir de la medida de la presión en dos micrófonos enfrentados separados una

distancia conocida, ∆𝑟:

𝜕𝑝(𝑡)

𝜕𝑟≅

𝑃𝐵−𝑃𝐴

∆𝑟=

∆𝑝

∆𝑟 (11)

donde 𝑃𝐴 y 𝑃𝐵 son las presiones en micrófono A y B respectivamente (Fig. 2(b)). Si

además, la presión instantánea se determina como el promedio de la presión

medida en cada micrófono,

𝑝(𝑡) =(𝑃𝐵+𝑃𝐴)

2 (12)

la expresión (2) para la intensidad puede resolverse en términos de la presión en

cada micrófono y la distancia conocida entre ellos, una vez se sustituyan los

valores de �⃗⃗�(𝑡) y 𝑝(𝑡) dados en las ecuaciones (10) y (12):

𝐼 =1

𝑇∫ 𝑝(𝑡)�⃗⃗�(𝑡) 𝑑𝑡

𝑇

0= −

1

2𝑇∫ [(𝑃𝐵 + 𝑃𝐴) (

1

𝜌∆𝑟) ∫(𝑃𝐵 − 𝑃𝐴)𝑑𝑡] 𝑑𝑡

𝑇

0 (13).

27

Esta equivalencia para la intensidad que usan las sondas de tipo p-p, hacen de

este instrumento uno de los más utilizados en la estimación de los niveles de

intensidad de una fuente de ruido, como un paso previo para determinar la

potencia total radiada (Harris, 1995). Sin embargo, presentan el inconveniente de

la aproximación por diferencia finita y fuentes de error debido a la difracción y

difusión por el carácter masivo de los micrófonos (generalmente de media pulgada

de diámetro), posibles pérdidas de fase entre los micrófonos y valores elevados

del índice presión – intensidad, además de limitaciones en el rango de frecuencia

para el que se obtienen resultados precisos. (de Bree H. E., Microflown E-book;

Jacobsen & de Bree, Intensity-based sound power determination under adverse

sound fiels conditions: p-p probes versus p-u probes, 2005; Jacobsen & de Bree, A

comparison of p-p and p-u sound intensity measurement systems, 2004; Jacobsen

& de Bree, A comparison of two different sound intensity measurement principles,

2005).

Otro tipo de sondas empleadas en la medición de la intensidad acústica son las de

presión-velocidad de partícula o tipo p-u. Algunas de estas utilizan sensores

ultrasónicos y el principio del efecto Doppler para medir directamente la velocidad

de partícula en el medio de transmisión, según se explica en Fahy (Sound

Intensity, 1995) y Harris (Manual de medidas acústicas y control de ruido, 1995).

Básicamente, estos dispositivos (Figs. 2 (c) y 2(d)) basados en ultrasonido y efecto

Doppler, comprenden dos rayos paralelos ultrasónicos que son disparados en

sentido contrario a un par de receptores. El tiempo que toma el viaje del emisor al

receptor es lineal y proporcional a la velocidad de propagación del sonido. Cuando

el aire se mueve, debido al viaje de una perturbación acústica (velocidad de

partícula), este movimiento debe añadirse a la velocidad de propagación. La

diferencia de señal de las ondas ultrasónicas es proporcional a la velocidad de

partícula. La necesidad de tener dos rayos ultrasónicos radica en evitar las

cambios de temperatura debidos a las variaciones de presión en el campo sonoro

28

(que incrementan la sensibilidad de la presión) y en poder identificar la dirección

de esta cantidad vectorial (Harris, 1995; de Bree H. E., Microflown E-book).

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 2. Sondas p-p y p-u ultrasónica. (a) Aspecto de la sonda p-p. (b) Detalle de los micrófonos

enfrentados separados una distancia ∆𝑟. (c) Esquema ilustrativo sonda ultrasónica tipo p-u. La

velocidad de los rayos ultrasónicos en el aire 𝑐, se ve aumentada (𝑐 + 𝑢) o disminuida (𝑐 − 𝑢) por la

velocidad de las partículas. La señal diferencial de los receptores es proporcional a la velocidad de

partícula. (d) Aspecto de la sonda ultrasónica tipo p-u. Imágenes tomadas de Harris y de Bree (de

Bree H. E., Microflown E-book; Harris, 1995; Direct Industry, 2014).

Mic. A ∆𝑟

Mic. B

29

Las normas del estándar internacional aplicadas para la determinación de los

niveles de potencia acústica y el método no estandarizado de la tecnología

Microflown, el cual se explica más adelante, hacen uso de la teoría descrita

previamente e incluyen ciertas definiciones pertinentes para los propósitos de las

mismas. A continuación se exponen, para el caso de la norma estandarizada, las

definiciones relevantes.

2.3.1 ISO 3744:1994. Determinación de los niveles de potencia acústica de

fuentes de ruido mediante el uso de la presión sonora en un campo

esencialmente libre y sobre uno o más planos reflectantes.

Este estándar especifica un método de medición de la potencia acústica radiada

por una fuente que está en un campo esencialmente libre, cerca de uno o más

planos reflectantes, partiendo de los niveles de presión acústica medidos sobre

una superficie imaginaria que envuelve a la fuente de ruido (ISO(3744), 1994).

Algunos conceptos necesarios para la adecuada interpretación del procedimiento

de medida y estimación de los resultados de potencia contenidos en este trabajo,

se mencionan a continuación. Cada una de estas definiciones se ha extraído del

estándar en cuestión. La notación que se presenta tras cada definición será la

misma que se emplee para la presentación de resultados.

Nivel de presión sonora promediado en el tiempo (𝑳𝒑𝒆𝒒,𝑻): nivel de presión

sonora de un sonido estacionario continuo que, tras una medición en un intervalo

de tiempo 𝑇, tiene la misma presión sonora cuadrática media que el sonido bajo

consideración, el cual varía en el tiempo

𝐿𝑝𝑒𝑞,𝑇 = 10𝐿𝑜𝑔10 (1

𝑇∫ 100,1𝐿𝑝(𝑡)

𝑇

0𝑑𝑡) (𝑑𝐵) (14)

𝐿𝑝𝑒𝑞,𝑇 = 10𝐿𝑜𝑔10 (1

𝑇∫

𝑝2(𝑡)

𝑝02

𝑇

0𝑑𝑡) (𝑑𝐵) (15).

30

Caja de referencia: es una superficie hipotética la cual es el paralelepípedo

rectangular más pequeño que encierra a la fuente y que termina en uno o varios

planos reflectantes.

Dimensión característica de la fuente (𝒅𝟎): es la mitad de la longitud de la

diagonal de la caja comprendida por la caja de referencia y su imagen en un plano

reflectante adjunto (véase la Fig. 3). Para el caso de un plano reflectante, esta

viene dada por la expresión:

𝑑0 = √(𝑙1

2)

2

+ (𝑙2

2)

2

+ 𝑙32 (16).

Para dos planos reflectantes, la dimensión característica de la fuente viene dada

por:

𝑑0 = √(𝑙1

2)

2

+ 𝑙22 + 𝑙3

2 (17).

𝑙1, 𝑙2 𝑦 𝑙3 son las dimensiones (largo, ancho y alto) de la caja de referencia (Fig. 3).

Distancia de medición (𝒅): distancia perpendicular de la caja de referencia a la

superficie de medición.

Superficie de medición: superficie hipotética de área 𝑆 que envuelve a la fuente

y sobre la que se ubican los puntos de medición. La superficie de medición

termina en uno o más planos reflectantes.

31

(a) (b)

Fig.3 Cajas de referencia para uno (a) y dos (b) planos reflectantes. Imágenes tomadas de

(ISO(3744), 1994).

Para el caso de este estándar, la superficie de medición puede tener una

geometría semiesférica o paralelepípeda. La primera de éstas es conveniente

usarla en recintos grandes con bajos niveles de ruido de fondo y absorción

elevada. La segunda se recomienda para espacios más pequeños y bajo

condiciones acústicas desfavorables. Todas las mediciones realizadas en este

proyecto que se rigieron por este estándar se llevaron a cabo empleando

superficies imaginarias en forma de paralelepípedo. La distribución de los puntos

de medición para uno y dos planos reflectantes puede apreciarse en la figura 4.

El área de la superficie de medición paralelepípeda para un plano reflectante,

viene dada por la expresión:

𝑆 = 4(𝑎𝑏 + 𝑏𝑐 + 𝑐𝑎) (18)

mientras que para la superficie de medición paralelepípeda sobre dos planos

reflectantes, el área viene dada por:

𝑆 = 2(2𝑎𝑐 + 2𝑎𝑏 + 𝑏𝑐) (19)

donde

𝑎 = 0.5𝑙1 + 𝑑

32

𝑏 = 0.5𝑙2 + 𝑑

𝑐 = 𝑙3 + 𝑑

donde a su vez 𝑙1, 𝑙2 𝑦 𝑙3 son las dimensiones (largo, ancho y alto) de la caja de

referencia y 𝑑 la distancia de medición.

Nivel de presión sonora de superficie (𝑳′𝒑̅̅ ̅̅ ): es el nivel de presión sonora

promediado sobre la superficie de medición con la fuente en evaluación operando.

𝐿′𝑝̅̅ ̅̅ = 10𝐿𝑜𝑔10 (1

𝑁∑ 100,1𝐿

′𝑝𝑖𝑁

𝑖=1 ) (𝑑𝐵) (20)

donde 𝑁, es el número de puntos de medida sobre la superficie de medición y 𝐿′𝑝𝑖

es el nivel de presión sonora del i-ésimo punto de medida con la fuente en

operación.

Nivel de presión sonora de ruido (𝑳′′𝒑̅̅ ̅̅ ̅): es el nivel de presión sonora del ruido

de fondo del lugar de medición promediado sobre la superficie de medición.

𝐿′′𝑝̅̅ ̅̅ ̅ = 10𝐿𝑜𝑔10 (1

𝑁∑ 100,1𝐿

′′𝑝𝑖𝑁

𝑖=1 ) (𝑑𝐵) (21)

donde 𝑁, es el número de puntos de medida sobre la superficie de medición y 𝐿′′𝑝𝑖

es el nivel de presión sonora del ruido de fondo en la i-ésima posición de

micrófono.

Corrección por ruido de fondo (𝑲𝟏): es un término de corrección para tener en

cuenta la influencia del ruido de fondo en el nivel de presión sonora sobre la

superficie. Dicha corrección depende de la frecuencia y viene dada por la siguiente

ecuación:

𝐾1 = −10𝐿𝑜𝑔10(1 − 10−0,1∆𝐿) (𝑑𝐵) (22)

donde

∆𝐿 = 𝐿′𝑝̅̅ ̅̅ − 𝐿′′𝑝̅̅ ̅̅ ̅ (23)

33

Para los casos en que ∆𝐿 > 15dB la corrección no aplica. Para los valores de ∆𝐿

comprendidos entre 6dB y 15dB la corrección debe aplicarse según la ecuación

(22). Si llegase a presentarse una situación en la cual la diferencia del nivel de

presión de superficie no supera en al menos 6dB el ruido de fondo, el grado de

precisión de los resultados no es el garantizado por el estándar. El máximo valor

para la corrección de ruido de fondo aplicable según esta norma es de 1,3dB.

Corrección ambiental (𝑲𝟐): es un término de corrección para tener en cuenta la

influencia del sonido reflejado o absorbido sobre el nivel de presión sonora de

superficie. Existen varias formas de determinar el valor de esta corrección, los

cuales pueden verse en detalle en el Anexo A del estándar ISO 3744:1994

(ISO(3744), 1994). La expresión para los métodos basados en la absorción del

cuarto depende del área de la superficie de medición 𝑆, y el área de absorción

equivalente del recinto 𝐴

𝐾2 = 10𝐿𝑜𝑔10 (1 + 4 (𝑆

𝐴)) (𝑑𝐵) (24).

Esta corrección puede omitirse cuando la norma se aplica en ambientes semi-

anecoicos o en exteriores, con la fuente sobre un plano reflectante liso, sin

presencia de objetos reflectantes a una distancia de al menos tres veces la

distancia más grande del centro de la fuente al punto de medición más bajo. En

cuartos ordinarios, el ambiente de medición debe proveer un campo libre

aproximadamente sobre uno o más planos reflectantes. El máximo valor de la

corrección ambiental que garantiza el grado de precisión del estándar en cuestión

es de 2dB.

Nivel de presión sonora de superficie corregido (𝑳𝒑𝒇̅̅ ̅̅̅): determina el nivel de

presión sonora de la superficie de medición aplicando la corrección ambiental y de

ruido de fondo por medio de la expresión

𝐿𝑝𝑓̅̅ ̅̅̅ = 𝐿′𝑝̅̅ ̅̅ − 𝐾1 − 𝐾2 (25).

34

(a)

(b)

Fig. 4. Distribución de los puntos de medición para las superficies imaginarias paralelepípedas.

(a) Un plano reflectante (b). Dos planos reflectantes .Imágenes tomadas de (ISO(3744), 1994).

35

Nivel de potencia acústica (𝑳𝑾): bajo el modelo propuesto por este estándar,

basado en los niveles de presión, el nivel de potencia sonora se calcula

sumándole al nivel de presión sonora de superficie corregido, diez veces el

logaritmo en base diez del área de la superficie de medición empleada:

𝐿𝑊 = 𝐿𝑝𝑓̅̅ ̅̅̅ + 10𝐿𝑜𝑔10 (𝑆

𝑆0) (𝑑𝐵) (26)

donde 𝑆 es el área de la superficie de medición y 𝑆0 = 1𝑚2 es el área de

referencia.

2.3.2 Método de medición tecnología Microflown.

La tecnología Microflown implementa una sonda tipo p-u, la cual dispone, en un

mismo sensor, un pequeño micrófono de presión y un arreglo micrométrico de un

par de alambres de platino dispuestos de forma paralela que se calientan a 200ºC

aproximadamente (Fig. 5). El movimiento de las partículas del medio (velocidad de

partícula) incidiendo perpendicularmente al sensor, cambia la distribución de la

temperatura entre los alambres, pues uno de ellos se enfría más que el otro,

estableciendo así un gradiente de temperatura (Fig. 6). Este efecto varía la

resistividad eléctrica de los alambres dentro de un circuito electrónico adjunto, lo

que resulta en una variación de voltaje análoga a la velocidad de las partículas

(Raangs R., 2005; de Bree H. E., Microflown E-book). La facultad de este

dispositivo para medir simultáneamente la presión y la velocidad de partícula

posibilita medir directamente la intensidad acústica disipada por una fuente de

sonido a través de cierta superficie.

La direccionalidad del sensor coincide con la de un patrón polar de figura de ocho

debido al arreglo paralelo de los alambres de platino (Fig. 7(a)). Esto tiene

repercusiones en cuanto a su rendimiento como sensor de la variable acústica de

la velocidad de partícula, ya que no se verá mayormente afectado por las

36

contribuciones del ruido de fondo. Adicionalmente, la reflexión de una onda de

sonido sobre una superficie rígida, si bien aumenta el nivel de presión, disminuye

considerablemente el valor de la velocidad de partícula, lo que en conjunto con la

direccionalidad del dispositivo, aporta a que los efectos de fuentes ajenas no

afecten los resultados de una medición de esta variable para un emisor de interés.

(a) (b)

Fig. 5. Sensor p-u Microflown. (a) Sonda Microflown. (b) Arreglo micrométrico de los

alambres de platino (Derecha). Imágenes tomadas de de Bree (de Bree H. E., Microflown

E-book).

Fig. 6. Gradiente de temperatura entre los alambres de platino. El movimiento de las partículas

genera una gradiente de temperatura (∆𝑇) que transduce directamente la señal de velocidad de

partícula del campo. Imagen tomada de de Bree (de Bree H. E., Microflown E-book).

37

(a)

(b)

Fig. 7. (a)Patrón polar sensor velocidad de partícula Microflown (b) Error en las mediciones de

intensidad como función del desfase entre las variables de presión y velocidad de partícula Imagen

tomada de (Microflown, 2012)

Estas características y la capacidad de este instrumento para transducir

directamente la velocidad de partícula lo convierten en una herramienta de no

contacto para cuantificar vibraciones y localizar mecanismos generadores de ruido

38

más efectiva y accesible que los tradicionales acelerómetros y complejos sistemas

láseres. Las mediciones de velocidad de partícula en las cercanías de la superficie

de una fuente arrojan resultados para esta magnitud que coinciden con la

velocidad normal de superficie o velocidad estructural (de Bree H. E., Microflown

E-book; de Bree & Druyvesteyn, A particle velocity sensor to measure the sound

from a structure in the presence of background noise, 2005; Fernández

Comesaña, Steltenpool, Carrillo Pousa, de Bree, & R. Holland, 2013). Dicho de

otro modo, la velocidad a la que oscilan las partículas del aire que circunda las

cercanías de una fuente radiando sonido, coincide con la velocidad a la que vibran

las superficies de la misma. El procesamiento de señal en la plataforma de

software Scan&Paint, permite una visualización del campo de velocidad de

partícula sobre las superficies de las fuente, localizando de forma visual y también

auditiva las zonas vibrantes y fuentes de ruido.

Si bien este método no utiliza aproximaciones para medir la velocidad de partícula

ni presenta perturbaciones al campo por su tamaño, las medidas de intensidad

pueden verse afectadas por el carácter reactivo del campo acústico, en el cual la

presión y la velocidad de partícula se encuentran fuera de fase (de Bree H. E.,

Microflown E-book). El proceso de calibración con el que se pone a punto de

medida este instrumento, conocido como pistón en esfera, arroja errores en las

mediciones de intensidad (y por ende de potencia) en función del desfase entre las

variables, según puede verse en la segunda curva de la figura 7(b). Aunque se

muestran otros métodos de calibración en esta figura, las sondas comercializadas

se calibran con el método mencionado, pistón en esfera (Microflown, 2012). El

error en dB para los niveles de intensidad está por debajo de 1dB incluso para

desfases mayores a 80 grados. Para evitar este efecto de reactividad, es

necesario que las mediciones de intensidad se hagan a una distancia mayor

desde la fuente (de Bree H. E., Microflown E-book).

39

2.3.2.1 Software Scan&Paint.

La tecnología Microflown ha desarrollado para las aplicaciones de localización de

fuentes en campo cercano y medición de vibraciones el programa llamado

Scan&Paint, como un medio para la visualización del campo sonoro a través

holografías (Fernández Comesaña, Steltenpool, Carrillo Pousa, de Bree, & R.

Holland, 2013; de Bree H.-E. , Svetovoy, Raangs, & Visser, 2004; de Bree,

Svetovoy, & Visser, The very Near Field II. An introduction to very near fiels

Holography, 2004). A groso modo, esta herramienta que complementa el método

de medición que provee esta tecnología, involucra tres etapas o pasos, a saber:

captura en video del escaneo, post procesamiento de señal y análisis.

En la primera de estas fases se registra en video el escaneo realizado con la

sonda sobre las superficies de la fuente mientras se almacenan en un sistema

digital las señales de presión y velocidad de partícula. En el post procesamiento,

se ubica las posiciones del sensor en cada cuadro de video mediante el rastreo de

un color determinado por el usuario. Gracias a esto, el espacio se discretiza por

medio de una rejilla de celdas sobre el área del escaneo, lo cual permite hacer una

conexión entre los datos adquiridos por el sensor y cada celda de la rejilla,

otorgando un segmento de la señal a cada posición espacial (Fernández

Comesaña, Steltenpool, Carrillo Pousa, de Bree, & R. Holland, 2013). La figura 8

ayuda a ilustrar este proceso.

En la etapa de análisis, el software aplica procesos de interpolación para estimar

el valor de las variables acústicas (presión, velocidad de partícula, intensidad,

potencia, reactividad, coherencia) para todo los puntos de la superficie escaneada.

Luego, es posible visualizar el campo sonoro en función de cualquiera de las

variables descritas en una escala de colores translúcida que deja identificar dónde

se localizan las superficies vibrantes y las fuentes de ruido.

40

Fig. 8. Ilustración del proceso de discretización espacial. Imagen tomada de Fernández et al

(Fernández Comesaña, Steltenpool, Carrillo Pousa, de Bree, & R. Holland, 2013).

41

3. ESTADO DEL ARTE

El primer capítulo del libro Intensidad Sonora escrito por Frank Fahy, contiene al

inicio, un recuento general acerca de los diversos mecanismos empleados para

estimar la intensidad acústica desde el siglo XIX. A pesar de que la investigación

en este campo comenzó desde hace tanto tiempo, los registros disponibles que

cuentan los intentos para determinar el flujo de energía sonora, se remontan tan

sólo 80 años atrás.

Las primeras técnicas referidas por el autor describen el disco de Rayleigh, el cual

era un arreglo eléctrico sensible a la velocidad de las partículas, el sistema de

respuesta al flujo de energía de ondas de sonido que Harry Olson consiguió en

1931 y los problemas en cuanto a la inestabilidad e influencia excesiva a factores

como la temperatura, la humedad y el viento que presentaron los experimentos

que se llevaron a cabo en las dos décadas siguientes.

Baker, tras algunos adelantos teóricos de Enns, Firestone y Clapp y algunas

implementaciones prácticas de Bolt y Petrauskas, reportó sus adelantos en

medición de intensidad basado en anemómetros de alambres a altas temperaturas

y combinaciones de micrófonos de presión en 1955. Al año siguiente, prosigue la

exposición de Fahy, Schultz implementó un arreglo de dos transductores de

presión enfrentados a una cierta distancia para obtener la señal de velocidad de

partícula y a partir de allí la intensidad acústica, principio que es utilizado

ampliamente en la actualidad.

La década de los 70’s estuvo acompañada de avances significativos, entre ellos,

la aplicación de las medidas de intensidad para determinar la potencia acústica a

cargo de Anderson y Burguer, la incorporación del procesamiento digital de

señales a los recursos disponibles para medir la intensidad acústica mediante

análisis de Fourier, además de aportes significativos hechos por Fahy a este

campo. Durante esta década, las técnicas que involucraban sensores de velocidad

42

de partícula fueron descartadas, prefiriéndose la combinación de dos micrófonos

de presión idénticos.

Nuevas tecnologías basadas en el efecto Doppler y el ultra sonido (perturbaciones

acústicas con frecuencias superiores a las que puede percibir el sistema auditivo

humano, típicamente mayores a 20kHz) se emplean en la actualidad para

determinar la velocidad de las partículas de forma directa. Un gran aporte al

ejercicio de la medición de intensidad acústica se debe a los fabricantes de

equipamiento de medición, quienes han desarrollado aparatos y sistemas de

medición más precisos (Fahy, 1995) y a la creación de estándares internacionales

para la estimación de éstas variables sonoras, los cuales datan de mediados de la

década de los noventa (ISO(9614-1), 1993).

Para mediados de la década de los noventa del siglo pasado, ya se consolidaban

algunos métodos para la determinación de potencia a través de las sondas de

intensidad tipo p-p. Astrub (1997) resalta algunas de las bondades de los ya

disponibles y estandarizados métodos (aplicaciones in situ y en presencia de

múltiples fuentes funcionando de forma simultánea) mediante ejemplos en la

cuantificación de mecanismos generadores de ruido en moto sierras y locomotoras

diésel.

En los últimos años del siglo pasado y en los inicios de éste, se produjeron

amplios avances en las técnicas de medición de las variables acústicas y

desarrollos tecnológicos importantes, los cuales permiten obtener resultados cada

vez más confiables y precisos. Varios estudios recientes se han dedicado a

analizar las diferencias entre las técnicas de medición basadas en sensores de

intensidad tipo p-p (presión – presión) con los de tipo p-u (presión-velocidad de

partícula) (Jacobsen & de Bree, A comparison of p-p and p-u sound intensity

measurement systems, 2004), y su rendimiento bajo condiciones de campo sonoro

adversas (Jacobsen & de Bree, Intensity-based sound power determination under

adverse sound fiels conditions: p-p probes versus p-u probes, 2005). La conclusión

43

de estos estudios permite determinar que los resultados de mediciones de

potencia acústica por medio de la sonda de velocidad de partícula Microflown, son

confiables y bastante similares a los que se obtienen por medio de las sondas de

tipo p-p clase 1, siguiendo un estándar internacional.

A pesar de no estar estandarizados, los métodos para medir intensidad acústica

basados en sondas de tipo p-u, como el Microflown, tienen la ventaja de aportar

información adicional respecto de las superficies vibrantes de la fuente, partiendo

del hecho de que, a una distancia muy cerca de una superficie, la componente

normal de la velocidad de partícula coincide con la velocidad estructural o

velocidad de la superficie (de Bree H.-E. , Svetovoy, Raangs, & Visser, 2004; de

Bree, Svetovoy, & Visser, The very Near Field II. An introduction to very near fiels

Holography, 2004). Esta capacidad adicional que poseen las sondas basadas en

la tecnología Microflown, ha sido ya explotada para determinar los niveles de

intensidad y potencia acústica in situ para fuentes ubicadas en entornos sin

tratamiento acústico y altos niveles de ruido de fondo (Raangs & W.F., 2002). Su

uso como herramienta de diagnóstico y punto base para las medidas de control de

ruido en maquinaria y electrodomésticos puede verse en el trabajo de García,

Grosso y Comesaña (2012). En este artículo se muestran algunos resultados de

velocidad de partícula obtenidos mediante esta tecnología para una limpiadora y

una máquina cortadora de piezas metálicas empleada para la construcción de la

primera, así como un análisis dirigido a señalar la utilidad de la medición directa de

la variable de velocidad para la localización de fuentes de ruido en entornos

acústicos desfavorables y en campos reactivos.

Existe también un precedente que contempla la aplicación del estándar ISO 3744,

para la determinación de los niveles de potencia acústica en electrodomésticos

(Ochoa, 2011).En un entorno absorbente y con la ayuda de un arreglo de

micrófonos y herramientas de procesamiento digital de señales, se obtienen los

valores de potencia por bandas de octava para refrigeradores. Este experimento

se realiza bajo el mismo criterio teórico que se plantea en este trabajo para la

44

determinación de los niveles de potencia acústica de los refrigeradores HACEB.

La única diferencia sustancial radica en que el procedimiento descrito por Ochoa

(2011), se hace mediante un arreglo de varios micrófonos, lo que le permite en

una sola iteración, obtener los niveles de presión para todos los puntos, ya que

cuenta con un micrófono para cada uno. Para el caso de estudio descrito en este

informe, sólo se cuenta con un micrófono, por lo que deben tomarse tantas

medidas como puntos de medición estén involucrados.

45

4. METODOLOGÍA

En esta sección se exponen los criterios metodológicos y de procedimiento

empleados para la obtención de datos y medidas de las variables acústicas

relevantes para este estudio. En una primera sección, se describen las

generalidades de los procesos de medición, las características de los lugares

donde se llevaron a cabo y la configuración de los refrigeradores durante la

captura de datos. Posteriormente, se analiza en detalle cada uno de los métodos

de medición que se aplicaron sobre los refrigeradores, las mediciones adicionales

que se llevaron a cabo sobre fuentes controladas y de ruido de fondo en la planta

de producción.

4.1 GENERALIDADES

4.1.1 Descripción de los refrigeradores y modo de operación

Como ya se ha mencionado en secciones anteriores, hace parte del fin de este

proyecto la cuantificación del ruido emitido por los refrigeradores de la línea

ASSENTO, manufacturados por la compañía HACEB. La muestra de la línea

estudiada consta de tres refrigeradores que difieren entre sí, esencialmente, por

su volumen o capacidad interior. La más pequeña de las neveras tiene un volumen

de 220 litros (0.22 metros cúbicos); las otras dos tienen una capacidad de 300

litros (0.3 metros cúbicos) y 420 litros (0.420 metros cúbicos) (Fig. 9). Para facilitar

la notación con que se hará referencia a cada electrodoméstico de aquí en

adelante, se emplearán las abreviaciones AS220L, AS300L y AS420L para hacer

mención a cada ejemplar de 220, 300 y 420 litros respectivamente. En el Anexo D

puede encontrarse información detallada y las especificaciones técnicas de cada

refrigerador.

46

El aspecto exterior de las neveras es prácticamente el mismo, según puede verse

en la figura 9. Sólo la distribución del espacio interior y su configuración

electrónica, además de su capacidad, los hacen diferentes.

Fig. 9 Refrigeradores de la línea ASSENTO estudiados. De izquierda a derecha, 220 litros, 300

litros y 420 litros. Imágenes tomadas de (HACEB, Refrigeración).

El fabricante identifica una serie de piezas al interior y al exterior de los

refrigeradores en cuestión en el manual de usuario (HACEB, Manual de Usuario

Refrigerador sin Escarcha Referencias N220L, N244L, N268L, N300L, N370L y

N420L), que facilitan su instalación y la puesta en funcionamiento. Para hacer

referencia con propiedad a las piezas de los refrigeradores en las secciones

posteriores y tener una mejor comprensión de su estructura y componentes

exteriores principalmente, las figuras 10 y 11 indican su ubicación y el nombre que

recibe cada uno. Estas imágenes, suministradas por el fabricante, pueden diferir

del producto original y su único objetivo es ayudar a la comprensión de la

información escrita en el manual de usuario (HACEB, Manual de Usuario

Refrigerador sin Escarcha Referencias N220L, N244L, N268L, N300L, N370L y

N420L), y a posteriores referencias a partes o componentes específicas de los

electrodomésticos.

47

Fig. 10. Distribución de componentes

externos de los refrigeradores ASSENTO.

Sección frontal.

Fig. 11. Distribución de componentes

externos de los refrigeradores ASSENTO.

Sección posterior.

1.Tapa bisagra 2. Puerta congelador 3. Manija superior 4. Manija inferior 5. Dispensador

6. Puerta conservador 7. Gabinete metálico 8. Espaldar 9. Condensador 10. Sifón

11. Intercambiador 12. Cable de alimentación eléctrica 13. Comprensor 14. Bandeja recolectora

15. Filtro secador 16. Temporizador. Imagen adaptada de (HACEB, Manual de Usuario

Refrigerador sin Escarcha Referencias N220L, N244L, N268L, N300L, N370L y N420L).

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

16

11

12

13 14 15

48

En cuanto a la operación de las neveras de 220 y 300 litros, la graduación del

termostato puede configurarse de forma continua entre un valor mínimo y máximo,

de acuerdo a las exigencias de temperatura requeridas por el usuario (Fig. 12). La

posición máxima genera una temperatura más baja al interior del refrigerador

mientras que la posición mínima produce menos frío.

(a) (b)

Fig. 12. Termostato de las neveras de 220 y 300 litros. (a) Posición mínima (b) Posición máxima.

Imagen tomada de (HACEB, Manual de Usuario Refrigerador sin Escarcha Referencias N220L,

N244L, N268L, N300L, N370L y N420L).

Adicionalmente, estos ejemplares (AS220L y AS300L) contienen un control de

flujo en el congelador. Este consta de tres posiciones discretas: “más”, “medio” y

“menos”. En la posición “más”, hay más flujo de aire y por tanto una temperatura

menor. En la posición “menos” hay menos flujo de aire en el congelador y una

temperatura mayor. En la posición intermedia (mitad de recorrido) hay un flujo de

aire intermedio y también una temperatura media.

El refrigerador de 420 litros tiene una tarjeta electrónica para el control de la

temperatura (Fig. 13). El nivel de la temperatura dependerá del clima de la región

donde funcione el electrodoméstico así como de las exigencias del usuario. El

control electrónico tiene cinco posiciones que se identifican con bombillos LED en

49

la parte superior del congelador. Entre mayor sea la posición del indicador, menor

es la temperatura del refrigerador.

Fig. 13. Control electrónico de temperatura para el refrigerador de 420 litros. Imagen tomada de

(HACEB, Manual de Usuario Refrigerador sin Escarcha Referencias N220L, N244L, N268L, N300L,

N370L y N420L).

Durante todas las mediciones los refrigeradores se configuraron para que

operaran a carga máxima. Las perillas de control de flujo se encontraban al

máximo y los controles de temperatura en la posición de mayor exigencia, es

decir, en la configuración de más frío para las neveras AS220L y AS300L. Para el

ejemplar de 420 litros el indicador electrónico se dispuso en la posición 5.

Adicionalmente, tras la puesta en marcha del refrigerador, se esperó

aproximadamente 15 minutos para comenzar la captura de datos. Esto con el fin

de garantizar que las mediciones se realizan en el estado estacionario de emisión

de ruido, tras haber superado la etapa de autodiagnóstico para la que están

programados algunos de los refrigeradores.

A continuación se describen los lugares en los cuales se realizaron la toma de

datos para el estándar ISO 3744, la tecnología Microflown y las mediciones de

control con fines comparativos.

4.1.2 Descripción de los entornos de medición

Para las mediciones de velocidad de partícula mediante la sonda Microflown y de

potencia mediante el estándar ISO 3744 las fuentes en evaluación se ubicaron en

50

el Estudio B, el cual se encuentra en el sótano 1 del edificio de ingenierías en la

Universidad de San Buenaventura, Medellín. Las mediciones adicionales se

realizaron en el estudio A, también ubicado en el sótano 1 del edificio de

ingenierías.

4.1.2.1Estudio A.

El cuarto de grabación del estudio A se utilizó para llevar a cabo mediciones

adicionales con una fuente controlada, cuya metodología se explicará en

secciones posteriores. Este recinto cuenta con un volumen aproximado de 77,6

metros cúbicos y coberturas difusivas y reflectantes. El piso tiene cobertura de

madera así como varias de las paredes. El techo presenta un arreglo de difusores

pequeños intercalados con cuadros de material absorbente. Algunos difusores se

encuentran también en las paredes del cuarto (Fig. 14). Su geometría es

aproximadamente rectangular, según puede verse en la figura 15, donde también

se muestran los paneles utilizados durante las mediciones y la posición relativa de

la fuente empleada.

(a) (b)

Fig. 14. Estudio A. Coberturas de las superficies internas y aspecto del lugar. (a) Coberturas de

paredes y piso. (b) Aspecto del techo, paneles absorbentes y difusores

51

Fig. 15. Vista en planta del estudio A, localización de paneles y de la fuente para la toma de datos.

Esquema realizado con SketchUp (Google).

4.1.2.2 Estudio B.

Las mediciones de potencia bajo el estándar ISO 3744 y de velocidad de partícula

con la sonda Microflown sobre los refrigeradores se llevaron a cabo propiamente

en la cámara difusa del estudio B. Este cuarto tiene un volumen aproximado de

71,4 metros cúbicos y cuenta con coberturas de diversas características. La

mayoría de las superficies internas del recinto están recubiertas con difusores,

localizados en las paredes y el techo. El piso está construido en madera. El resto

de las superficies del lugar son absorbentes a excepción de las ventanas que

permiten visibilidad con la sala de control y la otra parte del cuarto de grabación

(Fig. 16). El criterio de construcción y las coberturas de las superficies del recinto

52

permiten un buen nivel de aislamiento tanto aéreo como estructural y por ende

bajos niveles de ruido de fondo.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 16. Estudio B. Coberturas de las superficies internas y aspecto del lugar. (a) Techo (b) difusor

derecho unidimensional (c), (d) difusores bidimensionales.

La figura 17 muestra una vista en planta de la cámara difusa del estudio B y las

posiciones en la que se ubicaron los refrigeradores para la toma de datos. En esta

imagen se puede ver el diseño geométrico del estudio que evita paredes paralelas

con el fin de contrarrestar la aparición de modos normales.

Durante las mediciones, además de mantener las puertas cerradas, se dispusieron

en el cuarto cinco paneles absorbentes, cuya localización dentro del mismo puede

observarse en la figura 17.

53

Fig. 17. Vista en planta del estudio B, lo

alejandro molina jaramillo - usb · 2015. 4. 27. · aquellas superficies que puedan estar vibrando...

Documents