Repositorio Institucional de Documentos

PROYECTO FINAL DE CARRERA EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DE RUIDO GENERADO POR FRICCIÓN. AUTOR Alejandro Luis Calvete DIRECTORES Francisco Javier Martínez Gómez - Ignacio Ainsa Claver ESPECIALIDAD Mecánica CONVOCATORIA Septiembre 2010 Índice. 2 ÍNDICE Capítulo 1. Objeto.…………..…………………………….………………………... 4 Capítulo 2. Introducción……………………………………….…………………... 6 2.1. General…………………………………...………………………………. 7 2.2. Introducción a la acústica………………………………...………..…… 8 2.3. Introducción a las vibraciones………………………………….…….. 20 2.4. Mecanismos de generación de ruido por fricción…………………... 31 2.5. Métodos evaluación acústica………………….……………………… 33 Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de Squeak and Rattle (BER.S&R)………………………………………………...… 40 3.1. Diseño del banco de ensayos………………………………………... 41 3.2. Caracterización de prestaciones del banco de ensayos………………………………………………………….…………… 49 Capítulo 4. Métodos de evaluación de ruido por fricción……………..…... 59 4.1. Comparación de analizadores…………………………….………….. 60 4.2. Parámetros para evaluar el ruido de fricción en distintos materiales…………………………………………………………….……… 68 Capítulo 5. Ensayos para evaluar el ruido por fricción generado en contactos de distintos materiales……………………………………………… 77 5.1. Objetivo de los ensayos……………………………………………..... 78 5.2. Condiciones de ensayo….……………………………………………. 78 5.3. Resultados de las pruebas……………………………………………. 79 5.4. Resumen de resultados y conclusiones...………...………………… 94 Índice. 3 Capítulo 6. Conclusiones del proyecto……………………………………...... 95 6.1. Conclusiones generales del proyecto…………………..…………… 96 6.2. Líneas futuras………………………………………………..……….... 98 6.3. Conclusiones personales del proyecto y agradecimientos..…….... 98 Capítulo 7. Glosario…………….…………………………………………………. 99 Capítulo 8. Bibliografía…………….……………………………………………. 102 Capítulo 1. Objeto. 4 Capítulo 1: OBJETO Capítulo 1. Objeto. 5 Capítulo 1. Objeto. El presente proyecto lleva por título “EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DE RUIDO GENERADO POR FRICCIÓN”. Ha sido llevado a cabo en el Instituto Tecnológico de Aragón, en el Laboratorio de Seguridad Funcional y NVH. El objetivo principal del proyecto consiste en diseñar un banco de pruebas experimental para evaluar ruidos generados por fricción en materiales y elaborar un procedimiento de uso del mismo. Con el banco fabricado se verifica su funcionamiento realizando un plan experimental de ensayos en distintos materiales y se analizan las variables psicoacústicas. A continuación se detallan los grupos de tareas realizadas: 1. Adquisición de conocimientos básicos de ruido, vibraciones y fricción. - Introducción a la acústica y a las vibraciones. - Búsqueda y análisis de normas y artículos científicos relacionados con ruido generado por fricción. 2. Diseño del banco de ensayos. - Diseño de los utillajes necesarios para conformar un banco utilizando un excitador de vibraciones, una cámara anecoica de ruido y dos equipos de adquisición y análisis de ruido. 3. Puesta en marcha del banco y desarrollo de sus métodos experimentales. - Aprendizaje del uso de la instrumentación necesaria a aplicar en medidas de vibraciones y ruido. - Caracterización acústica y vibratoria del banco. - Desarrollo de la metodología para la detección y evaluación de los ruidos de fricción y golpeteo. - Creación de los procedimientos de ensayo correspondientes. 4. Plan experimental de ensayos de materiales. - Ensayos con cuatro tribopares para evaluar el ruido por fricción en distintas condiciones de movimiento oscilatorio y fuerza normal. 5. Análisis de las variables psicoacústicas y conclusiones. Capítulo 2. Introducción. 6 Capítulo 2: INTRODUCCIÓN Capítulo 2. Introducción. 7 CAPÍTULO 2. Introducción. 2.1 General. Uno de los ruidos generados por fricción y golpeteo que presenta mayor interés en vehículos de transporte de pasajeros es el denominado Squeak & Rattle (S&R). Es un ruido que aparece en componentes “pasivos” desde el punto de vista vibroacústico y que depende de otros elementos que generen el movimiento relativo. El sector origen de su estudio es la automoción, aunque está presente en cualquier tipo de sistema mecánico multicomponente sometido a vibración. Otros sectores donde resulta interesante su estudio son el aeroespacial, el ferrocarril y los ascensores. El S&R provoca molestias en los usuarios y perjudica la percepción de calidad de los productos. En todos los sectores anteriormente mencionados se busca maximizar el confort acústico de sus habitáculos para que los usuarios de las mismas se sientan cómodos y valoren positivamente el producto. Como resultado de ello, la mejora del confort acústico implica un aumento del valor añadido. El “squeak” (o chirrido) es un ruido causado por un movimiento tangencial entre superficies en contacto. El “rattle” (o golpeteo) es un ruido causado por un movimiento perpendicular entre superficies en contacto o próximas. Está asociado a los impactos producidos entre las piezas. Las causas que producen el S&R proceden de las deficiencias estructurales, de la incompatibilidad de los pares de contacto o del inadecuado control geométrico. En general, para obtener una estructura que no tienda a generar S&R ha de aumentar su rigidez. Ahora bien, diseñar demasiado rígido puede significar aumentar de coste y peso. Las cargas dinámicas también afectan si son muy elevadas. Por otro lado se debe evitar la excitación en los modos de vibración de la estructura. Se ha de prestar especial atención en el diseño de tolerancias y el montaje de las piezas. Pequeños errores en las tolerancias pueden causar S&R. Los materiales pueden sufrir desgaste o degradación con el uso. Se debe considerar si ese desgaste puede llegar a causar S&R. Capítulo 2. Introducción. 8 2.2 Introducción a la acústica. El origen del ruido es la vibración de las superficies en contacto con el aire, que generan ondas de presión sonora. La compresión se transmite a la masa de aire circundante y se propaga hacia los alrededores de la superficie vibrante. El campo acústico viene determinado por la presión fluctuante en diversos puntos debida a la propagación de la onda. Al analizar esta variación de presión en el dominio del tiempo y la frecuencia se obtiene información sobre las características del ruido estudiado. El ruido es un sonido no deseado o molesto que provoca sensaciones desagradables. Se considera como un elemento contaminante. Necesita poca energía para ser emitido. Se percibe sólo por el sentido del oído y actúa en un radio de acción localizado sin dejar residuos. Sin embargo la exposición prolongada a ruido puede provocar malestar, estrés, pérdida de atención, trastornos psicológicos, afecciones cardiovasculares. 2.2.1 El decibelio. La magnitud que se utiliza para cuantificar ruido es la presión sonora. Se define como la variación de la presión atmosférica en un punto respecto a su valor de equilibrio, producida como consecuencia de una onda sonora que se propaga a través del aire. Se expresa en pascales (Pa = N/m2). El oído humano puede percibir sonidos desde 20 µPa hasta 20 Pa. Se utilizan escalas logarítmicas en acústica debido al amplio rango de amplitud y frecuencia de los sonidos que el oído humano puede percibir. Además, el oído responde a los cambios de una forma no lineal, reacciona a un cambio logarítmico de nivel en toda la escala de audición. Por estos motivos se recurre al decibelio (dB). El decibelio es la relación entre una cantidad medida y un nivel de referencia acordado. Se utiliza el umbral auditivo (20 µPa) como nivel de referencia, es decir, 0 dB. El umbral del dolor se sitúa alrededor de 130 dB. Resulta común hablar de medidas de ruido cuando en realidad se están realizando medidas de nivel de presión sonora. Para pasar de pascales a decibelios se utiliza la siguiente expresión: n dB = 20 log (P/Po), donde Po es el umbral de audición 2 x 10-5 Pa. Capítulo 2. Introducción. 9 Figura 2.1. Ejemplos de ruidos habituales sobre escala de niveles sonoros. Capítulo 2. Introducción. 16 Micrófonos. Se denomina micrófono al transductor que transforma la presión sonora (pequeñas variaciones de presión atmosférica) en una señal eléctrica. La mayoría de los equipos de medida de ruido utilizan micrófonos de condensador. Son capaces de cumplir las especificaciones de las normas. Además combinan precisión con estabilidad y fiabilidad. Se alimenta con una polarización que surge de la diferencia de tensión entre sus elementos internos. La presión sonora incide sobre el diafragma y hace que se mueva en función de las variaciones de presión atmosférica. El preamplificador es un elemento que se conecta al micrófono y su función es adaptar la señal de salida del micrófono a la baja impedancia de entrada del amplificador del sonómetro. Se les exige que sean de bajo ruido eléctrico y que tengan una amplia respuesta en frecuencia y rango dinámico. Un accesorio habitual en los micrófonos de condensador utilizados al aire libre son las pantallas antiviento. Su misión es evitar las corrientes de aire que pueden incidir sobre el micrófono durante la medida afectando al resultado de la misma. El tejido de estas pantallas debe ser de poca porosidad, para que atenúe las corrientes del aire, y baja densidad, para que no sea grande la atenuación de los ruidos de frecuencias elevadas. El efecto del apantallamiento es mayor cuanto mayor sea el tamaño de la pantalla comparado con el del micrófono. Las características que lo definen son: Sensibilidad. Se define como la tensión eléctrica que produce en función de la variación de presión atmosférica que actúa sobre el mismo. Sensibilidad = mV / Pa Rango dinámico. Es el espacio comprendido entre los límites mínimo y máximo de nivel de presión sonora, dentro del cual el micrófono responde linealmente. El límite inferior es debido al ruido eléctrico interno del propio micrófono, mientras que el límite superior considera como el nivel a partir del cual el micrófono tiene una distorsión del 3% o mayor. Características direccionales. Sensibilidad que presentan los micrófonos en función del ángulo de incidencia de la onda de presión sonora. Esta característica depende de Capítulo 2. Introducción. 17 la frecuencia, y es de máxima importancia cuando se mide en campos difusos. Estabilidad en el tiempo. Es fundamental que las características de los micrófonos no varíen en el tiempo. Para ello se hacen procesos de envejecimiento artificial de los equipos consiguiendo estabilidades muy elevadas. Sonómetros. El sonómetro es un aparato que da medidas objetivas y reproducibles del nivel de presión sonora. Constituye el corazón de toda la instrumentación utilizada en las medidas de presión sonora. Su esquema es el que aparece en la figura 2.5. Figura 2.5. Esquema de un sonómetro con sus elementos principales. Redes de ponderación. Los sonómetros incorporan circuitos para aplicar las curvas de ponderación frecuencial normalizada. De esta forma la señal que llega al indicador tiene una relación directa con la sensación auditiva. Actualmente se emplea mayoritariamente la curva de ponderación A. Los resultados de las medidas de nivel de presión sonora se representan en decibelios A (dB(A)). También se permite a la señal que pase sin sufrir ninguna modificación, los resultados en este caso se representan en decibelios lineales, dB (lin). Atenuador. El atenuador es una red de resistencias añadida al amplificador electrónico para producir una disminución del nivel de la señal. Amplificadores. Amplifican las señales eléctricas proporcionadas por el micrófono hasta unos valores más manejables para la electrónica del sonómetro. Para Capítulo 2. Introducción. 18 poder medir las señales bajas han de tener una gran ganancia y trabajar en una amplia gama de frecuencias. Filtros de paso banda. La señal procedente del micrófono es proporcional al sonido que incide en cada momento sobre el mismo, llevando componentes de todas las frecuencias dentro de su gama. Los filtros paso banda permiten conocer el valor de las distintas frecuencias que componen el espectro de interés. Circuito rectificador e integrador. La señal recogida por el micrófono se amplifica y pasa por los atenuadores y redes de ponderación. Posteriormente se emplea para activar un circuito de medida que indica el valor característico de la onda sonora aplicada sobre el micrófono. Las normas relativas a medidores de nivel sonoro especifican que se debe indicar el valor eficaz de la onda expresado en dB. Este valor eficaz se corresponde con el valor RMS (promedio cuadrático) de la señal rectificada y para calcularlo se lleva a cabo a través de la integración temporal, con mayor o menor intervalo de tiempo de integración, dependiendo del tipo de ruido. Indicador. La mayoría de los indicadores son digitales y representan numéricamente el valor de la presión sonora. La selección del tiempo de respuesta para obtener las actualizaciones viene dado por la normativa existente al respecto. El rango de medida del sonómetro cubre los niveles comprendidos entre dos intervalos de atenuación. Conexiones de salida. La mayoría de los sonómetros están dotados de una o más conexiones de salida que proporcionan una señal eléctrica correspondiente a la señal de salida del micrófono amplificada. Esta salida se utiliza para llevar la señal a otros instrumentos que se ocupan de registros y procesamientos adicionales. Filtros paso banda. El filtro es un circuito eléctrico con una función de transferencia unitaria para determinadas frecuencias y cero para el resto. En acústica se utilizan filtros del tipo paso banda, los cuales tienen idealmente transferencia unitaria para Capítulo 2. Introducción. 19 frecuencias comprendidas entre dos valores concretos y transferencia cero para el resto. En el caso de un filtro real es más complicado medir su ancho de banda. Se toma como referencia el ancho existente entre puntos de caída de 3 dB, es decir, donde el filtro está atenuando la potencia sonora de la señal a la mitad. En la figura 2.6 se puede observar un filtro con su ancho de banda y sus frecuencias central y de corte. Figura 2.6. Función de transferencia de un filtro pasa banda en función de la frecuencia. Se ha de tener en cuenta la calidad del filtro, que indica la aproximación al filtro ideal. El modo más empleado es indicar la caída de sus pendientes, que se define como la atenuación de sus flancos para un margen de frecuencias determinado. Atendiendo a la frecuencia central del filtro y a su ancho de banda se pueden diferenciar dos grupos: Ancho de banda constante. El ancho de banda del filtro es constante e independiente de la frecuencia central del filtro. Ancho de banda relativo. La cantidad de hercios comprendidos en un ancho de banda es directamente proporcional a la frecuencia central del filtro, a mayor frecuencia central mayor será el ancho de banda. Destacan los filtros de octava y de 1/3 de octava dado que el oído humano discrimina las frecuencias de forma similar a este tipo de filtros. La norma UNE 74002-78 indica los anchos de banda estandarizados: f2 = 2 * f1, para filtros de octava. f2 = (2)1/3 * f1, para filtros de1/3 de octava. f0 = (f1 * f2)1/2 para ambos casos. Ancho de Banda f1 fc f 2 -3 dB Capítulo 2. Introducción. 20 La selección de la anchura de banda del filtro utilizado depende de la naturaleza del espectro sonoro y del propósito perseguido con el análisis. Si el espectro sonoro de la fuente es de banda ancha, con la energía acústica distribuida más o menos uniformemente sobre un amplio rango de frecuencias, se pueden realizar análisis en bandas de octava o de 1/3 de octava. Sin embargo, si la fuente contiene uno o más tonos puros dominantes, su identificación requiere generalmente la utilización de filtros con menor anchura de banda. En medidas de propósito general se suelen realizar análisis en bandas de 1/3 de octava. Sondas y analizadores de intensidad. Este instrumento no mide la intensidad sonora mediante medidas de la presión sonora con dos micrófonos. Sus dos componentes fundamentales son la sonda y el analizador. La sonda de intensidad está compuesta por dos micrófonos y se encarga de medir la diferencia de presión sonora entre ellos. El analizador realiza la integración de la señal y los cálculos necesarios para obtener la intensidad sonora. 2.3 Introducción a las vibraciones. 2.3.1 Concepto de vibración. Fuentes. La vibración es un movimiento que se repite después de un determinado intervalo de tiempo entorno a una posición de equilibrio. Se caracteriza porque en la posición de desequilibrio, el cuerpo vibrante almacena energía potencial elástica. Los sistemas mecánicos que poseen masa y elasticidad tienen capacidad de vibrar. La procedencia de las vibraciones puede ser natural o artificial: Natural: debido a fenómenos naturales como los terremotos o el viento. Artificial: en las máquinas debido a errores en las tolerancias de fabricación, holguras, desequilibrios de elementos giratorios o la fricción entre componentes. 2.3.2 Clasificación. Existen numerosos criterios para establecer una clasificación de las vibraciones. A continuación se presenta una forma que explica los conceptos básicos atendiendo al tipo de excitación y la existencia o no de Capítulo 2. Introducción. 21 amortiguamientos y una segunda forma de clasificación que tiene en cuenta la repetitividad en el tiempo de las vibraciones.  Clasificación atendiendo al tipo de excitación y existencia o no de amortiguamientos. Vibraciones libres: Un sistema mecánico oscila o vibra libremente cuando al ser desplazado de su posición de equilibrio estático vibra con una frecuencia fija, sin fuerzas externas. -Vibraciones libres no amortiguadas: K Posición de equilibrio x F= -kx Figura 2.7. Esquema de un sistema libre no amortiguado. K es la constante que caracteriza la rigidez del muelle y m una masa que se le acopla. Al desplazar la masa de su posición de equilibrio tiende a centrarse debido a la fuerza F que ejerce el muelle. Se supone que no existe fricción y el movimiento vibratorio se caracteriza por la frecuencia natural, fn. m k fn2 1 n f : frecuencia natural. k : constante de rigidez del resorte. m : masa. m m Capítulo 2. Introducción. 22 -Vibraciones libres amortiguadas: K Posición de equilibrio x c Figura 2.8. Esquema de un sistema libre amortiguado. Se considera un sistema mecánico con una masa unida a un resorte y a un amortiguador viscoso de constante c. La amplitud del movimiento disminuirá a lo largo del movimiento porque se disipa energía en el amortiguador. Este movimiento se caracteriza por su frecuencia natural de amortiguamiento, fd. fd = 2 1 m c m k 4 2 d f : frecuencia natural amortiguada. k : constante de rigidez del resorte. m : masa. c : constante de amortiguamiento. En función de las condiciones de amortiguamiento puede hablarse de los tres tipos de amortiguamiento mostrados en la gráfica: subamortiguado (es el caso que se da en las vibraciones reales), crítico y sobreamortiguado. m Capítulo 2. Introducción. 23 Figura 2.9. Gráfica con los tres tipos de amortiguamiento. Vibraciones forzadas: Un sistema mecánico está sometido a una vibración forzada cuando se le aplican acciones exteriores. - Vibraciones forzadas no amortiguadas: El sistema mecánico está sometido a una fuerza exterior F(t). K Posición de equilibrio x F(t) Figura 2.10. Sistema libre no amortiguado con una fuerza exterior. - Vibraciones forzadas amortiguadas: K Posición de equilibrio x C F1(t) Figura 2.11. Sistema libre amortiguado con una fuerza exterior. Subamortiguado Sobreamortiguado Críticamente amortiguado 1/Tn Desplazamiento m m m Capítulo 2. Introducción. 24 Relación de frecuencias w/wn. Figura 2.12. Relación desplazamiento fuerza en función de la frecuencia y del amortiguamiento relativo ( ). 2 2 2 221 1 n nw w w w k F X X: desplazamiento. F: fuerza excitación. k : coeficiente de rigidez. : factor de amortiguación: cr c c w : fuerza excitación. n w : fuerza natural.  Clasificación atendiendo a la repetitividad en el tiempo de las vibraciones. Oscilaciones de carácter determinista. Son aquellas que pueden describirse mediante una superposición de vibraciones senoidales de una o varias frecuencias. Las más sencillas pueden describirse según el modelo del movimiento armónico simple. Relación de amplitudes X/(F/k) (mm/N) Capítulo 2. Introducción. 25 Los parámetros temporales que describen este tipo de vibraciones son: - Período de vibración (T): tiempo necesario para que un movimiento vibratorio periódico se repita. Se mide en segundos. - Frecuencia de vibración (f): numero de ciclo que se repiten en la unidad de tiempo. Se mide en ciclos/s o Hertzios (Hz). T f1 Figura 2.13. Vibración determinista. Oscilaciones de carácter aleatorio. Son aquellas que no pueden describirse en el tiempo mediante una expresión matemática por lo que sólo pueden ser analizadas en términos estadísticos. Figura 2.14. Vibración aleatoria. Amplitud T t t Capítulo 2. Introducción. 32 F Figura 2.17. Modelo para la explicación de stick-slip. La figura 2.17 muestra una fuerza F aplicada sobre un muelle conectado a una masa M y una fuerza de rozamiento Fr entre el suelo y la masa que se opone al movimiento. La fuerza del muelle se obtiene del producto de rigidez K por variación de longitud del muelle ∆L. F muelle = k ∆L Al aplicar la fuerza exterior sobre el muelle se va comprimiendo y aumentando la fuerza. Pero mientras que la fuerza ejercida por el muelle no supere la fuerza de rozamiento estática, la masa no se moverá. Cuando la masa se desplaza es porque ha conseguido vencer el rozamiento estático. La fuerza del muelle le aporta a la masa M una aceleración y esta comienza a deslizar (fase slip). Al moverse la masa la longitud del muelle se incrementa, disminuyendo la fuerza trasmitida. La masa se parará cuando la fuerza ejercida por el muelle sea inferior a la fuerza de rozamiento dinámica. A continuación, si se mantiene la fuerza exterior F constante, se vuelve a comprimir el muelle reiniciándose el proceso descrito de stick-slip. Con este esquema se puede describir el fenómeno del stick-slip. El ruido que surge asociado a este fenómeno de rozamiento se denomina el squeak (chirrido, tratado en el apartado anterior). M Fr F muelle Capítulo 2. Introducción. 33 2.5 Métodos evaluación acústica. 2.5.1 Calidad acústica. La calidad sonora nos da información sobre el correcto diseño del producto. No es permanente sino que puede cambiar. Para trabajar la calidad sonora en primer lugar se toman grabaciones del sonido a mejorar. Las grabaciones han de ser lo más fiables posible y simulando una situación real. Posteriormente se estudian estas medidas con los programas apropiados de análisis de señales. Por otro lado, y de forma paralela, se lleva a cabo el estudio subjetivo. El oyente escucha el sonido y tiene en cuenta parámetros tales como el nivel de molestia, la amenidad, la nitidez, la rugosidad o la tonalidad. Se obtienen resultados de la valoración subjetiva de los oyentes. La optimización de la Calidad Sonora requiere un registro preciso de las señales y una evaluación subjetiva fiable. Teniendo ambas pruebas se debe tratar de relacionarlas y obtener la solución final para nuestros problemas. Las soluciones conllevan cambios y rediseños en el producto. Figura 2.18. Esquema de actividades del estudio de la calidad acústica. Prueba objetiva Prueba subjetiva Resultados Resultados Correlación Datos Prueba objetiva mejorada Capítulo 2. Introducción. 34 2.5.2 Psicoacústica. La evaluación de un evento acústico viene determinada por numerosos parámetros: la actitud subjetiva del oyente, el entorno físico en que se realiza la escucha, el nivel de presión acústica en el oído y el espectro frecuencial del ruido. Tradicionalmente el parámetro físico más utilizado para definir y cuantificar la percepción de un sonido ha sido la presión acústica ponderada en dB(A). Pero se ha demostrado que éste parámetro es insuficiente para calificar los sonidos desde un punto de vista subjetivo y debe ser complementado con otros parámetros psicoacústicos. Parámetros psicoacústicos. Los parámetros psicoacústicos ayudan a cuantificar los aspectos de la acústica más subjetivos vinculados a la estructura espectral y temporal del sonido analizado. Constituyen una herramienta de gran valor para la clasificación de ruidos desde el punto de vista del confort. Loudness (sonoridad) Se define como el nivel de presión sonora de un tono puro de 1 kHz que proporciona al oyente la misma sensación de nivel sonoro que el sonido en estudio. Su unidad es el phon. El cálculo de la sonoridad tiene en cuenta la distribución de bandas críticas en el oído humano. Los efectos de enmascaramiento y las componentes tonales del ruido son consideradas en el cálculo de este parámetro. La sonoridad no solo depende del nivel de presión sonora sino también de la composición espectral del ruido analizado. Las curvas de igual sonoridad se les denominan curvas isofónicas. Calculan la relación que existe entre la frecuencia y la energía de dos sonidos para que sean percibidos igual de fuertes. Todos los puntos de una misma curva isofónica tienen la misma sonoridad. Las primeras curvas de igual sonoridad fueron establecidas por Munson y Fletcher en 1930. Capítulo 2. Introducción. 35 Figura 2.19. Curvas isofónicas. Si 0 phon corresponde a una sonoridad con una intensidad de 0 dB con una frecuencia de 1 kHz, también una sonoridad de 0 fon podría corresponder a una sonoridad con una intensidad de 60 dB con una frecuencia de 40 Hz. En estas curvas isofónicas se observa como a medida que aumenta la energía sonora, las curvas se hacen cada vez más planas. Esto se traduce en que la dependencia de la frecuencia es menor a medida que aumenta el nivel de presión sonora, lo que significa que si disminuye la intensidad sonora los primeros sonidos en desaparecer serían los de bajas frecuencias. Las curvas Munson y Fletcher sólo son válidas para un campo sonoro directo, dado que no tienen en cuenta que no percibimos por igual los sonidos si provienen de diferentes direcciones (campo sonoro difuso). Otras curvas de ponderación muy difundidas son: La curva A (curva de nivel de sonoridad de 30 fon, medidas en decibelios A - dBA). La curva B (curva de nivel de sonoridad de 70 fon, medidas en decibelios B - dBB). La curva C (curva de nivel de sonoridad de 100 fon, medidas en decibelios C - dBC). Capítulo 2. Introducción. 36 Fluctuation strength Es la sensación de variación de nivel o volumen provocada por una modulación de frecuencia inferior a 20 Hz. Su unidad es el vacil. Roughness Define la fluctuación de la envolvente de la señal acústica provocada por una modulación con frecuencias entre 20 y 300 Hz. Su unidad es el asper. La sensación de roughness asociada a un sonido con una marcada estructura temporal es debida a la modulación de amplitud y frecuencia. Debido al efecto acústico producido por el pabellón auricular, cada cambio de frecuencia genera una variación en la amplitud que se suma a la propia del sonido escuchado. Si la modulación es rápida (20Hz-300Hz) se percibe como una variación de la frecuencia fundamental o tono. El ruido será más áspero si la amplitud de modulación es grande. Si la modulación es lenta (menor de 20Hz) se percibe una variación de nivel sonoro claramente diferenciable. El deterioro de la calidad acústica de un sonido es más sensible a un aumento del parámetro de fluctuation strength que del parámetro roughness. Sharpness Los sonidos con un alto contenido espectral a alta frecuencia se juzgan como sharp. Su unidad es el acum. Dependiendo de la estructura espectral, sonidos con igual sonoridad pueden presentar valores de sharpness muy diferentes. En general los sonidos con mayor sharpness son más desagradables y molestos que aquellos con valores más pequeños de este parámetro. De lo comentado anteriormente sobre los parámetros psicoacústicos se deduce que aunque dos señales tengan el mismo nivel sonoro en dB(A), si tienen los valores de sharpness y loudness notablemente distintos, llevarán a una percepción subjetiva y a un confort acústico asociado a cada ruido distinto. De esta forma se poner de manifiesto la necesidad de utilizar los parámetros psicoacústicos porque el nivel de presión sonora es insuficiente para cuantificar algunos aspectos del sonido. Capítulo 2. Introducción. 37 2.5.3 Métodos de caracterización de cámaras anecoicas. Cuando una onda choca contra una superficie la energía que llevaba se disipa de varias formas: la que es reflejada, la absorbida y la trasmitida al otro lado de la superficie. En relación a la parte de energía absorbida sucede por un fenómeno por el que se disipa parte de la energía acústica presente en un recinto mediante un proceso de transformación por rozamiento de parte de la misma en energía calorífica siguiendo diversos mecanismos. Figura 2.20. Transformación de la energía acústica. Una cámara anecoica es una sala especialmente diseñada para absorber el sonido que incide sobre las paredes, el suelo y el techo de la misma cámara, anulando los efectos de eco y reverberación del sonido. E. transmitida E. disipada E. reflejada E. incidente Capítulo 2. Introducción. 38 Figura 2.21. Cámara anecoica para medidas de ruido. Los materiales absorbentes empleados tienen la función de reducir o eliminar los efectos de la reflexión del sonido que se producen en el interior de recintos como consecuencia de la existencia de superficies interiores duras y rígidas acústicamente. Los materiales más importantes son los porosos, fibrosos o absorbedores disipativos. Presentan numerosas cavidades de aire conectadas entre sí por las que penetran las ondas sonoras de forma que debido al rozamiento viscoso del aire con las superficies del material se produce el fenómeno de disipación de la energía acústica en forma de calor. Capítulo 2. Introducción. 39 Figura 2.22. Ejemplo de material poroso con propiedades de absorción acústica. También existen absorbentes de panel o membrana que mediante la vibración por flexión del panel transforma la energía acústica incidente en calor. Otro tipo son los resonadores de Helmholtz cuyo funcionamiento está basado en la absorción de energía acústica del medio exterior e introducirlo en una cavidad con un volumen de aire. El conjunto actúa como un sistema de masa (energía que entra)- muelle (aire cavidad). Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 40 Capítulo 3: DISEÑO Y CARACTERIZACIÓN DEL BANCO DE ENSAYOS DE RUIDO DE SQUEAK AND RATTLE (BER.S&R) Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 41 CAPÍTULO 3: Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 3.1 Diseño del banco de ensayos. El objetivo del banco es poner en contacto dos materiales, hacerlos deslizar con unas condiciones de movimiento controladas y estudiar su comportamiento en términos de emisión de ruido. Para el desarrollo se van a utilizar una cámara anecoica de ruido y un excitador de vibraciones (vibrador). El utillaje necesario para conseguir el contacto entre los materiales a estudiar consiste en unos elementos de sujeción de las probetas y un sistema que permite la variación de la fuerza normal con la que están en contacto los dos materiales. Figura 3.1. Montaje general del banco de ensayos. Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 48 Se colocan unas gomas entre el portaprobetas y su elemento contiguo con la finalidad de que eviten en la medida de lo posible la transmisión de vibraciones entre ambas piezas. Figura 3.11. Goma aislante de vibraciones. Se elabora un utillaje simétrico a ambos lados de la columna fijada al vibrador. El motivo es para anular el momento flector sobre el eje del vibrador. Si solo se hiciese fuerza desde un lado el eje del vibrador sufriría esfuerzos en sus apoyos que podrían originar roturas. Figura 3.12. Montaje general. Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 49 3.2 Caracterización de prestaciones del banco de ensayos. Se procede a la caracterización de la cámara anecoica y del banco de ensayos. Las características a obtener son el aislamiento acústico y la corrección por entorno acústico de ensayo, la fuerza normal aplicada entre las probetas y las condiciones de excitación en relación a las limitaciones del vibrador. 3.2.1 Caracterización acústica. Aislamiento acústico. Para conocer el nivel de aislamiento que ofrece la cámara anecoica se ha utilizado un micrófono y una fuente dodecaédrica como la de la figura 3.12. Figura 3.13. Fuente dodecaédrica. Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 50 El ensayo está basado en la norma UNE-EN ISO 140-4:1999 “Acústica. Medición del aislamiento acústico en los edificios y de los elementos de construcción. Parte 4: Medición "in situ" del aislamiento al ruido aéreo entre locales.” Consiste en colocar la fuente de ruido encendida en el exterior de la cámara. Se toman dos medidas, una con el micrófono dentro de la cámara y otra estando fuera. La diferencia entre ambos niveles es el aislamiento acústico de la pared de la cámara anecoica del banco de ensayos. Frecuencia(Hz) Medida micrófono dentro (dB) Medida micrófono fuera (dB) Aislamiento(dB) 50 50 73,8 23,8 63 45,4 76,5 31,1 80 57 77,4 20,4 100 57,3 83,6 26,3 125 52,7 87,1 34,4 160 59,6 90,1 30,5 200 58 87,1 29,1 250 46,9 80,7 33,8 315 41,7 78,1 36,4 400 38 79,8 41,8 500 30,3 78 47,7 630 30,5 75,6 45,1 800 26,8 69,6 42,8 1000 28,5 72,8 44,3 1250 26,3 72,1 45,8 1600 30,2 75,1 44,9 2000 31,1 69,5 38,4 2500 31,5 71,8 40,3 3150 31,3 76,6 45,3 4000 34 77,7 43,7 5000 27,3 69 41,7 6300 13 55,5 42,5 Tabla 3.1. Niveles sonoros para el cálculo del aislamiento acústico. Se considera nivel de aislamiento adecuado para el propósito de ensayo porque el aislamiento en todas las frecuencias es mayor de 30 dB (excepto bajas frecuencias que no tienen mayor importancia para el desarrollo del ensayo). Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 51 Correcciones por entorno acústico. La determinación de la corrección por entorno acústico del ensayo se hace a partir de la absorción acústica de la cámara. Para ello se toma como referencia el ensayo descrito en la norma UNE-EN ISO 3744:2010 “Acústica. Determinación de los niveles de potencia acústica de fuentes de ruido a partir de la presión acústica. Método de ingeniería para condiciones de campo libre sobre un plano reflectante.” La fórmula que dará el resultado es la siguiente: dB A S K41log102 Los términos que determinan el valor de K2 son A y S. A es el área de absorción equivalente de la cámara en metros cuadrados; S es el área de la superficie de medida en metros cuadrados, utilizada para obtener la potencia acústica de la fuente de ruido a caracterizar en la cámara. Área de absorción equivalente de la cámara. Se calcula a partir del tiempo de reverberación medido mediante la ecuación de Sabine. Es válida para temperaturas comprendidas entre 15 ºC y 30ºC (en este caso se cumple la condición porque el laboratorio donde está situado el banco tiene una temperatura de 23 2ºC). T V A*16.0 Ec. de Sabine. V es el volumen de la cámara de ensayo, 1m3. T es el tiempo de reverberación, en segundos, para cada banda de frecuencia. Para obtener el tiempo de reverberación se realiza el siguiente montaje: Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 52 Figura 3.14. Montaje del ensayo para la obtención del tiempo de reverberación. El tamaño reducido de la cámara respecto a la fuente de ruido hace que la distancia entre la fuente y el micrófono sea pequeña y la medida del tiempo de reverberación pierda precisión. Con la cámara cerrada la fuente dodecaédrica emite ruido que es recogido por el micrófono. Se desconecta el sonido de la fuente y se mide el tiempo de reverberación en todas las bandas de frecuencia en las que emite la fuente. Frecuencia(Hz) Tr(s) A(m2) 50 0,47 0,34 63 0,45 0,36 80 0,44 0,36 100 0,26 0,62 125 0,39 0,41 160 0,25 0,64 200 0,1 1,60 250 0,11 1,45 315 0,13 1,23 400 0,05 3,20 500 0,05 3,20 630 0,08 2,00 800 0,05 3,20 1000 0,11 1,45 1250 0,17 0,94 1600 0,04 4,00 2000 0,04 4,00 Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 53 2500 0,04 4,00 3150 0,04 4,00 4000 0,04 4,00 5000 0,04 4,00 6300 0,04 4,00 Tabla 3.2. Tiempos de reverberación en relación a frecuencia y superficie de medida. Área de superficie de medida. Se considera como paralelepípedo de referencia las dos probetas que emiten el ruido durante el ensayo. Sus dimensiones aproximadas son: 40 x 40 x 20 mm. Para obtener la potencia acústica de las probetas como superficie de medida se puede tomar una semiesfera o un paralelepípedo. Semiesfera. Figura 3.15. Superficie de medida una semiesfera. R Paralelepípedo de referencia Superficie de medida Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 54 Se calculan superficies de medida en función del radio, que variará entre 0 y 0.5 metros, dado que la cámara tiene 1 metro de lado. De este modo se comprueba la influencia de la distancia de medida entre fuente y micrófono. R(m) S(m2) 0,1 0,06 0,2 0,25 0,3 0,57 0,4 1,01 0,5 1,57 Tabla 3.3. Distancia entre fuente de ruido y micrófono frente a su correspondiente superficie de medida. Teniendo la superficie de medida y el área de absorción se puede obtener la corrección por entorno acústico. K2(dB) Frecuencia (Hz) Tr (s) A (m2) d = 0.1 m d = 0.2 m d = 0.3 m d = 0.4 m d = 0.5 m S(m2) K2(dB) 50 0,47 0,34 2,4 6,0 8,8 12,9 14,4 3,08 15,7 63 0,45 0,36 2,3 5,8 8,7 12,7 14,2 3,08 15,5 80 0,44 0,36 2,3 5,8 8,6 12,6 14,1 3,08 15,4 100 0,26 0,62 1,5 4,2 6,7 10,5 12,0 3,08 13,2 125 0,39 0,41 2,1 5,4 8,1 12,1 13,6 3,08 14,9 160 0,25 0,64 1,4 4,1 6,6 10,3 11,8 3,08 13,1 200 0,1 1,60 0,6 2,1 3,8 6,9 8,2 3,08 9,4 250 0,11 1,45 0,7 2,3 4,1 7,3 8,6 3,08 9,8 315 0,13 1,23 0,8 2,6 4,5 7,9 9,2 3,08 10,4 400 0,05 3,20 0,3 1,2 2,3 4,7 5,8 3,08 6,9 500 0,05 3,20 0,3 1,2 2,3 4,7 5,8 3,08 6,9 630 0,08 2,00 0,5 1,8 3,3 6,2 7,4 3,08 8,5 800 0,05 3,20 0,3 1,2 2,3 4,7 5,8 3,08 6,9 1000 0,11 1,45 0,7 2,3 4,1 7,3 8,6 3,08 9,8 1250 0,17 0,94 1,0 3,2 5,3 8,9 10,3 3,08 11,5 1600 0,04 4,00 0,3 1,0 1,9 4,1 5,1 3,08 6,1 2000 0,04 4,00 0,3 1,0 1,9 4,1 5,1 3,08 6,1 2500 0,04 4,00 0,3 1,0 1,9 4,1 5,1 3,08 6,1 3150 0,04 4,00 0,3 1,0 1,9 4,1 5,1 3,08 6,1 4000 0,04 4,00 0,3 1,0 1,9 4,1 5,1 3,08 6,1 Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 55 5000 0,04 4,00 0,3 1,0 1,9 4,1 5,1 3,08 6,1 6300 0,04 4,00 0,3 1,0 1,9 4,1 5,1 3,08 6,1 Tabla 3.4. Factor de corrección por ruido de fondo en relación a la frecuencia y superficie de medida. Paralelepípedo. Figura 3.16. Superficie de medida un paralelepípedo. K2(dB) Frecuencia (Hz) Tr (s) A (m2) d = 0.1m d = 0.2m d = 0.3m d = 0.4m d = 0.5m 50 0,47 0,34 5,8 9,7 12,5 14,6 16,3 63 0,45 0,36 5,7 9,5 12,3 14,4 16,1 80 0,44 0,36 5,6 9,4 12,2 14,3 16,0 100 0,26 0,62 4,1 7,5 10,1 12,1 13,8 125 0,39 0,41 5,3 9,0 11,7 13,8 15,5 160 0,25 0,64 4,0 7,4 9,9 12,0 13,7 200 0,1 1,60 2,1 4,4 6,6 8,4 9,9 250 0,11 1,45 2,2 4,7 6,9 8,8 10,3 315 0,13 1,23 2,5 5,2 7,5 9,4 11,0 400 0,05 3,20 1,1 2,8 4,4 6,0 7,4 500 0,05 3,20 1,1 2,8 4,4 6,0 7,4 630 0,08 2,00 1,7 3,8 5,8 7,6 9,1 Superficie de medida Paralelepípedo de referencia Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 56 Tabla 3.5. Factor de corrección por ruido de fondo en relación a la frecuencia y superficie de medida. De los resultados obtenidos anteriormente se observa que tomando como superficie de medida una semiesfera el factor de corrección de entorno acústico es menor que si tomamos un paralelepípedo para una misma distancia del micrófono a las probetas. Cuanto más se aleja el micrófono de medida de la fuente el factor de corrección es más elevado. La distancia más adecuada en base a los resultados obtenidos es la comprendida entre 0.1 y 0.2 metros. Las frecuencias en las que se obtienen correcciones K2 más reducidas son las superiores a 200 Hz, por tanto para frecuencias más bajas los resultados que se obtengan son menos precisos. 3.2.2 Caracterización de la fuerza normal. Para calcular las cargas de fuerza normal aplicadas sobre las probetas por el sistema de muelles se debe de tener su constante de rigidez. Mediante el ensayo llevado a cabo en la máquina de compresión (Figura 3.3) se halla la k del conjunto que es 7.16 N / mm. La longitud total de cada muelle es de 140 mm. Se estima que se puede alcanzar una compresión máxima de la mitad de su longitud en equilibrio, 70 mm. Mediante la ley de Hooke, xkF * , se calcula la fuerza normal máxima: NF 501 La máxima fuerza normal teórica es de aproximadamente 500 N. 800 0,05 3,20 1,1 2,8 4,4 6,0 7,4 1000 0,11 1,45 2,2 4,7 6,9 8,8 10,3 1250 0,17 0,94 3,1 6,0 8,5 10,4 12,1 1600 0,04 4,00 0,9 2,3 3,8 5,3 6,6 2000 0,04 4,00 0,9 2,3 3,8 5,3 6,6 2500 0,04 4,00 0,9 2,3 3,8 5,3 6,6 3150 0,04 4,00 0,9 2,3 3,8 5,3 6,6 4000 0,04 4,00 0,9 2,3 3,8 5,3 6,6 5000 0,04 4,00 0,9 2,3 3,8 5,3 6,6 6300 0,04 4,00 0,9 2,3 3,8 5,3 6,6 Capítulo 3. Diseño y caracterización del banco de ensayos de ruido de squeak and rattle (BER.S&R). 57 Ahora bien, en la práctica de las pruebas de caracterización inicial del BER.S&R se comprueba como con cargas elevadas de compresión los muelles tienden a pandear. Se trató de solucionar el problema con una guía que evitase este pandeo pero al poner en marcha el banco se producía rozamiento entre el muelle y la guía que generaban ruido, por tanto se descartó esta solución. Por este motivo la fuerza normal máxima aplicable sobre las probetas queda reducida a 300 N, porque se aprecia que con cargas superiores los muelles se doblan en exceso y existe el riesgo de que se salgan de sus alojamientos y de que la fuerza del muelle no sea la nominal. Para aumentar la capacidad de fuerza normal del banco se podría añadir una varilla por el interior el muelle que impidiese el pandeo. El posible ruido del contacto entre ambos materiales se evitaría forrando la varilla con una goma. 3.2.3 Caracterización de la vibración aplicable a la probeta móvil. Para caracterizar de la curva de vibración máxima del banco, ha de hacerse referencia a la amplitud (de desplazamiento o de aceleración) y frecuencia que el excitador es capaz de soportar. El tipo de vibración que se puede programar en el banco es de seno fijo, barrido senoidal y random. La amplitud de desplazamiento máxima viene dada por los límites del vibrador, que corresponden a 12.5 mm. El rango de frecuencias queda definido entre 5 y 1000 Hz. Capítulo 4. Métodos de evaluación de ruidos por fricción. 64 Figura 4.4. Gráfico del nivel equivalente frente al tiempo de ruido en el canal 2 medido con el Symphonie. Si se toma como referencia la posición del equipo HEAD Acoustics la oreja izquierda corresponde a las probetas de metal y goma y la oreja derecha a las dos probetas de goma. Los resultados son los siguientes: Figura 4.5. Gráfico del nivel equivalente de ruido en la oreja izquierda de la cabeza. Capítulo 4. Métodos de evaluación de ruidos por fricción. 65 Figura 4.6. Gráfico del nivel equivalente de ruido en la oreja derecha de la cabeza. Lado Probetas Leq [dB (A)] Izquierdo Metal-Goma 77.3 Derecho Goma-Goma 76.2 Se observa como el nivel de ruido recogido por el micrófono 2 y oreja derecha (los que enfocan al par de gomas) son ligeramente inferiores que los recogidos por el micrófono 1 y oreja izquierda (los que enfocan al conjunto goma-metal). Se puede deducir que el ruido generado por rozamiento entre goma-chapa es mayor que el de entre las gomas. También se aprecia cómo las diferencias de los sonidos emitidos por cada par de materiales queda reflejado en el nivel equivalente con valores próximos y aceptables por los dos equipos utilizados. Para el análisis de datos el equipo Symphonie posee el potencial de visualizar instantáneamente el espectro promedio de la señal recogida completa o de una zona en concreto. Capítulo 4. Métodos de evaluación de ruidos por fricción. 66 Figura 4.7. Espectro promedio de toda la grabación. Figura 4.8. Espectro promedio de la zona de interés (entre cursores). Capítulo 4. Métodos de evaluación de ruidos por fricción. 67 Ambos equipos son capaces de proporcionar mapas de colores (diagramas de Campbell) en los que se representa la evolución temporal del espectro de frecuencias de ruido mediante una escala de colores. Con ellos se puede diferenciar con rapidez las zonas de niveles de ruido más elevadas. En el eje x queda reflejado el tiempo en segundos, en el eje y la frecuencia en herzios y el código de colores cuantifica el nivel de ruido. Figura 4.9. Diagrama de Campbell. Evolución del espectro de frecuencias de ruido con el tiempo. Eje x: tiempo; Eje y: frecuencia; Escala de colores: nivel de ruido 4.1.4 Conclusiones. El sistema de reproducción elegido para el desarrollo del proyecto es el HEAD Acoustics porque se adecúa mejor a las necesidades de identificación de squeak que debe tener el banco de pruebas. Además es el sistema que capta el sonido de forma más semejante a como lo percibimos los seres humanos siendo este un factor muy importante para hacer estudios subjetivos. También resaltar la alta utilidad de las medidas binaurales en la industria del automóvil, sector en el que cobran gran importancia los temas de S&R, tanto en los Capítulo 4. Métodos de evaluación de ruidos por fricción. 68 análisis en fase de desarrollo de producto como los ensayos en la fase de homologación. 4.2 Parámetros para evaluar el ruido de fricción en distintos materiales. 4.2.1 Objetivos. Una vez elegido el equipo HEAD Acoustics como registrador de señales y su posterior tratamiento se va a proceder a analizar los ensayos iniciales con cada tipo de materiales para comprobar qué parámetros son los que permiten detectar los ruidos relacionados con la fricción. 4.2.2 Descripción prueba. La preparación y el ensayo para buscar los parámetros psicoacústicos más representativos en cada material consiste en la colocación de las muestras pegadas en los portaprobetas. La cabeza binaural se sitúa a una distancia de 150 mm cada oído de las probetas dentro de la cámara anecoica y conectada al ordenador portátil. Una vez posicionados se procede a la compresión de los muelles para aplicar la fuerza normal correspondiente. Se cierra la cámara, se activa el vibrador y finalmente se pone a grabar el equipo binaural. Los ensayos se repiten con los distintos materiales de estudio: metal, goma, nylon y metacrilato. 4.2.3 Metodología de análisis para identificación de ruido por fricción. El análisis llevado a cabo para la identificación de los ruidos procedentes al squeak es el siguiente: 1. Se emplea el diagrama de Campbell para analizar la presencia de ruido mediante el mapa de colores 2. Se analiza el audio de la señal, identificando las zonas de posible squeak. 3. Se postprocesa la señal aplicando filtros para dejar solo los intervalos frecuenciales con ruido de squeak. 4. Analizar qué parámetros psicoacústicos son más sensibles para la detección del squeak. Capítulo 4. Métodos de evaluación de ruidos por fricción. 69 4.2.4 Resultados y análisis. Siguiendo el esquema del punto anterior se procede a analizar los registros obtenidos en los ensayos. Cabe destacar que los ruidos procedentes del squeak se han detectado al principio, con frecuencias de movimiento del banco bajas, cuando las frecuencias son altas se producen otros ruidos de fondo procedentes del propio funcionamiento del BER.S&R, lo que dificulta la detección del squeak. Por este motivo la curva de ensayos ha sido reducida a un barrido de 5 a 20 Hz. Goma- Aluminio en el lado izquierdo y Goma-Goma en el lado derecho. 1. Diagrama de Campbell. Figura 4.10. Diagrama de Campbell de las probetas de (metal-goma) y (gomagoma). 2. Se aprecian unas posibles zonas de squeak marcadas en la figura 4.8. en el intervalo de 25 a 50 segundos (frecuencia de movimiento del vibrador fex entre 6 y 9 Hz) y en el tramo entre 80 y 130 s (fex = 12 a 22 Capítulo 4. Métodos de evaluación de ruidos por fricción. 70 Hz) hay ruido en una frecuencia próxima a 400 Hz. El ruido inicial y el de en torno al segundo 80 es ajeno al BER.S&R. 3. El filtro utilizado es el paso banda de 400 Hz. 4. Figura 4.11. Diagramas de parámetros psicoacústicos frente al tiempo correspondientes a (aluminio-goma) y (goma-goma). La primera zona de squeak queda bien reflejada en el gráfico del Fluctuation Strength pero del segundo tramo no da referencias. El Loudness destaca este segundo tramo mejor pero el del principio apenas lo remarca. Roughness y Sharpness no son sensibles con el ruido de squeak y no destacan nada de zonas mencionadas. Cabe destacar que la zona de squeak el Fluctuation Strength lo muestra con valores más altos y el Loudness además de valores más altos se observa una mayor variabilidad con el tiempo. Capítulo 4. Métodos de evaluación de ruidos por fricción. 71 Nylon-Nylon. 1. Diagrama de Campbell. Figura 4.12. Diagrama de Campbell de las probetas de nylon. 2. En la figura 4.10. no se aprecia ninguna zona de squeak. Se puede interpretar en base a estos resultados que la fricción entre dos materiales de nylon no provoca squeak en las condiciones del ensayo. Capítulo 4. Métodos de evaluación de ruidos por fricción. 72 Aluminio-Aluminio. 1. Diagrama de Campbell. Figura 4.13. Diagrama de Campbell de las probetas de metal. 2. Se aprecia una posible zona de squeak marcada en la figura 4.11. en la parte inicial (fex entre 5 y 10 Hz) en la frecuencia de 350 Hz. El ruido en torno al segundo 110 es ajeno al BER.S&R. 3. El filtro utilizado es el paso banda de 350 Hz. Capítulo 4. Métodos de evaluación de ruidos por fricción. 73 4. Figura 4.14. Diagramas correspondientes al metal. El Fluctuation Strength tiene una correlación clara con el tramo de squeak localizado en la audición de la señal temporal. El Loudness destaca la zona inicial pero también marca el ruido del segundo 70 que es ajeno al BER.S&R. Roughness no muestra diferencias en la zona inicial y Sharpness no lo deja muy claro. Capítulo 5. Ensayos para evaluar el ruido de fricción generado en contactos de distintos materiales. 80 Tribopar 1: Goma - goma. Evolución temporal del Fluctuation Strenght con distintas fuerzas normales. F normal = 50 N F normal = 100 N F normal = 150 N F normal = 200 N F normal = 250 N F normal = 300 N Figura 5.2. Gráfica del parámetro Fluctuation Strength para varias medidas de fuerza normal en la goma. Capítulo 5. Ensayos para evaluar el ruido de fricción generado en contactos de distintos materiales. 81 Evolución temporal del Loudness con distintas fuerzas normales. F normal = 50 N F normal = 100 N F normal = 150 N F normal = 200 N F normal = 250 N F normal = 300 N Figura 5.3. Gráfica del parámetro Loudness para varias medidas de fuerza normal en la goma. Capítulo 5. Ensayos para evaluar el ruido de fricción generado en contactos de distintos materiales. 82 Fuerza normal (N) Squeak Frecuencia excitación vibrador (Hz) Frecuencia ruido squeak (Hz) Leq [dB(A)] Fluctuation Strength (mvacil) Loudness (phon) 50 No - - - - - 100 Sí 11-17 350 49,4 6,6 64,0 150 Sí 6-9 400 46,7 16,5 61,9 12-20 400 48,8 3,0 65,1 200 Sí 6-9 400 46,4 11,7 60,9 12-20 400 51,7 4,7 62,6 250 Sí 14-18 450 54,9 3,0 64,4 300 No - - - - - Tabla 5.1. Comparación de varios parámetros en el ensayo de la goma. Figura 5.4. Gráfica que relaciona la fuerza normal con el nivel sonoro equivalente en los ensayos de las probetas de goma. 42 44 46 48 50 52 54 56 50 100 150 200 250 300 Leq [dB(A)] Fuerza Normal (N) Leq en frecuencias altas (10-20 Hz) Leq en frecuencias bajas (5-10 Hz) Capítulo 5. Ensayos para evaluar el ruido de fricción generado en contactos de distintos materiales. 83 Figura 5.5. Gráfica que relaciona la fuerza normal con el Loudness equivalente en los ensayos de las probetas de goma. Figura 5.6. Gráfica que relaciona la fuerza normal con la frecuencia del ruido de squeak en los ensayos de las probetas de goma. 58 59 60 61 62 63 64 65 66 50 100 150 200 250 300 Loudness (phon) Fuerza Normal (N) Loudness en frecuencias altas (10- 20 Hz) Loudness en frecuencias bajas (5-10 Hz) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 50 100 150 200 250 300 Frecuencia ruido squeak (Hz) Fuerza Normal (N) Capítulo 5. Ensayos para evaluar el ruido de fricción generado en contactos de distintos materiales. 84 Figura 5.7. Gráfica que relaciona la fuerza normal con el Fluctuation Strength del squeak en los ensayos de las probetas de goma. A partir de las figuras anteriores se puede observar lo siguiente para el tribopar de goma-goma: - Los niveles del parámetro Fluctuation Strength son más elevados cuando se produce squeak en frecuencias de excitación bajas. En las gráficas de nivel equivalente y Loudness ocurre lo contrario, los valores son mayores para frecuencias de excitación altas. - El nivel equivalente del ruido squeak aumenta conforme aumenta la fuerza normal. - La frecuencia del ruido squeak aumenta conforme aumenta la fuerza normal. - El squeak aparece por distintas zonas de toda la historia temporal, con distintas frecuencias de excitación. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 50 100 150 200 250 300 Fluctuation Strength (mvacil) Fuerza Normal (N) Fluc. Str. En frecuencias altas (10-20 Hz) Fluc. Str. en frecuencias bajas (5-10 Hz) Capítulo 5. Ensayos para evaluar el ruido de fricción generado en contactos de distintos materiales. 85 Tribopar 2: Aluminio – aluminio. Evolución temporal del Fluctuation Strenght con distintas fuerzas normales F normal = 50 N F normal = 100 N F normal = 150 N F normal = 200 N F normal = 250 N F normal = 300 N Figura 5.8. Gráfica del parámetro Fluctuation Strength para varios niveles de fuerza normal en probetas de aluminio. Capítulo 5. Ensayos para evaluar el ruido de fricción generado en contactos de distintos materiales. 86 Evolución temporal del Loudness con distintas fuerzas normales F normal = 50 N F normal = 100 N F normal = 150 N F normal = 200 N F normal = 250 N F normal = 300 N Figura 5.9. Gráfica del parámetro Loudness para varios niveles de fuerza normal en probetas de aluminio. Capítulo 5. Ensayos para evaluar el ruido de fricción generado en contactos de distintos materiales. 87 Fuerza normal (N) Squeak Frecuencia excitación vibrador (Hz) Frecuencia ruido squeak (Hz) Leq [dB(A)] Fluctuation Strength (mvacil) Loudness (phon) 50 Sí 5-20 300 69,9 93,1 79,6 100 Sí 5-10 350 66,8 115,0 78,1 150 Sí 5-20 350 70,2 114,0 78,6 200 Sí 5-20 350 70,7 94,8 80,1 250 Sí 5-20 400 70,3 91,7 77,9 300 No - - - - - Tabla 5.2. Comparación de varios parámetros en el ensayo del aluminio. Figura 5.10. Gráfica que relaciona la fuerza normal con el nivel sonoro equivalente en los ensayos de probetas de aluminio. 64 65 66 67 68 69 70 71 50 100 150 200 250 300 Leq [dB(A)] Fuerza Normal (N) Capítulo 5. Ensayos para evaluar el ruido de fricción generado en contactos de distintos materiales. 88 Figura 5.11. Gráfica que relaciona la fuerza normal con el Loudness equivalente en los ensayos de probetas de aluminio. Figura 5.12. Gráfica que relaciona la fuerza normal con la frecuencia del ruido de squeak en los ensayos de probetas de aluminio. 76.5 77 77.5 78 78.5 79 79.5 80 80.5 50 100 150 200 250 300 Loudness (phon) Fuerza Normal (N) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 50 100 150 200 250 300 Frecuencia ruido squeak (Hz) Fuerza Normal (N) Capítulo 5. Ensayos para evaluar el ruido de fricción generado en contactos de distintos materiales. 89 Figura 5.13. Gráfica que relaciona la fuerza normal con el Fluctuation Strength del squeak en los ensayos de probetas de aluminio. A partir de las figuras anteriores se puede observar lo siguiente para el tribopar de aluminio-aluminio: - El ruido de squeak aparece en todo el rango de frecuencias ensayado (de 5 a 20 Hz) salvo para el caso de 300 N de fuerza normal que no se produjo squeak y el de 100 N que lo hizo a frecuencias de excitación bajas. - La frecuencia del ruido squeak aumenta conforme aumenta la fuerza normal. - El nivel de Fluctuation Strength tiende a disminuir conforme aumenta la fuerza normal aplicada sobre las probetas. - El nivel equivalente sigue una tendencia de aumento con el aumento de fuerza normal, excepto en el caso de 100 N, donde decrece. 0 20 40 60 80 100 120 140 50 100 150 200 250 300 Fluctuation Strength (mvacil) Fuerza Normal (N) Capítulo 6. Conclusiones del proyecto. 96 CAPÍTULO 6: Conclusiones del proyecto. 6.1 Conclusiones generales del proyecto. 6.1.1 Creación del banco de ensayos de ruido de Squeak & Rattle (BER.S&R). El BER.S&R se ha diseñado y construido combinando una cámara anecoica de ruido, un excitador de vibraciones (vibrador LDS V550), un utillaje que permite realizar fricción entre probetas de materiales con una fuerza normal determinada y un equipo de grabación y análisis de ruido. El vibrador LDS V550 fue seleccionado por su adecuado tamaño y sus características mecánicas apropiadas para los ensayos a realizar. La cámara anecoica posee un buen aislamiento acústico (ver capítulo 3) y su acople con el resto de elementos que componen el banco es óptimo. El utillaje para la fijación de las probetas y la aplicación de la fuerza normal (ver capítulo 3) fue diseñado como actividad del proyecto y fabricado en el ITA. El equipo de grabación y reproducción de audio binaural elegido ha sido el HEAD Acoustics porque ofrece mayores posibilidades para la detección y evaluación del ruido de Squeak & Rattle que el otro equipo evaluado en el proyecto. El análisis de sonido binaural es el método utilizado en la industria del automóvil para los estudios de confort acústico subjetivo. Los resultados de las pruebas de puesta en marcha del banco y de la metodología de análisis demuestran que el banco cumple los objetivos planteados en cuanto a la capacidad de identificación y evaluación de los ruidos de Squeak & Rattle. Capítulo 6. Conclusiones del proyecto. 97 6.1.2 Métodos de ensayo y postprocesado. La metodología desarrollada en la puesta en marcha del banco (ver capítulo 4) es adecuada para la detección y evaluación del squeak en los distintos ensayos. El banco también está preparado para la detección de ruido procedente de rattle. Dispone de un utillaje preparado para el mismo pero por falta de tiempo no ha sido posible desarrollar una metodología de evaluación propia. En los ensayos llevados a cabo se compararon probetas de goma, aluminio, nylon y metacrilato. De todas ellas se realizaron distintos ensayos variando la frecuencia de excitación y con distintos niveles de fuerza normal. Los indicadores para la evaluación del squeak utilizados muestran que el ruido generado es de mayor intensidad y más molesto en el caso de las probetas de aluminio, mientras las probetas de goma y metacrilato producen niveles similares. Las probetas de nylon no producen squeak en las condiciones ensayadas. Con los resultados obtenidos, analizando las grabaciones y observando la evolución de los parámetros psicoacústicos en las zonas en las que se detecta squeak se llegó a la conclusión de que dichas zonas donde generalmente están en el rango bajo de las frecuencias de excitación del vibrador (entre 5 y 20 Hz) y el rango alto de amplitudes de desplazamiento (entorno a 10 mm). El Fluctuation Strength y el Loudness son los parámetros psicoacústicos con mayor sensibilidad para ser utilizados como indicadores de aparición de squeak (ver apartado 4.2). En el caso de estudiar un ruido de squeak en unas frecuencias entre 5 y 10 Hz queda mejor reflejado por el Fluctuation Strength ya que lo remarca con un aumento considerable de su nivel. Cuando aumentan las frecuencias de excitación (entre 10 y 20 Hz) el Fluctuation Strength deja de ser tan efectivo y es preferible fijarse en el Loudness, que presenta rápidas oscilaciones cuando se está produciendo squeak. Para los tres tribopares del mismo material (aluminio, goma y metacrilato) se produce el fenómeno del squeak para la mayoría de las fuerzas normales. Las excepciones son en las cargas más bajas y más altas del rango ensayado (entorno a 50 N y a 300 N). La frecuencia del ruido de squeak aumenta en función de la fuerza normal. El nivel sonoro equivalente, al igual que el Loudness, aumentan con la fuerza normal en el rango bajo de fuerzas normales (entre 50 y 150 N) mientras en el rango alto (entre 250 y 300 N) tienden a estabilizarse (ver apartado 5.2). Capítulo 6. Conclusiones del proyecto. 98 6.2 Líneas futuras. Cómo posibles líneas de trabajo de continuación del presente proyecto se plantean las siguientes: - Mejoras de las capacidades del banco. Rediseño del sistema de aplicación de fuerza normal para aumentar el rango y la precisión de la carga aplicada - Investigación de tendencia a generar squeak de tribopares de distintos materiales. - Investigación de evaluación de rattle en distintos pares de materiales. - Desarrollo de metodología para resolución de problemas de S&R utilizando el BER.S&R. 6.3 Conclusiones personales del proyecto y agradecimientos. Durante mi estancia en el ITA he adquirido unos conocimientos en el campo del ruido y las vibraciones que no había alcanzado en mis estudios de Ingeniería Técnica Industrial. He aprendido a manejar el equipo HEAD Acoustics que ha sido la base principal del proyecto, tanto en la toma de medidas como en su posterior análisis con el software ArtemiS. Me llevó bastante tiempo el diseño y puesta en marcha del BER.S&R. Hubo que diseñar todas la piezas para tener un acople adecuado entre los equipos y los tribopares y adaptar la cámara anecoica para este uso con algunas modificaciones. También aprendí a usar el controlador de vibraciones. Si se sigue con esta línea de investigación se podría tomar como mejora el cambio de ubicación del BER.S&R a una zona con mayor aislamiento acústico. En algunos ensayos aparecen reflejados ruidos de la zona del taller o de otras máquinas. Otra posibilidad sería la disponer de más tiempo para profundizar en el conocimiento de cada parámetro psicoacústico, ya que estos permiten un control sobre la calidad del sonido. Y finalmente mi agradecimiento al ITA por todas las facilidades prestadas y el buen trato hacia el proyecto. Asistí a un curso de manejo del equipo HEAD Acoustics y se me proporcionó todo el material que necesitaba, tanto material (informes, libros, catálogos, normas) como personal. Capítulo 7. Glosario. 99 Capítulo 7: GLOSARIO Capítulo 7. Glosario. 100 CAPÍTULO 7. GLOSARIO Cámara anecoica: Sala especialmente diseñada para absorber el sonido que incide sobre las paredes, el suelo y el techo de la misma cámara, anulando los efectos de eco y reverberación del sonido. Cámara reverberante: Recinto cuyas superficies han sido tratadas con materiales reflectantes y como consecuencia todo el sonido es reflejado. Cámara semi-anecoica: Recinto en cuyo interior se obtiene un campo libre. Campo difuso: Espacio con gran número de ondas reflejadas provenientes de todas las direcciones que se combinan. La densidad media de energía acústica es uniforme en cualquier punto del campo. Campo libre: Campo acústico en un medio sin límites homogéneo e isótropo. En la práctica es un campo en el que las reflexiones en los límites son insignificantes sobre el rango de frecuencias de interés. Fluctuation strength: Parámetro psicoacústico que define la sensación de variación de nivel o volumen provocada por una modulación de frecuencia inferior a 20 Hz. Loudness (sonoridad): Parámetro psicoacústico que tiene en cuenta el enmascaramiento frecuencial producido en el oído. Parámetros psicoacústicos: Estudian la percepción subjetiva de las cualidades del sonido (intensidad, tono y timbre). Rattle (o golpeteo): Ruido causado por un movimiento perpendicular entre superficies en contacto o próximas. Está asociado a los impactos producidos entre las piezas. Resonancia mecánica: Fenómeno que se produce cuando un sistema mecánico en vibración es sometido a una fuerza exterior, cuya frecuencia coincide con la frecuencia natural característica de dicho sistema. Capítulo 7. Glosario. 101 Roughness (aspereza): Parámetro psicoacústico relacionado con la estructura temporal del sonido como consecuencia de la modulación de un ruido. Ruido de fondo: Ruido procedente de todas las fuentes distintas a la fuente sometida a ensayo. Puede estar compuesto por ruido aéreo, por vibraciones estructurales y por el ruido eléctrico de la instrumentación. Sharpness (estridencia): Parámetro psicoacústico que permite la evaluación del timbre y se define en función de la sensación de placer o desagrado de un sonido en todo el espectro. Squeak (o chirrido): Ruido causado por un movimiento tangencial entre superficies en contacto. Está asociado al fenómeno del stick-slip causado por la fricción. Stick-slip: Fenómeno que ocurre durante el contacto dinámico entre dos cuerpos, manifestándose al producirse el avance de una superficie sobre la otra a saltos. Vibración: Movimiento oscilatorio de deformación de las partes de los cuerpos sólidos. Queda definido por el desplazamiento, velocidad y aceleración con respecto a un punto dado de medida y como función del tiempo. Capítulo 8. Bibliografía. 102 Capítulo 8: BIBLIOGRAFÍA Capítulo 8. Bibliografía. 103 CAPÍTULO 8. Bibliografía. Artículos de la web Science Direct. o E. Hills, B.R. Mace, N.S. Ferguson. “Acoustic response variability in automotive vehicles”. Journal of Sound and Vibration, 321, (2009): 286–304. o Norman S. Eiss and Jorge Hanchi. “Stick–slip friction in dissimilar polymer pairs used in automobile interiors”. Tribology International, Volume 31, Number 11, (1998): 653-659. o Mohammad Asaduzzaman Chowdhury, Md. Maksud Helali. ”The effect of amplitude of vibration on the coefficient of friction for different materials”. Tribology International, 41 (2008) 307–314. o Boyko L. Stoimenov, Suguru Maruyama, Koshi Adachi, Koji Kato. “The roughness effect on the frequency of frictional sound”. Tribology International 40 (2007): 659–664. o T. Jibiki, M. Shima, H. Akita, M. Tamura. “A basic study of friction noise caused by fretting”. Wear, 251 (2001): 1492–1503. o Arne Nykänen, Anna Sirkka. “Specification of component sound quality applied to automobile power windows”. Applied Acoustics, 70 (2009): 813–820. Informes de proyectos internos del ITA. Libros de formación básica de ruido y vibraciones de Brüel & Kjær. Acústica y vibraciones en automoción. IDIADA. Manual de usuario de los equipos HEAD Acoustics HMS III.0, analizador de ruido 01dB Symphonie y vibrador LDS V550. 104