En las últimas décadas, el ruido en electrodomésticos ha sido uno de los temas de más interés de comprender y controlar con mayor precisión por las empresas manufactureras en etapas tempranas de diseño. La baja emisión de ruido no sólo determina el éxito de venta de un producto, sino que también ayuda al desarrollo y cumplimiento de estándares de regulación de ruido, tales como EN-60704 para refrigeradores, que establece un valor global del nivel de presión sonora (SPL) máximo de 40 decibeles (dB) para obtener la etiqueta ecológica, o la ANSI/ASHRAE 62.2 para campanas de cocina, que establece un valor de 3 a 5.5 sones, dependiendo de la capacidad de flujo del producto.
Algunos investigadores se han enfocado en cuantificar el nivel de ruido de diferentes electrodomésticos en una cocina, por medio de mediciones con micrófonos; esto también les ha permitido identificar sus principales fuentes vibroacústicas y proponer soluciones para reducir la transmisión de ruido en el hogar, pero esto es sólo una solución parcial, ya que no soluciona el problema por completo.
Comúnmente, la reducción del ruido que genera un producto se lleva a cabo después de ensamblar, midiendo los niveles de SPL emitidos por este, para su posterior análisis, dando a conocer las frecuencias de ruido más altas del sistema, que pueden asociarse a la frecuencia de trabajo de las fuentes y las rutas de transmisión.
De esta manera, pueden hacer varias propuestas de solución usando un método de prueba y error que da como opciones: la reducción de ruido de la fuente, cambiar las rutas de transmisión, modificar las características del receptor agregando material absorbente o aislante. Esto es una gran desventaja, ya que en etapas finales de diseño es difícil modificar alguno de los elementos transmisores y agregar parches implica un alto costo al producto final.
Para evitar soluciones costosas y que requieren más tiempo, es necesario desarrollar modelos numéricos en etapas tempranas de diseño para predecir la radiación de sonido al entorno que los rodea, antes de tener el ensamble ya construido. Esto proporciona información valiosa del comportamiento vibroacústico del producto y se pueden aplicar varias soluciones viables rápidamente, por lo tanto, se ahorra tiempo y costo. La combinación de simulación y mediciones experimentales proporcionan una manera eficiente de modelar el comportamiento vibroacústico de un producto para generar soluciones óptimas de reducción de ruido.
Generalmente, las etapas de diseño parten de fuentes de ruido definidas previamente para cumplir las funciones que realizará el sistema; debido a esto, uno de los primeros pasos para construir un modelo de ruido es la caracterización de las fuentes del sistema, para usarlos como entrada al modelo, esto se puede realizar por medio de mediciones experimentales.
Los métodos más importantes para desarrollar modelos de simulación utilizan como entrada datos experimentales caracterizados en función de la potencia acústica y vibratoria generadas por las fuentes. Uno de estos métodos es el análisis estadístico de energía (SEA), que ha sido utilizado con éxito en electrodomésticos como refrigerador y lavadora.
En la actualidad, el grupo de diseño de la Unidad de Alta Tecnología de la Facultad de Ingeniería (UAT-FI), en colaboración con la empresa de electrodomésticos Mabe, trabaja en la caracterización de fuentes de ruido y vibración en algunos productos como refrigeradores y campanas de cocina. Esto no sólo proporcionará salidas que puedan ser útiles para caracterizar las fuentes vibroacústicas, sino también alimentará modelos de simulación (datos de entrada).
Una fuente puede irradiar ruido a través de varios caminos, que es transmitido a través de la estructura o a través de un fluido, como el sonido que se emite por el aire y llega hasta los oídos del ser humano. Las fuentes son identificadas por medio de una medición de SPL del producto completo, acorde a la norma ISO-3741, identificando tres diferentes fuentes, en el caso del refrigerador: compresor, ventilador condensador y ventilador evaporador. Mientras que en el caso de la campana de cocina es una fuente: el ventilador de extracción.
Lo siguiente es aislar las fuentes de la estructura mecánica para poderlas caracterizar en un espacio controlado, en este caso usamos una cámara semi-anecoica acorde a la norma ISO-3745 para caracterizar la potencia acuática en un entorno de campo libre. El compresor fue colocado en el piso sobre dos masas y las otras fuentes se suspendieron con varias cuerdas elásticas, también se verificó que estas no distorsionaran el ruido generado por los ventiladores. Las ubicaciones de medición del SPL se distribuyeron en diez posiciones en una superficie hemisférica que rodea la fuente, colocando un micrófono en cada una de las posiciones, como se muestra en la Figura a).
La potencia acústica media se puede calcular utilizando los datos de presión acústica media. Para la medición de potencia estructural se utiliza el método RPM de dos etapas. La primera es la medición de las velocidades libres sobre los puntos de unión de las fuentes, acorde a la norma ISO-9611; y la segunda etapa es cuantificar la potencia de sonido transmitida por la estructura de fuentes con cualquier número de puntos de contacto, acorde con la norma EN15657. En las figuras b), c) y d) se muestra la configuración experimental para medir las velocidades libres de las fuentes.
Para evitar la transmisión de vibraciones desde la fuente a otros dispositivos, el compresor y los ventiladores se suspendieron a una distancia del piso, usando varias cuerdas elásticas. Las pruebas se realizan utilizando varios acelerómetros colocados en los puntos de contacto donde las fuentes se acoplan con otros componentes.
La UAT-FI ha utilizado los datos obtenidos de la caracterización experimental de las fuentes vibroacústicas para alimentar modelos SEA de electrodomésticos, obteniendo buenas predicciones y validando los modelos, para después usarlos como una herramienta de diseño y observar los caminos principales de emisión de ruido.
Estos modelos SEA y la metodología de caracterización también ayudan a la selección apropiada de fuentes como punto de partida de diseño antes de tener el ensamble final. Además, se explora la utilidad de los datos experimentales de las fuentes vibroacústicas con otro tipo de metodologías de modelado.
El doctor Roberto Zárate Espinosa es académico de la Unidad de Alta Tecnología de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, Campus Juriquilla
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