En la actualidad, la electromovilidad se ha vuelto cada vez más recurrente debido a las bondades que provee. Estas van desde no contaminar el medio ambiente, al no emitir gases nocivos, hasta el traslado eficiente a costos cada vez más bajo y competitivos respecto a los vehículos convencionales de combustión interna. Debido a su relevancia, uno de los primeros gobiernos en actuar es el de California en Estados Unidos, donde han establecido prohibir la venta de vehículos nuevos de gasolina o diésel, y que sólo sean vendidos vehículos eléctricos nuevos con cero emisiones para el año 2035. Este es un claro ejemplo de la transición hacia una movilidad más limpia y sostenible.
Sin embargo, la decisión de comprar un vehículo eléctrico ya no sólo recae en aspectos importantes como el de cero emisiones, la distancia máxima que puede recorrer con una sola carga de su batería (autonomía), la velocidad o el torque que puede alcanzar, la estética y el manejo que brinda. Ahora también juega un papel importante el confort que brinda por medio de diversos factores. Uno de los más importantes es el ruido y la vibración que puede llegar a percibir el conductor y sus pasajeros al estar en el vehículo, ya que este puede ser asociado a la calidad del producto, que a su vez resulta en la satisfacción del consumidor. Debido a esto, las industrias automotrices se han enfocado en elaborar productos con una menor emisión de ruido y vibración que satisfaga al usuario; además de evitar que las vibraciones puedan dañar los componentes del vehículo y se garantice el éxito de ventas, no cuidar este tema puede evitar que el dispositivo entre al mercado si no cumple con los estándares del ruido total producido. Un claro ejemplo lo da la Unión Europea (EU), que reglamentó los niveles de presión acústica (SPL) máximos permitidos para automóviles de categoría M y N, los cuales especifican un SPL máximo para la categoría M desde 70 a 78 decibelios –dB(A)– y para la categoría N desde 71 a 81 dB(A). Aunque estos tienden a cambiar, y en 4 años se volverán más estrictos, permitiendo un SPL para la categoría M desde 68 a 77 dB(A) y para la categoría N desde 69 a 79 dB(A).
Debido a la hegemonía de los autos de combustión interna desde su invención, muchos investigadores han desarrollado métodos y estándares ampliamente validados para caracterizar el nivel de presión acústica generado por estos e identificar la causa raíz de grandes emisiones de ruido, pero las fuentes y caminos de trasmisión de ruido y vibración cambian para un vehículo eléctrico, por lo que es necesario desarrollar una metodología para caracterizarlos, ya que estos brindan un control del ruido excesivo.
El grupo de diseño de la Unidad de Alta Tecnología de la Facultad de Ingeniería (UAT-FI) trabaja en la identificación de los principales caminos de trasmisión de ruido y vibración en un vehículo eléctrico, para lo cual es necesario la caracterización del ruido generado por la fuente principal, aislándola del sistema. Una fuente puede irradiar ruido a través de varios caminos de trasmisión por medio de la estructura, o trasmitido a través de un fluido (llamados en inglés Structural-borne noise y Air-borne noise), para los casos más comunes es el sonido que se emite a través del aire y llega hasta los oídos del ser humano. Si se caracterizan los caminos de trasmisión de ruido de la fuente, estos se pueden asociar a elementos receptores dentro de un modelo numérico del sistema total y obtener los caminos dominantes por donde se trasmite la mayor cantidad de energía acústica y vibratoria (ya que es muy complicado medir experimentalmente estos caminos). Estos caminos de trasmisión proporcionan información muy útil para mejorar el diseño vibro-acústico del vehículo eléctrico y reducir las emisiones de ruido hacia el interior y exterior de este.
Inicialmente la UAT-FI desarrolló la medición experimental y la evaluación de la potencia estructural generada por el motor de una cuatrimoto eléctrica (diseñada y fabricada por UAT-FI). La medición consiste en dos etapas. La primera es aislar la fuente del sistema y medir experimentalmente las velocidades libres sobre los puntos de unión entre la fuente y la base de montaje; la segunda etapa implica la cuantificación de la potencia acústica trasmitida por la estructura usando el método de movilidad para uniones complejas y el método de placa receptora (RPM) para uniones simples.
La primera etapa es la medición de la suma de las velocidades libres sobre los puntos de contacto de la fuente, basado en un método estandarizado ISO-9611. Después los resultados obtenidos son usados para cuantificar la potencia sonora trasmitida por la estructura. Las mediciones se llevan a cabo en un espacio aislado. El motor es suspendido con varias cuerdas elásticas para las evaluaciones experimentales de las velocidades libres, usando varios acelerómetros (B&K tipo 4525) colocados en los puntos de contacto donde la fuente se acoplan con otros elementos (4 para el motor), como se muestra en la Figura 1.
Los datos experimentales serán recolectados en el rango de 0 a 1,800 hertz (Hz) y procesados con un sistema adquisidor de datos usando canales independientes para la aceleración. Las señales adquiridas en función del tiempo de la aceleración en cada punto de contacto se integrarán usando un filtro para obtener la velocidad de cada punto de contacto. Los datos se procesan en un análisis de espectro FFT dentro de bandas de frecuencia de una tercia de octava con un tiempo promedio de 32 segundos. Para obtener la suma de las velocidades libres en todos los puntos de contacto de cada fuente en bandas de una tercia de octava, se sumarán los niveles de velocidad de cada punto para obtener la velocidad total generada de toda la fuente. Para la segunda etapa se evalúan las movilidades del elemento receptor y los puntos de unión de la fuente y se calcula la potencia estructural sonora usando el método RPM.
Esta caracterización proporciona salidas útiles no sólo para caracterizar las fuentes vibro-acústicas, sino también para alimentar modelos numéricos. Actualmente UAT-FI se encuentra desarrollando una metodología para evaluar el ruido aéreo generado por la fuente y a la par se está desarrollando un modelo numérico para obtener los caminos dominantes de ruido y vibración, con esto se planea realizar propuestas para mejorar el diseño vibro-acústico en el vehículo eléctrico, que conducen a bajas emisiones de ruido y validación experimental. Una vez consolidada y validada esta metodología, se visualiza aplicarla a un automóvil completo.
El doctor Roberto Zárate Espinosa es investigador en la Unidad de Alta Tecnología de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México, Campus Juriquilla
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