Aún teniendo un origen similar, y muy a menudo común (salvo en los ruidos aerodinámicos), el ruido y las vibraciones son dos problemas que han sido tratados por separado por la normativa, principalmente por la diferente percepción de los mismos. En realidad, desde el punto de vista de su tratamiento y reducción, las principales diferencias entre ruido y vibraciones provienen de los diferentes rangos de frecuencia (0,1 Hz - 80 Hz en vibraciones y 20 Hz - 20 kHz en ruido) y la diferente importancia de los mecanismos de transmisión. y caminos (la transmisión aérea es a menudo dominante en ruido e inexistente en vibraciones).

El planteamiento de soluciones para la reducción de ruido y vibraciones suele implicar reducir la generación del problema en la propia fuente o, si esto no es posible, reducir su transmisión al receptor. Como ya se mencionó al inicio de esta introducción, la generación suele estar ligada al funcionamiento de la máquina y puede ser muy específica para cada tipo de máquina, por lo que no existen soluciones genéricas y la reducción de la generación puede provocar una pérdida de producto. funcionalidad que hace inviable su aplicación. Por el contrario, los caminos de transmisión tienden a tener mecanismos comunes para muchos tipos de maquinaria de obra pública, por lo que el estado de la técnica actual se ha centrado en las tecnologías disponibles para reducir la transmisión de vibraciones y ruido. La reducción en los propios receptores mediante la aplicación de cascos o enchufes se ha dejado expresamente fuera del alcance del documento, ya que esta opción puede ser una recomendación del fabricante, pero no concierne al diseño de la máquina en sí.

Las diferentes tecnologías que existen actualmente para reducir la transmisión y radiación de ruido y vibraciones se presentan en este apartado divididas según su objetivo, es decir, reducción de vibraciones o reducción de ruido (aunque algunas de las soluciones son efectivas en ambos aspectos) y según al tipo de tecnología (tradicional o nueva).

Tradicionalmente, la reducción en la transmisión de vibraciones se logra aplicando uno de los siguientes métodos: acoplamientos elásticos, amortiguadores y amortiguadores afinados.

Los acoplamientos elásticos se basan en el desacoplamiento de grados de libertad entre diferentes componentes provocado por la introducción de un elemento de baja rigidez. El objetivo es obtener un sistema con una frecuencia natural muy por debajo de la frecuencia de las fuerzas de excitación dinámica. De esta forma se pueden conseguir reducciones muy importantes de las fuerzas dinámicas transmitidas. El elemento elástico generalmente está hecho de materiales similares al caucho, para agregar amortiguación al mismo tiempo (su efecto se analiza en el siguiente punto). La principal limitación de utilizar elementos elásticos como filtro es que el sistema puede volverse muy inestable cuando la frecuencia de la excitación desciende (por ejemplo durante un arranque) y que para conseguir frecuencias naturales muy bajas es necesario reducir excesivamente la rigidez, poniendo en peligro la estabilidad del sistema (por ejemplo contra vuelcos o impactos), por lo que su utilidad suele estar restringida a rangos de frecuencia media (superiores a 10 Hz). En este método se incluyen los 'silent-blocks' para el montaje de motores, compresores, etc.

Los sistemas de amortiguación se basan en reducir la amplitud de la respuesta dinámica de un sistema lograda mediante la introducción de una disipación viscosa entre las partes a aislar, usualmente mediante el paso de fluidos a través de orificios. Son especialmente útiles en rangos de frecuencia muy baja (<3 Hz), donde no es factible desacoplar piezas introduciendo solo un elemento elástico porque entra en conflicto con otros requisitos funcionales. Un ejemplo clásico de aplicación serían las suspensiones de vehículos, que basan la reducción de vibraciones en este tipo de elementos y tienen un compromiso entre estabilidad y comodidad o el uso en lavadoras, donde existen varias frecuencias de excitación, se utiliza en combinación el acoplamiento elástico. para las frecuencias medias y amortiguadores para las frecuencias bajas. Este tipo de elemento tiene problemas de funcionamiento a muy bajas velocidades donde el fluido no ejerce casi resistencia o a altas velocidades, donde se vuelve excesivamente rígido.

Finalmente, los amortiguadores sintonizados es una técnica que se basa en añadir a la parte en la que se pretende reducir las vibraciones una masa unida por un elemento elástico y amortiguador (normalmente un elastómero) cuya frecuencia natural coincide con la frecuencia. de emoción. De esta forma, la energía vibratoria fluye hacia este nuevo sistema donde se disipa de manera más eficiente, reduciendo la respuesta en la mayor parte. Esta solución es muy eficaz en la frecuencia para la que está diseñada, pero totalmente ineficaz en el resto del espectro. Un ejemplo de aplicación clásico es la reducción de las vibraciones en vacío de las varillas de dirección de los automóviles.

Las nuevas tecnologías para reducir la transmisión de vibraciones pueden agruparse en técnicas semiactivas o activas. Los dos tipos de dispositivos tienen una característica común que es la necesidad de un sensor y una fuente de energía externa, y los activos se diferencian porque actúan sobre el sistema introduciendo nuevas fuerzas dinámicas.

Por un lado, con materiales adaptativos o inteligentes (control semiactivo), el gran esfuerzo investigador en el desarrollo de nuevos materiales y en la búsqueda de nuevas aplicaciones de los mismos está permitiendo evolucionar las tecnologías tradicionales de aislamiento de vibraciones presentadas en el punto anterior, con lo que se llama materiales adaptativos o inteligentes (materiales reológicos). Estas tecnologías se basan en el uso de sensores para analizar la situación de trabajo y en la modificación controlada mediante la aplicación de campos magnéticos o eléctricos de las propiedades de los elementos aislantes para que se adapten a las necesidades detectadas de forma 'inteligente'. De esta forma, es posible conseguir acoplamientos elásticos y amortiguadores que pierden rigidez cuando tienen que aislar bajas frecuencias, pero se endurecen cuando es necesaria una mejor estabilidad, 'amortiguadores tunned' que siempre se adaptan a la frecuencia de trabajo, o amortiguadores que solo amortiguan cuando sea necesario, eliminando o reduciendo las limitaciones que tienen los elementos tradicionales.

En la actualidad, los materiales reológicos se encuentran en fase de investigación, aún lejos de su aplicación industrial. Por el contrario, los fluidos reológicos están disponibles comercialmente y están presentes en varios productos.

Debe distinguirse entre fluidos magnetorreológicos y fluidos electrorreológicos (según el tipo de campo a aplicar). Los primeros permiten rangos de fuerza mucho mayores, mientras que los segundos tienen las ventajas de un menor consumo y la posibilidad de ser de dimensiones reducidas (aplicaciones como pantallas táctiles y dispositivos médicos). Los fluidos magnetorreológicos pertenecientes a Lord se están utilizando principalmente en el desarrollo de sistemas de suspensión y amortiguadores avanzados, principalmente por su capacidad para introducir alta fuerza disipativa a baja velocidad (limitación de los tradicionales), a su alto rango dinámico (ratio máximo fuerza / fuerza mínima) y su ajustabilidad en rangos de hasta 100 Hz.

Ejemplos de aplicación de fluidos magnetorreológicos

Algunas aplicaciones en diferentes sectores industriales se enumeran y presentan a continuación:

Por otro lado, el control activo de vibraciones es una tecnología basada en la introducción de fuerzas dinámicas de tal forma que interfieren y eliminan o reducen vibraciones no deseadas. Para ello, es necesario contar con sensores que permitan conocer la respuesta, sistemas de procesamiento de señales y actuadores, todo controlado en tiempo real. La principal aplicación es para la reducción de vibraciones con componentes tonales muy fuertes y generalmente deben combinarse con otras medidas tradicionales para aumentar su efectividad.

La introducción de este tipo de control de vibraciones es capaz de lograr reducciones significativamente mayores que las técnicas tradicionales y semiactivas, principalmente en los rangos de baja frecuencia, pero a pesar de que los sistemas microelectromecánicos y los materiales piezoeléctricos están logrando reducir el tamaño y el precio de los sensores y actuadores, este tipo de control aún se encuentra en fase de desarrollo, y su costo es muy elevado en comparación con los sistemas tradicionales. De esta forma se están introduciendo principalmente en aeronáutica (aviones, helicópteros, satélites) y en instrumentos de alta precisión. Cabe destacar la existencia de asientos diseñados específicamente para maquinaria de obra pública y maquinaria agrícola que utilizan técnicas de control activo o semiactivo.

A menudo, el objetivo final del control activo de la vibración es la reducción del ruido, donde la eliminación de las bajas frecuencias por métodos tradicionales es muy problemática. Los ejemplos de aplicación se presentan en la sección de control de ruido activo, que también podrían considerarse como controles de vibración activos.

En la reducción de ruido, las técnicas de aislamiento de vibraciones discutidas anteriormente se aplican comúnmente, siempre que la transmisión estructural del ruido sea dominante. Dado que ya se han comentado específicamente en la sección de vibraciones, no se presentan en este punto. Esta sección se centra en las técnicas para reducir la transmisión de ruido aéreo.

Aunque se pueden agrupar de varias formas, en esta discusión se han dividido en función del mecanismo físico de reducción. En aplicaciones prácticas, normalmente se combinan dos o más mecanismos al mismo tiempo para mejorar la eficacia.

El aislamiento es el mecanismo básico de reducción de ruido en la transmisión aérea. Las ondas sonoras pierden una gran cantidad de energía al atravesar un elemento sólido y por tanto se reduce la transmisión. Las soluciones basadas en aislamiento suelen adoptar la forma de envolventes o pantallas.

El aislamiento acústico de los paneles depende en gran medida de la frecuencia, no solo por las diferencias en las longitudes de onda acústicas, sino también por el tipo de vibración inducida en el panel por el ruido incidente. De esta manera, se pueden distinguir diferentes áreas en el espectro de frecuencias. El rango no se especifica ya que el concepto de baja o alta frecuencia depende del tamaño del panel y de la relación rigidez a la flexión / peso y, por lo tanto, es relativo. En la zona de muy baja frecuencia, la rigidez es lo que controla el aislamiento, aunque esta zona suele estar fuera del rango de interés. En la zona de bajas frecuencias suele haber una respuesta resonante y por tanto la amortiguación del material es crítica en la evaluación del aislamiento. En las frecuencias medias, el parámetro fundamental es la masa y en la zona de altas frecuencias, a partir de la frecuencia de coincidencia, el amortiguamiento vuelve a ser clave.

En la mayoría de aplicaciones, lograr un buen aislamiento requiere la introducción de elementos muy pesados ​​y, si es posible, elementos de alta amortiguación, lo que generalmente no es deseable debido a problemas de rigidez, espacio y peso. A esto hay que añadir que la mayoría de los elementos que provocan ruido aéreo en la maquinaria son, además de fuentes de ruido, fuentes de calor, por lo que necesitan ventilación, pudiendo reducir drásticamente la eficacia de un cerramiento y requiriendo otros sistemas de aislamiento. en las rejillas de ventilación (filtros de absorción o acústicos).

Con la absorción, las ondas sonoras pierden energía al atravesar un medio poroso. Si este medio se coloca sobre una superficie rígida, el efecto que se consigue es una reducción de la energía de la onda reflejada. Este principio se utiliza para reducir el nivel de ruido en el interior de las habitaciones, ya que, por ejemplo, el ruido percibido en el interior de una cabina puede ser entre 5 y 10 dB superior al provocado por la misma fuente sonora en un espacio abierto. debido al aporte del campo reverberante provocado por los reflejos en las paredes del cerramiento. Los tratamientos absorbentes están destinados a minimizar la contribución del campo reverberante. El uso combinado de absorción con aislamiento es muy común, ya sea mediante el uso de un revestimiento absorbente en la pared interior del cerramiento o en las aberturas de ventilación del mismo. El comportamiento de los materiales absorbentes depende en gran medida de la frecuencia y su efecto es prácticamente insignificante en la parte inferior del espectro. Un caso particular de absorción es el uso de resonadores de Helmholtz que pueden aumentar significativamente la absorción a frecuencias bajas-medias. Se basan en el mismo concepto que los 'amortiguadores sintonizados' pero en su analogía acústica la rigidez se convierte en un tubo de aire, la masa se convierte en un volumen de aire y la amortiguación se convierte en un material poroso. Con este tipo de dispositivos se consiguen absorciones muy elevadas a una determinada frecuencia, pero su efecto es prácticamente nulo en el resto del espectro de frecuencias.

Estos sistemas de reducción de ruido se basan en la reflexión que sufre una onda acústica cuando encuentra un cambio de impedancia en el medio por el que se transmite. Este tipo de dispositivo se usa comúnmente para reducir la transmisión en los conductos de ventilación o escape y da como resultado un cambio repentino de sección. A menudo se combinan con tratamientos absorbentes y se conocen como silenciosos.

Las nuevas tecnologías se han dividido en dos grupos muy diferenciados: por un lado, las posibilidades que ofrecen en este campo los nuevos materiales y, por otro, las soluciones de control activo.

La mejora continua en el desarrollo de nuevos materiales poliméricos y aleaciones metálicas tiene aplicación en el campo de la reducción de ruido y vibraciones. Básicamente, sus posibilidades provienen de las mejoras que se pueden conseguir en las propiedades mecánicas del material, principalmente una alta amortiguación compatible con una buena rigidez y resistencia. Se presentan en el apartado de ruido ya que, si bien pueden tener aplicación para la reducción de vibraciones, su efectividad es mucho mayor en rangos de frecuencia media y alta, y por tanto en el campo de la acústica. El uso de un material con alta amortiguación provoca que las amplitudes de vibración de los paneles en los rangos de frecuencia media se reduzcan significativamente y, por lo tanto, la cantidad de ruido irradiado.

Estos nuevos materiales incluyen lo siguiente:

Por otro lado, el control activo de ruido es una técnica que se basa en la emisión por una fuente de ruido secundaria de una onda acústica en contrafase con la principal, de manera que interfiera con la señal de ruido eliminando o reduciendo su amplitud. De manera análoga al control activo de vibraciones, requieren la disposición de micrófonos, procesamiento de señales en tiempo real, un controlador y un emisor acústico.

Llevar a cabo una cancelación efectiva es muy complicado en la práctica excepto en los casos en los que el ruido tiene componentes tonales muy marcados y en rangos de frecuencia por debajo de 500 Hz. A este hecho hay que añadir que son soluciones que están muy localizadas en el espacio, es decir, pueden ser muy efectivas en el punto de control pero volverse muy dañinas en otros puntos, por lo que es necesario tener muy bien los potenciales receptores de ruido. localizado. En general, son sistemas complejos que aún se encuentran en fase de investigación y su utilidad se espera solo en aplicaciones con niveles muy altos en la zona de baja frecuencia, donde los métodos pasivos son muy ineficientes y siempre combinados con un tratamiento tradicional.

Control activo de vibraciones y ruidos

Las líneas de trabajo e investigación actuales más importantes en control activo de vibraciones y ruido son las siguientes (se presentan en este apartado juntas):

Dentro del sector nacional de maquinaria de obra pública, en la actualidad se siguen utilizando, tanto en el ámbito del ruido como en el de las vibraciones, se pueden considerar soluciones de tipo pasivo (tradicionales), y la penetración de las técnicas que hemos denominado nuevas tecnologías. inexistente. Sin analizar exhaustivamente las aplicaciones, para el aislamiento de elementos ruidosos (como compresores y motores) se utilizan fundamentalmente cerramientos con tratamientos absorbentes en el interior y en las entradas de ventilación, así como silenciosos en los escapes. También está muy extendido el uso de tratamientos absorbentes en el interior de las cabinas y cabinas para reducir los niveles soportados por el operador.

En cuanto a vibraciones, prácticamente todas las aplicaciones utilizan soportes elásticos con materiales tipo caucho o caucho-metal para el montaje de equipos con altos niveles de vibración. El uso de amortiguadores también está muy extendido para aplicaciones donde es necesaria una amortiguación de alta baja frecuencia con cargas elevadas (principalmente en suspensiones o similares). Los ejemplos de amortiguación ajustada o la incorporación de elementos elásticos a base de aire para mejorar la efectividad en baja frecuencia son mucho menores.

En el ámbito internacional, existen empresas del sector de maquinaria de obra pública que ya están introduciendo sistemas de control activo y semiactivo en vibraciones en algunos de sus productos de alta gama, como Caterpillar y John Deere con el diseño de asientos. que incorporan estas tecnologías.

Los asientos, que habían evolucionado de soportes rígidos a soportes elásticos y más tarde a suspensiones neumáticas, ahora van un paso más allá y son el componente pionero dentro del sector.

Los sistemas semiactivos incorporados en los asientos se basan en el uso de fluidos magnetorológicos en amortiguadores. La principal ventaja es que permite reducir la rigidez del montaje del conjunto pero limitando los desplazamientos máximos permitidos al asiento mediante la acción del amortiguador. De esta forma se evita la sensación de bamboleo que sufre el operario, manteniendo un buen aislamiento de las vibraciones de baja frecuencia. Además, su funcionamiento es independiente del peso del operador (limitación de los tradicionales).

Los sistemas activos utilizados en estos asientos incorporan un actuador hidráulico con un sistema de control que anula los efectos de las vibraciones que son introducidas por la base. Esta tecnología permite una reducción mucho mayor que con cualquiera de los otros sistemas.

Aplicaciones comunes para el control de vibraciones y ruido

En más detalle, se presentan aplicaciones comunes para el control de ruido y vibraciones en varios tipos de máquina:

Las aplicaciones en el sector de maquinaria de obra pública que son capaces de utilizar nuevas tecnologías son muy amplias, ya que en general todos los productos que actualmente utilizan métodos tradicionales son susceptibles de ser combinados o sustituidos por técnicas de reducción avanzadas. . La cuestión clave son los retos tecnológicos que implica para los fabricantes y si se justificará o no el elevado coste de los elementos activos y semiactivos frente a los pasivos.

Con un horizonte temporal corto, la tendencia tecnológica del sector en la reducción de ruidos y vibraciones debe ser el uso óptimo de las soluciones pasivas tradicionales. De esta manera, las empresas aumentarán la conciencia de los problemas y limitaciones específicos de sus productos que no se pueden superar con los artículos actuales. Este paso es un prerrequisito imprescindible para poder valorar la necesidad y la potencial mejora que se puede obtener con el uso de sistemas semiactivos o activos y en paralelo se espera que existan cada vez más soluciones económicamente asequibles, mejorando la viabilidad económica. .

Cabe destacar que a pesar de que se consideran como 'tradicionales' en los sistemas de aislamiento de vibraciones, en los últimos años se han desarrollado elementos tipo 'bujes' que combinan material elastomérico, metálico y fluido y, de esta forma, pueden diseñarse para ser óptimos para una aplicación específica.

También el uso de otros elementos elásticos como los sistemas neumáticos en más aplicaciones (solo común en asientos) o la introducción de amortiguadores ajustados o amortiguadores por etapas pueden conllevar mejoras respecto al estado actual.

Aunque los elementos reductores de vibraciones semiactivos y activos, como las suspensiones MR y los asientos antes mencionados, ya están disponibles comercialmente, se considera que aún se encuentran en una etapa temprana de desarrollo y solo se recomiendan en los casos en que se han utilizado soluciones pasivas. mostrado insuficiente.

El principal desafío tecnológico que se presenta a corto plazo a las empresas del sector es la dificultad para llegar a una solución tradicional optimizada para el control de ruido y vibraciones con las técnicas de desarrollo a su alcance. En el mejor de los casos, en la actualidad, las empresas solo cuentan con instrumentación y conocimientos técnicos específicos para poder evaluar el resultado final en cuanto a los valores exigidos por la normativa (medida de presión / potencia acústica y exposición y transmisión de vibraciones a el cuerpo). Con estas capacidades, la obtención de una solución verdaderamente óptima puede requerir la realización de numerosos prototipos y pruebas, estando el resultado final altamente condicionado a la intuición y al éxito en la definición de los prototipos.

Para paliar esta dificultad, es necesario mejorar la formación específica en ruido y vibraciones de los responsables del diseño de producto y la colaboración con empresas de ingeniería, centros tecnológicos o universidades especializadas en la realización de estudios avanzados que den soporte en el diseño de mecanismos de control. .

El impacto esperado de estas actuaciones está muy condicionado por la eficacia de la solución actual en cada caso particular, y la viabilidad de introducir medidas auxiliares o mejor ajustadas para controlar el ruido y las vibraciones. Como referencia, se estima que se pueden conseguir reducciones en el nivel de vibraciones del 20 al 50% y reducciones de ruido de entre 3 y 6 dBA.

Con estas estimaciones de reducción es posible asegurar el cumplimiento de la normativa específica de cada máquina y un aumento significativo de las horas de trabajo diarias por parte del mismo operario sin sobrepasar los límites permitidos de exposición diaria a ruidos y vibraciones, mejorando así claramente la competitividad del producto. .

A medio plazo, es probable que se desarrolle el conocimiento en materiales inteligentes, que mejorarán tanto en diseño y capacidad como en los procesos de fabricación, haciendo la tecnología más asequible. Como ya se mencionó, los materiales reológicos apuntan a ser los que tienen más posibilidades de implementación en un plazo no muy largo, ya que el resto (agrupados en materiales de alta amortiguación) probablemente continúen teniendo costos excesivamente altos.

A largo plazo, se espera que tanto los nuevos materiales con propiedades mejoradas como los controles activos de vibración sean más competitivos. Los nuevos materiales pueden conducir a mejoras en el aislamiento acústico aéreo, ya que su alta amortiguación servirá para reducir la transmisión y radiación del ruido a bajas y altas frecuencias. También se espera que los sistemas de vibración semiactiva y activa se comercialicen como soluciones integradas en un tamaño menor y menor precio, por lo que podrán reemplazar los rodamientos elásticos tradicionales y representarán una mejora drástica en este aspecto. En cuanto al control activo del ruido, no se espera que tenga una aplicación en el sector salvo el posible uso en escapes combinados con silenciosos.

Los retos tecnológicos que se esperan en este caso (teniendo en cuenta que se han superado los relativos al corto plazo) serán principalmente la adecuada selección de nuevos materiales y su incorporación a los procesos de fabricación y montaje en combinación con materiales tradicionales manteniendo la competitividad económica. del producto. También se prevé que la electrónica incorporada y los sensores necesarios para los controles activos y semiactivos pueden presentar problemas para adaptarse a entornos de trabajo tan exigentes como los que encuentran los productos de la industria.

Como se ha comentado sobre el impacto a corto plazo, las reducciones de ruido y vibraciones que permitirán estas tecnologías dependerán en gran medida de la aplicación específica y de las limitaciones de las soluciones pasivas y materiales tradicionales. Como ejemplo, los asientos activos y semiactivos pueden proporcionar reducciones de hasta un 30% con respecto a las soluciones pasivas con elementos neumáticos.

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