1. Introducción

IGSA S.A. de C.V. es una empresa mexicana que dentro de su política integral se compromete con la protección del medio ambiente y la comunidad, por tal razón se invierte en investigación desarrollo e innovación (I+D+i) a través de la vinculación con el Centro de Investigación CIATEQ en la generación de recursos humanos con el fin de desarrollar productos y servicios de calidad que cumplan los requerimientos legales o normativos de una manera responsable. Por lo anterior se da la necesidad de realizar un estudio predictivo acústico aplicado a el diseño actual comercial de una caseta acústica para planta de emergencia, el modelo de la planta ocupada es el GSCU00100S 100KVA Ref. (⁷) de IGSA. Esta planta de emergencia se considera como fuente de ruido principal en el análisis predictivo del presente proyecto, es diseñada y construida bajo sistema de certificación ISO 9001-2008.

Probada bajo especificaciones de diseño y condiciones de plena carga. La planta eléctrica está compuesta de un motor diésel de cuatro tiempos con 6 cilindros en línea, tipo industrial estacionario, acoplado a un generador de corriente alterna, controles y accesorios montados y probados en fábrica usando una carga resistiva variable por un periodo de 1 hora desde 0 a 100% de la carga. Construida con silenciador para gases de escape con una sección de tubo flexible para propósitos de conexión. Las partes principales son:

Que se muestran en la Figura 1.1.

Figura 1.1 Planta IGSA Modelo: GSCU00100S. CUMMINS, 6BTA5.9G6. 1800 RPM, 60 HZ. 

Las pruebas aplicadas a la Caseta actual comercial para planta de emergencia Modelo GSCU00100S 100KVA presentan bajo índice de absorción de ruido acústico. Los datos de diseño y especificaciones técnicas del modelo quedan reservados por motivo de confidencialidad y protección de intereses de la empresa IGSA S.A. de C.V.

Como se ha mencionado la caseta acústica actual se comercializa sin recubrimiento acústico y cuando es requerido se cuenta con un recubrimiento de una espuma acústica convencional de poliuretano código IESA 24 FRF de 50.8mm, la cual presenta bajo índice de atenuación sonora; llegando a registrar un ruido máximo generado de aproximadamente 77dB. Dado esto se requiere el poder realizar pruebas con dos tipos de materiales de recubrimiento interno para la caseta acústica PVC Foam (80 kg/m ³) y SAN Foam (103 kg/m ³) seleccionados por sus especificaciones técnicas, y porque son materiales que comercialmente se pueden adquirir nacionalmente y se encuentran disponibles dentro de la librería de Ansys Academic Ref. (¹).

A continuación, en la Tabla 2.3. “Tabla de materiales de absorción acústica a ocupar con principales características para la realización de un estudio armónico acústico”; se presentan sus especificaciones técnicas mínimas requeridas por el simulador para poder realizar un análisis armónico con el fin de determinar el nivel de presión sonora de la geometría determinada tanto para el modelo de la caseta actual, y así como para el modelo de la caseta prototipo.

Se consideró realizar el estudio en un rango de frecuencia de 0 a 1500Hz para el análisis harmónico, dado que la frecuencia de paso considerando el motor con su eje y baleros, generador eléctrico y los alabes del sistema de ventilación se encuentran en su conjunto por arriba de 800Hz y menores a 1000Hz en un funcionamiento a carga completa de la planta de emergencia; por tal razón se establece un tope de 1500Hz con el fin de observar la respuesta en una escala más amplia de operación.

El modelado y los resultados serán evaluados de acuerdo a los lineamientos establecidos por la norma mexicana aplicada hacia fuentes fijas de emisión de ruido acústico que es la NOM-081-SEMARNAT-1994 Ref. (⁶), limitado a la selección de rango de frecuencia de paso establecida (0 a 1500hz) para el análisis a realizar. Por otro lado, se pretende el desarrollar una metodología de estudio que pueda ser aplicable para análisis posteriores.

La norma mexicana ha establecido que las diferentes fuentes de emisión de ruido deben de ser reguladas; niveles de ruido demasiado altos pueden causar daños a la salud, accidentes, afectar la productividad o la atención de las personas, ya que no se oyen las alarmas y otras señales acústicas.

En el caso de las plantas de emergencia se les considera como una fuente fija de emisión de ruido acústico. Una fuente fija es un elemento o un conjunto de elementos capaces de producir ruido que es emitido hacia el exterior a través de las colindancias del predio por el aire y por el suelo. La Tabla 1.1 muestra los límites máximos permisibles del nivel sonoro en ponderación A emitido por fuentes fijas.

Estos datos de límites máximos corresponden a la actualización del artículo 5.4 de la NOM-081-SEMARNAT-1994 publicada el 03 de diciembre del 2013 Ref. (⁸). Donde la zona objetivo de aplicación es para zonas industriales y comerciales en un horario de 6:00-22:00hrs se tiene un máximo nivel de ruido permitido de 68dB, y en el horario de 22:00-6:00hrs se tiene un máximo nivel de ruido permitido de 65dB.

Para el modelado y el análisis los puntos de medición se deben establecer de acuerdo a la norma NOM-081-SEMARNAT-1994, donde indica en el numeral 5.3.2.4.4 que “si la fuente fija no se halla limitada por confinamientos y no existe forma de determinar los límites del predio (maquinaria en la vía pública, por ejemplo), los puntos de medición deben situarse a un 1 m de distancia de ésta, a una altura del piso no inferior a 1.20 m” Ref. (^{6 pág. 7}).

El nivel de presión acústica (L) esta expresado como una magnitud logarítmica la cual se define internacionalmente como:

Ec. 1.1. Nivel de presión acústica. Ref. (^{9 pág. 6}).

Donde p0= 2 x 10-5N/m2. Esta presión corresponde aproximadamente al valor mínimo de presión que debería tener un tono puro de 1000Hz para que una persona normal lo perciba. Se entiende por p el valor efectivo de la señal temporal (frecuentemente designado como raíz cuadrática media o RMS: Root Mean Square).

El termino dB (decibel o decibelio) no es una unidad de medida, este se usa únicamente para indicar que se ha utilizado una relación logarítmica. El factor 20 (ó 10) en la Ecuación (1) se ha elegido de manera tal que 1 dB corresponde aproximadamente a la mínima diferencia en el nivel de presión sonora necesaria para que el ser humano perciba dos sonidos con distinto volumen Ref. (^{9 pág. 6}).

Para el caso donde se tienen diferentes fuentes de ruido la ecuación equivalente queda expresada por:

Ec. 1.2. Nivel de presión acústica con diferentes fuentes de ruido. N es el número de fuentes de ruido con nivel individual L _i . Ref. (^{9 pág. 7}).

Se aplicó un análisis de elementos finitos (FEA: Finite Element Analysis) en un entorno virtual a los modelos de casetas acústicas, con el propósito de realizar diferentes tipos de pruebas con los materiales de recubrimiento para la insonorización interna, FEA es la aplicación práctica del método de elementos finitos (FEM: Finite Element Method).

Carl Q. Howard y Benjamín S. Cazzolato Ref. (¹⁰) establecen que el análisis de elementos finitos es un método numérico que se puede utilizar para calcular la respuesta de una estructura complicada debido a la aplicación de las funciones de forzamiento, que puede ser una fuente acústica o una distribución de fuerzas mecánicas. FEA también se puede utilizar para estimar la potencia acústica radiada por una estructura o la distribución del campo de sonido en un espacio cerrado.

El Análisis de elementos finitos de los sistemas acústicos implica la discretización del volumen acústico en elementos y nodos. Un volumen acústico cerrado podría estar rodeado de paredes rígidas, una estructura flexible, o las paredes para su aislamiento acústico. Alternativamente, la radiación acústica de una estructura en un campo anecoico o libre, también puede ser examinado.

Los métodos de análisis se pueden utilizar para calcular los campos acústicos y vibración estructural para sólo los sistemas más simples, con geometrías típicamente limitadas a rectángulos y círculos y sus equivalentes 3D, por lo cual en el proyecto se realizaron las geometrías simples básicas de las casetas acústicas tanto para el modelo actual comercial y el modelo de caseta prototipo.

Existen dos formulaciones de elementos finitos que se utilizan para analizar problemas acústicos las cuales son presión y desplazamiento. El elemento finito que se utilizó es el elemento formulado a presión. La presión acústica L _f dentro de un elemento finito puede escribirse como:

Ec. 1.3. Ecuación de presión acústica Lf dentro de un elemento finito Ref. (^{10 pág. 13}).

Donde N _i es un conjunto de funciones de forma lineal, L _fi son presiones acústicas nodales en el nodo i, y m es el número de nodos que forman el elemento.

Para los elementos acústicos formados a presión, la ecuación de elemento finito sin pérdidas para el fluido en forma de matriz es:

Ec. 1.4. Ecuación de elemento finito sin pérdidas para el fluido en forma de matriz. Ref. (^{10 pág. 13}).

Donde [K _f ] es la matriz de rigidez de fluido equivalente, [M _f ] es la matriz de masa de fluido equivalente, {F _f } es un vector de cargas de fluido aplicadas, {L _f } es un vector de presiones acústicas nodales desconocidas y {Lf¨} es un vector de la segunda derivada de la presión acústica con respecto al tiempo.

Existen varios tipos de análisis disponibles para realizar investigaciones acústicas y de vibración utilizando el software ANSYS, más es de referenciar que el análisis acústico que se seleccionó para determinar los niveles de presión de sonido dentro de las casetas a modelar se realizó a través del tipo de análisis armónico Ref. (^{10 pág. 6}). Este es utilizado para calcular la respuesta armónica de un sistema y puede ser determinado a través de dos métodos los cuales son el método completo y el método de suma modal (o superposición). El método completo, implica la formación de las matrices de masa [M], amortiguamiento [C] y rigidez [K] y el vector de carga {f} de las ecuaciones dinámicas de movimiento. Entonces, combinando las matrices e invirtiendo la matriz combinada y multiplicándola con la carga vectorial para calcular los desplazamientos nodales {u}, la Ecuación de desplazamiento queda como sigue:

Ec. 1.5: Ecuación de desplazamiento Ref. (^{10 pág. 8})

El método de suma modal implica el cálculo de las formas de los modos de una estructura o sistema acústico, y determina que porción de cada modo, llamado factores de participación modal P _n , que contribuye en la respuesta general. La Figura 1.2 muestra el concepto del método de suma modal, considerando una viga soportada simple que tiene formas modales de vibración ψn que se asemejan al medio de ondas sinusoidales y que contribuyen para la respuesta total del sistema.

Figura 1.2 Esquema de concepto de método de suma modal. Donde las fracciones (factores de participación modal) P _n de cada forma de modo ψn contribuyen para la respuesta total del sistema. Ref. (^{10 pág. 9}). 

Para la emulación de las fuentes de ruido se consideró la utilización de fuentes de masa armónica (Generador eléctrico, Motor y Ventilador de enfriamiento), las cuales son adecuadas para realizar el análisis de respuesta armónica, puede simularse en ANSYS Workbench seleccionando dentro de la aplicación de Ansys Academic Workbench - Mechanical: desde el menú de excitación en la barra de menús de ACT Acoustics.

Una fuente de masa es un caudal másico y se define como un valor (normalizado) por unidad de volumen como Ref. (^{10 pág. 49}).

Ec 1.6: Unidades de representación para una fuente de masa armónica Ref. (^{10 pág. 49}).

Una fuente de masa puede aplicarse a un vértice, borde, cara o cuerpo, sin embargo, las unidades tienen que ser ajustadas. La Tabla 1.2 lista las unidades de la fuente de masa dependiendo del objeto al que se adjunta la fuente.

Para el análisis de la predicción de intensidad de ruido acústico se aplicó una fuente de masa de tipo Cara, tanto a la planta de emergencia, así como al sistema de enfriamiento y el alternador.

Dentro del modelado se consideró una cámara anecoica o anecoide, que es una sala diseñada para absorber en su totalidad las reflexiones producidas por ondas acústicas en cualquiera de las superficies que la conforman (suelo, techo y paredes laterales). A su vez, la cámara se encuentra aislada del exterior de cualquier fuente de ruido o influencia sonora externa. La combinación de estos dos factores implica que la sala emule las condiciones acústicas que se darían en un campo libre, ajeno a cualquier tipo de efecto o influencia de la habitación fruto de dichas reflexiones Ref. (^{9 pág. 47}).

El rango de frecuencias de la cámara anecoica suele ser desde aproximadamente los 200 Hz a los 20 kHz, con una absorción superior al 95%. Cabe destacar que existen dificultades en las frecuencias más bajas a causa de la respuesta de los materiales absorbentes y de las dimensiones de la cámara. Ref. (¹¹). Para la aplicación del estudio predictivo en la caseta acústica se generará en el modelo una cámara anecoica a través de la función Perfectly Matched Layers.

Las capas perfectamente acopladas (PMLs) se usan para absorber las ondas acústicas incidentes y no reflejan ondas excepto aquellas que viajan tangencialmente a la capa Ref. (^{12 pág. 65}). Una región PML 3-D consta de capas de elementos que se extienden desde el volumen interior hacia el dominio abierto como se muestra en la Figura 1.3.

Figura 1.3 Región PML adjunta a la región interior. Ref. (^{12 pág. 66}). 

En el diseño se creó un modelo de elementos finitos para simular un campo libre o una cámara anecoica con una región de elementos acústicos rodeada por una capa perfectamente acoplada (Perfectly Matched Layers - PLM); elementos que actúan para absorber las ondas acústicas salientes.

2. Materiales y Equipos.

El modelado acústico se realizó con el software ANSYS Academic Ref. (³), con las extensiones acústicas Ansys ACT Acoustics Extension V180.1 Ref. (⁴); las geometrías de los modelos se simplificaron a su forma más básica así como la planta de emergencia con sus tres componentes principales (Generador eléctrico, Motor y Ventilador de enfriamiento), ocupando el Software SolidWorks Ref. (⁵), con el fin de optimizar el enmallado y los tiempos de procesamiento en la solución de los modelos.

La Figura 2.1 muestra el modelo básico de la caseta acústica actual comercial.

Figura 2.1 Modelo básico de caseta acústica actual comercial. 

La Figura 2.2 muestra el modelo básico de la caseta acústica caseta acústica prototipo.

Figura 2.2 Modelo básico de caseta acústica prototipo. 

Las Geometrías quedan conformadas principalmente por:

Se consideró aplicar los materiales de recubrimiento de la caseta de manera uniforme en toda la geometría y con los espesores objetivo antes mencionados que son de 25.4mm, 38.1mm y 50.8mm.

Los materiales a utilizar para el recubrimiento interior se eligieron por sus especificaciones técnicas al ser materiales porosos Ref. (¹³). Adicionalmente a esto, son materiales que comercialmente se pueden adquirir nacionalmente y dos de ellos se encuentran disponibles dentro de la librería de Ansys Academic dentro de la base de datos de ANSYS Engineering Data Ref. (¹), los cuales son esponja de policloruro de vinilo (PVC Foam: Polyvinyl chloride Foam) y esponja de estireno acrilonitrilo (SAN Foam: Styrene acrylonitrile Foam).

La Figura 2.3 y Figura 2.4 muestra las vistas laterales de geometrías básicas de casetas con la aplicación de los materiales de recubrimiento para el modelo básico de caseta actual comercial y el modelo básico de caseta prototipo de las cuales se expresa un resumen en la Tabla 2.1.

Figura 2.3 Vistas laterales de aplicación de recubrimiento de 25.4mm(A), 38.1mm(B) y 50.80mm(C) en modelo básico de caseta actual comercial 

Figura 2.4 Vistas laterales de aplicación de recubrimientos de 25.4mm(A), 38.1mm(B) y 50.80mm(C) en modelo básico de caseta prototipo. 

Un material comercial de nombre PABA POLYDAMP Ref. (²) fue considerado en el presente estudio el cual se agregó en la base de datos de ANSYS con las principales características requeridas para su modelación en un análisis de respuesta armónica Ref. (¹⁴).

Se consideraron 3 fuentes generadoras de ruido acústico, modelándolas como fuente de masa armónica que emularon el ruido generado por la planta de emergencia esto es, motor, ventilador de enfriamiento y alternador, con las magnitudes de generación de ruido expresadas en la Tabla 2.2.

En la Tabla 2.3 se presentan las principales características generales de los tres materiales ocupados, expresando valores de densidad, módulo de Young, coeficiente de Poisson, módulo de volumen y módulo de corte.

3. Métodos Experimentales

Para el estudio acústico se crearon dos encierros como se muestra en la Figura 3.1, en el primero se estableció a una distancia uniforme de 1m en todas las regiones de la caseta acústica estableciendo un dominio computacional, esto con el fin de determinar el nivel de presión sonora objetivo limitada conforme a la norma mexicana NOM-081-SEMARNAT-1994.

Figura 3.1 Encierro general PML y encierro de dominio computacional con micrófonos de medición (A, B, C, D, E, F). 

En este encierro se asignaron 6 puntos de medición (A, B, C, D, E, F). Estos puntos son ubicados de forma simétrica al límite establecido a una altura aproximada de 1,2m como lo establece la norma, y son representados como micrófonos de campo lejano acústico, los cuales se puede insertar utilizando el objeto "Micrófono de campo lejano acústico" disponible en el menú "Resultados” de ANSYS.

Las coordenadas del micrófono se pueden definir en un sistema de coordenadas esférico o cartesiano, en este caso se seleccionó un sistema de coordenadas cartesiano. El resultado se elige en los detalles del objeto por lo cual se asignó el expresar los resultados en nivel de presión de sonido ponderado "A", puesto que así es requerido en la norma.

El segundo encierro está enfocado a emular una cámara anecoica que es una sala diseñada para absorber en su totalidad las reflexiones producidas por ondas acústicas en cualquiera de las superficies que la conforman (suelo, techo y paredes laterales). En el diseño se consideró que esta cámara se encuentra aislada del exterior de cualquier fuente de ruido o influencia sonora externa. Para esto se aplicó la función llamada Perfectly Matched Layers (PMLs) desde las propiedades del cuerpo acústico previamente definido, considerando que las capas perfectamente acopladas son materiales artificiales que absorben todas las ondas entrantes sin ninguna reflexión. Adicionalmente con la aplicación de esta función fue posible calcular los resultados del campo acústico, más allá del dominio computacional establecido. La combinación de estos dos encierros implica que la sala emule las condiciones acústicas que se darían en un campo libre, ajeno a cualquier tipo de efecto o influencia de reflexión acústica y así poder obtener los mejores resultados del sistema.

Se establecieron los parámetros para el análisis armónico con los siguientes datos:

La malla fue definida en todos los cuerpos a un tamaño de 0.3m, con una calidad objetivo de 0.05, se generó de manera automática considerando los tipos de elementos acústicos como tetraedros, el número total de elementos generados para el Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento acústico PABA a un espesor de 25.4mm fue de 88590 y el número total de nodos fue de 123593. Quedando expresada como se muestra en la Figura 3.2 vista de enmallado de la geometría general.

Figura 3.2 Muestra la vista de enmallado de la geometría general para el Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento acústico PABA a un espesor de 25.4mm. 

La Figura 3.3 representa una vista de corte del enmallado realizado a la geometría para el Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento acústico PABA a un espesor de 25.4mm, donde puede apreciarse las mallas individuales y acopladas que representan las geometrías de la planta de emergencia, caseta acústica con recubrimiento, dominio computacional y PML; y la Figura 3.4 muestra solo la malla de la caseta acústica en conjunto de su recubrimiento.

Figura 3.3 Vista de corte de enmallado de modelo general para el Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento acústico PABA a un espesor de 25.4mm. 

Figura 3.4 Representa la malla generada de la geometría para el Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento acústico PABA a un espesor de 25.4mm. 

El procedimiento de generación y recopilación de resultados fue aplicado al análisis de las diferentes combinaciones de los dos modelos a tratar en relación a su material de recubrimiento acústico, considerando el espesor ocupado; esto es, aplicable para los siguientes modelos:

Obteniendo un total de 18 combinaciones, 9 para el Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial y 9 para Modelo de Caseta Acústica Prototipo; por lo cual solo se indicará el procedimiento realizado en la recopilación de la información obtenida por el Micrófono A del modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento acústico PABA POLYDAMP® Acoustical Foam Barrier Composite a un espesor de 25.4mm, dado que el procedimiento es repetitivo en todos los casos.

4. Discusión y Resultados

Para verificar los resultados obtenidos del modelo seleccionamos el micrófono de campo lejano a elección (En este caso será el Micrófono A). Una vez seleccionado se despliega en la ventana de vista de datos la tabla de los valores generados del nivel de presión sonora en ponderación A valores que se muestra en la Tabla 4.1, los cuales se encuentran en relación a los parámetros establecidos de frecuencia que va desde 0 hasta 1500hz y su intervalo de solución establecido (Múltiplos de 30Hz).

La Figura 4.1 muestra gráficamente la ubicación del Micrófono A.

Figura 4.1 Micrófono A definido en Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento acústico PABA a un espesor de 25.4mm. 

La Figura 4.2 muestra la gráfica de los datos generados en Ansys con los valores del nivel de presión sonora en ponderación A, para el micrófono A, del Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento acústico PABA a un espesor de 25.4mm.

Figura 4.2 Valores obtenidos en Ansys para el micrófono A, del Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento acústico PABA a un espesor de 25.4mm que expresa el nivel de presión sonora (dBA) en relación a la frecuencia. 

Se procede con la exportación de los valores obtenidos de los micrófonos (A, B, C, D, E, F), y en cada modelo generado dando clic derecho encima del micrófono y en el menú desplegable se selecciona “Export”. El archivo de exportación se realiza en formato .txt de texto, posteriormente, los valores generados se integraron en una hoja de cálculo para su análisis.

Los resultados de los micrófonos por modelo se analizaron eligiendo el valor máximo como valor representativo en relación a los rangos de frecuencia de estudio (0-1500Hz). Posteriormente se realizó una comparativa de los valores máximos generales obtenidos de los modelos de caseta prototipo y caseta actual esto de acuerdo a sus espesores, representados en las Figuras 4.3, 4.4 y 4.5. La Figura 4.3 representa la gráfica de valores máximos de nivel de presión sonora ponderación A de Casetas Acústicas modelo Actual y Modelo Prototipo con Materiales PABA, PVC Foam y SAN Foam de 25.4mm de espesor.

Figura 4.3 Valores máximos de nivel de presión sonora ponderación A de Casetas Acústicas modelo Actual y Modelo Prototipo con Materiales PABA, PVC Foam y SAN Foam de 25.4mm de espesor. 

Figura 4.4 Valores máximos de nivel de presión sonora ponderación A de Casetas Acústicas modelo Actual y Modelo Prototipo con Materiales PABA, PVC Foam y SAN Foam de 38.1mm de espesor. 

Figura 4.5 Valores máximos de nivel de presión sonora ponderación A de Casetas Acústicas modelo Actual y Modelo Prototipo con Materiales PABA, PVC Foam y SAN Foam de 50.8mm de espesor. 

Se verifica para este caso que el Modelo de Caseta Acústica Prototipo con recubrimiento de material PABA de espesor de 25.4mm, es el que presenta un mejor desempeño acústico en comparación con los límites establecidos por la norma, otorgando un 68% de cumplimiento a un rango de frecuencia de 0 a 1500Hz y un 100% en un rango de frecuencias de 0 a 960Hz. Este segundo rango de frecuencias se establece como referencia en base a los resultados con el fin de determinar cuál fue la frecuencia en que el modelo cumplió al cien por ciento.

La Figura 4.4 representa la gráfica de valores máximos de nivel de presión sonora ponderación A de Casetas Acústicas modelo Actual y Modelo Prototipo con Materiales PABA, PVC Foam y SAN Foam de 38.1mm de espesor.

Podemos observar que, en comparación con los límites establecidos por la norma, el cumplimiento está limitado en un rango de frecuencias de 0 a 780Hz, para el Modelo de caseta acústica Actual comercial considerando el material de recubrimiento PVC Foam y SAN Foam a un espesor de 38.1mm, y de manera general en el rango de estudio establecido de 0 a 1500Hz presentan ambos modelos un cumplimiento del 64%.

La Figura 4.5 representa la gráfica de valores máximos de nivel de presión sonora ponderación A de Casetas Acústicas modelo Actual y Modelo Prototipo con Materiales PABA, PVC Foam y SAN Foam de 50.8mm de espesor.

Para este caso donde el recubrimiento aplicado a los modelos de Casetas acústicas, fue de 50.8mm, se presenta una ventaja muy marcada a favor del Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial, puesto que, en comparación con los límites establecidos por la norma mexicana, se tiene un cumplimiento al 100% el cual se encuentra en un rango de frecuencias de 0 a 900Hz, en los tres materiales de recubrimiento acústico.

A continuación, se presenta una tabla de resumen de cumplimiento, donde se expresan los valores de acuerdo a los límites permitidos establecidos por a la norma mexicana NOM-081-SEMARNAT-1994 a una frecuencia de operación de 0 a 1500Hz y de 0-960Hz considerando esta última como la frecuencia de cumplimiento de modelo.

Con los resultados de la gráfica de la Figura 4.9, se puede determinar que el modelo de caseta acústica con mejor respuesta de atenuación es el Modelo Actual Comercial, aplicando materiales de recubrimiento acústico de 50.8mm de espesor y obtenido el mejor rendimiento con el material de recubrimiento SAN Foam (Styrene acrylonitrile Foam). Esto es, de acuerdo a la norma mexicana se tiene el 98% de cumplimiento en el rango de frecuencias de 0 a 960Hz y del 70% a un rango de 0 a 1500Hz.

Figura 4.6 Gráfica de Porcentaje de Cumplimiento 0-960Hz y de 0-1500Hz de acuerdo a la NOM-081-SEMARNAT-1994. 

Figura 4.7 Nivel de presión acústica representado en decibeles ponderación A. Vista de corte 3D “A” y plano “B” de dominio computacional del Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento SAN Foam de 50.8mm de espesor a una frecuencia de 1500Hz. 

Figura 4.8 Nivel de presión acústica representado en decibeles ponderación A. Vistas laterales “A”, “C” y de corte “B”, “D” de dominio computacional Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento SAN Foam de 50.8mm de espesor a una frecuencia de 1500Hz. 

Figura 4.9 Nivel de presión acústica representado en decibeles ponderación A. Vistas frontales “A”, “C” y de corte “B” de dominio computacional Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento SAN Foam de 50.8mm de espesor a una frecuencia de 1500Hz. 

Las Figuras 4.7, 4.8, 4.9 y 4.10 muestran el nivel de presión acústica representado en decibeles ponderación A, del Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento SAN Foam de 50.8mm de espesor, a una frecuencia de 1500Hz.

Figura 4.10 Nivel de presión acústica representado en decibeles ponderación A. Vista superior “A” y corte “B” e inferior “C” y de corte “D” de dominio computacional Modelo de Caseta Acústica Actual Comercial con material de recubrimiento SAN Foam de 50.8mm de espesor a una frecuencia de 1500Hz. 

La Figura 4.7A representa el nivel de presión acústica en 3D de manera general, y en la Figura 4.7B una vista frontal de corte en la cual muestra que el nivel más alto se encuentra en la parte central del motor.

Las partes de la Figura 4.8A y 4.8C representan las vistas laterales completas y las Figuras 4.8B y 4.8C representan sus cortes correspondientes del dominio computacional.

Donde en Figura 4.8C, es la parte del dominio computacional, donde se ubica la rejilla de ventilación lateral de la caseta, y es la cara de mayor concentración de nivel de presión acústica representado en decibeles ponderación A.

La Figura 4.9A y 4.9C muestra las vistas frontales del dominio computacional, donde la mayor concentración de nivel de presión de sonido se encuentra en el costado cerca de la rejilla de ventilación. Ver Figura 4.9B.

La Figura 4.10 muestra la vista superior “A” y de su correspondiente corte “B”; así como la vista inferior “C” y corte “D” del dominio computacional. Se puede apreciar que la parte de mayor concentración de nivel de presión sonora acústica se encuentra en la rejilla de ventilación superior.

5. Conclusiones

Se logró realizar la predicción acústica del “Modelo de Caseta Actual Comercial” y el “Modelo de Caseta Prototipo”, donde se identificó que el modelo actual comercial presenta un mejor índice de absorción acústica de acuerdo a los recubrimientos aplicados en la simulación, los cuales fueron PVC Foam, SAN Foam y PABA POLYDAMP considerando sus tres diferentes espesores aplicados 25.4mm, 38.1mm y 50.8mm; siendo el modelo con material de recubrimiento SAN Foam a un espesor de 50.8mm el más adecuado y de mejor respuesta de acuerdo a la Tabla 4.2 de resumen de cumplimiento, donde se expresan los valores de acuerdo a los límites permitidos establecidos por la norma mexicana NOM-081-SEMARNAT-1994 limitándose a una frecuencia de operación de 0 a 1500Hz y de 0-960Hz considerando esta última como la frecuencia de cumplimiento de modelo.

Se determinó que los requerimientos de acuerdo a la norma son indicados y recomendados para pruebas reales aplicadas a fuentes de ruido en todo el rango audible, por tal razón los resultados obtenidos en el modelo, estuvieron limitados en relación al rango de frecuencias de paso establecido (0-1500Hz).

Se verifico que el planteamiento de los micrófonos conforme lo indica la norma, puede acotar los resultados del modelo, puesto que se pueden obtener resultados generales en todo el dominio computacional planteado, como se mostró en las Figuras 4.7, 4.8, 4.9 y 4.10 de resultados generales de nivel de presión acústica en ponderación A del Modelo de caseta actual comercial con recubrimiento SAN Foam de 50.8mm de espesor”, donde se logró realizar un análisis a detalle de todo el encierro logrando determinar en el análisis, que el mayor nivel saliente de presión sonora acústica del modelo de la caseta se encuentra en las regiones de las rejillas de ventilación, tanto superior como lateral. Con esto podemos confirmar que se tiene la oportunidad de poder generar otros tipos de resultados, así como el poder integrar más consideraciones en el diseño.

Por otra parte, se desarrolló una metodología para realizar las simulaciones, con el fin de que pueda ser aplicable y modificable para análisis posteriores. A continuación, se presentan los pasos a seguir:

Paso 1: Carga y habilitación de extensiones acústicas en Ansys Workbench.

Paso 2: Seleccionar análisis de sistema de respuesta armónica.

Paso 3: Asignación de materiales acústicos dentro de la base de datos “Engineering Data”.

Paso 4: Realización de importación de geometría a DesignModeler desde Menú Archivo seleccionando “Importar archivo de geometría externa”.

Paso 5: Realización de encierros para Dominio Computacional y PLM.

Paso 6: Asignación de nomenclatura para cuerpos y superficies a ocupar.

Paso 7: Ejecución de Ansys Mechanical a través de la opción de Model dentro de Harmonic análisis.

Paso 8: Asignar propiedades de material al recubrimiento tanto para el Dominio Computacional, así como para PML.

Paso 9: Se establecen los parámetros para el análisis armónico.

Paso 10: Declarar el dominio computacional y PLM como un cuerpo acústico.

Paso 11: Estableciendo Fuentes de Ruido.

Paso 12: Se aplica una presión cero en las caras externas de la geometría PML, para asegurar la absorción de las ondas salientes.

Paso 13: Definiendo la malla en todos los cuerpos.

Paso 14: Hacer la base de la planta infinitamente rígida con el fin de que actué como reflector perfecto de radiación acústica.

Paso 15: Configurando parámetros para la solución del modelo.

Paso 16: Estableciendo los puntos de medición conforme a la norma NOM-081-SEMARNAT-1994 (Micrófonos de campo lejano).

Paso 17: Establecer estudio de Nivel de presión de sonido en el dominio computacional.

Paso 18: Resolución del Modelo.

Paso 19: Análisis de resultados.