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Vibroacstica en el Automvil 6. Control M. Herrez M.A. Morcillo 6.1

6. Control: Aislamiento y Amortiguamiento de ruido y

vibraciones.

Impartido por: Marta HerrezIngeniera Mecnica EII Valladolid


ndice

Aislamiento de vibraciones: Dispositivo Absorbente de Vibraciones: absorsor dinmico de

vibraciones (vibration absorber). Dispositivo de Aislamiento de Vibraciones: soporte antivibratorio.

Transmisibilidad.Eleccin y Diseo del soporte antivibratorio.

Amortiguamiento de ruido y vibraciones Vibraciones: Materiales amortiguantes. Ruido: Silenciadores de ruido en conductos. Control activo.

Bibliografa.


Absorbente de vibraciones: vibration absorberDispositivo de control :

se utiliza cuando un sistema de 1 gdl mk est trabajando en situacin prxima a la resonancia, lo supone desplazamientos de m muy grandes:

Consiste en aadir un sistema absorbente de 1gdl (maka makaca) al sistema anterior, con caractersticas tales que:Se consigue que el desplazamiento de m sea nulo, ya que el

absorbente ejerce una fuerza sobre el sistema igual y de sentidocontrario de la fuerza aplicada externamente.

mk

n


Absorbente de vibraciones: vibration absorber Esto supone que:

Se construye un sistema de 2gdl, dos posibles resonancias 1y 2.

Existen varias soluciones Interesa elegir un absorbente que haga que Xa no sea muy grande.

Interesa que la frecuencia de excitacin est alejada de las dos nuevas frecuencias propias. Cuanto mayor sea la masa del absorbente frente a la del sistema , las dos frecuencias propias estn ms alejadas. Es mejor, aumenta la robustezdel sistema.

Normalmente n

a

25.005.0

Rango de frecuencias en el que el absorbente es efectivo:

Frecuencias en las que se produce un desplazamiento inferior a la deflexin esttica


Absorbente Vibraciones: Ejemplos

Absorbente de Frahm: se utiliza en el rbol de levas de los motores de combustin interna, para minimizar vibraciones torsionales. Resortes mecnicos: es eficaz para una velocidad de giro del

motor. Resortes centrfugos: cuya frecuencia es proporcional a la

velocidad del motor,

1La

a Para a


Absorbente vibraciones con amortiguamiento

La presencia de amortiguamiento reduce la amplitud de las resonancias y ensancha la banda de frecuencias en la que el absorbente es efectivo.


Absorbente de Vibraciones: Ejemplos

Absorbente de Houdaille: tambin se utiliza en el rbol de levas de los motores de combustin interna, para minimizar vibraciones torsionales. El amortiguamiento ptimo es

la amplitud mxima es

para la razn de frecuencias

2

kM

t

0max

2121

opt

22


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Aislamiento de vibraciones: Dispositivo Absorbente de Vibraciones: absorsor dinmico de



Amortiguamiento de ruido y vibraciones Vibraciones: Materiales amortiguantes. Ruido: Silenciadores de ruido en conductos. Control activo.

Bibliografa.


Las fuerzas de excitacin generadas por las mquinas y otras causas habitualmente son inevitables; sin embargo, sus efectos en un sistema dinmico pueden ser minimizados por un diseo aislante adecuado.

Dos casos de aislamiento: Transmisin suelo-mquina: Para proteger la mquina de altas

aceleraciones y desplazamientos debidos al movimiento de su base. Se denomina modelo de estudio de Movimiento del soporte.

Transmisin mquina-suelo: para proteger al suelo de las fuerzas que provienen de la mquina en su funcionamiento habitual. Habitualmente se denomina modelo de Desequilibrio Rotante.

El objetivo es el mismo en los 2 casos: reducir la fuerza transmitida. TRANSMISIBILIDAD.

Diseo aislante adecuado: Soporte antivibratorio: modelo k-c.

Dispositivo de Aislamiento de vibraciones


Transmisin suelo-mquina: Movimiento del soporte

En muchos casos el sistema dinmico se excita por el movimiento del soporte, como se observa en la figura. El modelo vibratorio se construye relacionando el movimiento de la masa x(t) respecto al movimiento de la base y(t).

En este caso, se supone un movimiento estacionario

tYsenmymkzzczm 2 yxz


Movimiento del soporte: excitacin estacionaria Transmisibilidad: relacin

entre desplazamientos absolutos

Rendimiento o eficacia del sistema antivibratorio:R=1-TR

222

2

)r2()r1()r2(1

YXTR

n

br


Movimiento del soporte: excitacin estacionaria

TRANSMISIBILIDADPor debajo de la resonancia:Respecto al amortiguamiento: Cuanto mayor es el

amortiguamiento , menor amplificacin

Por encima de la resonancia: Cuanto mayor es el

amortiguamiento , menos se atena.

Si k es fija: para atenuar, se necesita una m grande. Por eso, las mquinas se sitan sobre bancadas de hormign, cuyo peso es mucho mayor al de las mquinas.

INAMPLIFICAC:1YX2rSi

ATENUACIN:1YX2r

n

2r


Transmisin mquina-suelo: desequilibrio rotante

El desequilibrio rotante es una fuente comn de excitacin de vibraciones. Se produce debido a pequeas irregularidades en la distribucin de la masa que rota.

Se representa por una masa excntrica md con excentricidad e, que rota con velocidad angular r.

tsenemkxxcxm r2

r0


Transmisin mquina-suelo: F cte

Normalmente, m viene dado y se elige el soporte (k) para conseguir trabajar en la zona

Adems, se trabaja con valores de amortiguamiento pequeos, con lo cual se suele utilizar la expresin simplificada:

222

2

0

T

)r2()r1()r2(1

FFTR

r 2

TRr r

1

11

12 2 2( )

Fuerza sobre la mquina deAmplitud constante.Transmisibilidad: fuerza transmitida

entre aplicada


Excitacin estacionaria: Transmisibilidad Soporte antivibratorio - Sistema

aislante de vibraciones. Son sistemas muelle-amortiguador

que reducen la energa de vibracin transmitida a travs de ellos

En ocasiones, disipan parte de la energa vibrante del sistema.

nff

1

1 2 3 5

0.20.1

0.2

0

La efectividad de un aislante vibratorio se mide con la transmisibilidad, TR, que vara de 0 a 10 (o incluso hasta infinito cuando f = fn). La transmisibilidad vara con la frecuencia y se debe analizar con

respecto a la frecuencia de resonancia del sistema m-k-c. Ya que habitualmente es difcil medir fuerzas en estos sistemas, se

suele medir la velocidad o la aceleracin, ya que es ms fcil y accesible de medir.


Excitacin estacionaria: Transmisibilidad

Transmisibilidad respecto a r: r1: zona controlada por la masa. El movimiento se ve contrarrestado, sobretodo, por el efecto masa del sistema completo sobre el que est montada la mquina.

r1: resonancia. Afecta el amortiguamiento.El objetivo es elegir r y para que la transmisibilidad

disminuya.Limitaciones: normalmente, el movimiento no es a una

sola frecuencia, sino que es necesario aislar en una banda.

kmg

98.4fn


Eleccin del soporte antivibratorio Eleccin de los soportes

antivibratorios: Mquina ligera + muelles rgidos =

fres alta. Mquina pesada + muelles

flexibles =fres baja La zona de aislamiento se produce

por encima de la resonancia del sistema

Cuidado si el amortiguamiento del soporte es pequeo. Cuanto menor es el amortiguamiento, ms claro aparece el fenmeno de resonancia.

Sin embargo, el amortiguamiento tampoco debe ser muy grande, porque provoca el aumento de la fuerza transmitida a medida que la frecuencia crece.


Eleccin del soporte antivibratorio

Montaje de varios soportes elsticos: deben tener la misma rigidez o deflexin esttica, para evitar cabeceos a altas frecuencias en los arranques-paradas.

Si la mquina no tiene el peso uniformemente distribuido: los soportes que estn cerca del cdg deben ser ms rgidos que los alejados.

Otra posibilidad es montar soportes en la misma horizontal que el cdg.


Eleccin del soporte antivibratorio

2

nff1

1TR

Hzest_deflex

113.3Wkg

21

mk

21fn

Habitualmente, el soporte viene caracterizado por el fabricante mediante su deflexin esttica , manera indirecta de proporcionar su fresonancia:

Una vez elegida la de funcionamiento de la mquina, y en funcin del valor de TR que se requiera, se tiene el que hay que elegir.


Eleccin del soporte

antivibratorio

Rendimiento de aislamiento en funcin de la frecuencia de excitacin y la frecuencia propia del sistema (o la deflexin esttica).


Eleccin del sistema ms adecuado:

Seleccin de las necesidades o requerimientos de transmisibilidadeso de deflexin esttica necesarias en los amortiguadores.

Seleccin de la forma de montaje ms apropiada. Se colocan los aislantes en los lugares de apoyo o de sustentacin del

equipo. Se monta el equipo sobre una base estructural de acero y se fijan los

aislantes a esa base. Se monta el equipo sobre un bloque de inercia o fundacin. Posicin del aislante:

Se elige el lugar de colocacin, por ejemplo, las cuatro esquinas de la estructura y despus se eligen los aislantes que se necesitan. En este caso, suelen ser de caractersticas distintas, para que tengan el mismo rendimiento en esas posiciones, ya que estarn sometidos a cargas distintas.

Se eligen las posiciones de manera que los aislantes estn cargados de forma uniforme.

Es muy importante conocer el peso que ha de soportar cada aislante, para conseguir el mismo rendimiento con todos ellos.


Distintos tipos de soportes

Resortes metlicos o muelles de acero: Uso muy generalizado para gran cantidad de aplicaciones. Bajo coste y resistentes a condiciones ambientales adversas. Habitualmente, frecuencia propia baja y deflexin esttica alta. Estabilidad lateral baja. Amortiguamiento muy bajo, lo cual hace que en resonancia o a frecuencias

muy altas no sean muy eficaces.

Montajes de metal-caucho: silentblocks.


Silentblocks

Silentblocks caucho


Silentblocks

Silentblocks muelles



Aislantes de goma y neopropeno: en forma de bloques u hojas, en los que el material se puede deformar lateralmente o distorsionarse por cizalladura cuando estn sometidos a una carga. Gran variedad de formas y rigideces. Poco peso y no requieren mucho espacio. Bajo coste. Se pueden adaptar a partes metlicas mediante vulcanizado, para

facilitarla unin a la estructura a aislar y para pretensarles, con lo cual se consigue aumentar su rigidez.

Presentan un amortiguamiento interno mayor, con lo cual son interesantes cuando se tiene que producir aislamiento en una banda de frecuencias, como es el caso de vibracin aleatoria, y para el caso de frecuencia de excitacin variable, en el paso por la resonancia.



Muelles Metlicos. Muelles con Amortiguador. Espumas Elastomricas. Caucho Natural.Carcasa del Neumtico

Elastmeros: Goma de Neopreno. Goma de Butilo. Poliuretano.

Soporte elstico relleno de fluido. Sistemas Semi-Activos.

Engine mounts, suspension mounts, body mounts


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Aislamiento de vibraciones y ruido. Dispositivo Absorbente de Vibraciones: absorsor dinmico de



Amortiguamiento de ruido y vibraciones: Materiales y sistemas amortiguantes. Silenciadores de ruido en conductos. Control Activo.

Bibliografa.


Se suelen disponer sobre paneles de chapas expuestos a altos niveles de vibracin:

Materiales y sistemas Amortiguantes


Materiales o Sistemas Amortiguantes. Reducen la energa cintica presente en un sistema por transformacin en energa trmica (disipada).

Los materiales amortiguantes reducen el ruido estructural (de radiacin).

Son efectivos en el control de vibraciones en las frecuencias de resonancia (baja la altura del pico)

Amortiguamiento en paneles


Reducen el nivel de vibracin de una superficie y, por tanto, minimiza la vibracin transmitida y el ruido radiado.

La efectividad de un amortiguante se mide mediante el Loss Factor,.

: Damping ratio or damping factor wave: Logarithmic decrement : Phase Angle by which Stress leads Strain E:Storage Modulus E: Loss modulus W: Energy loss per cicle W: Maximun elastic stored energy

Factor de prdidas (Loss Factor) vara con la frecuencia y con la temperatura.

2Q

W2W

EEtan2 1 E

E

almacenada

perdida

Materiales Amortiguantes

: wavelength of the elastic : Attenuation Q-1: Quality factor: Specific damping capacity.


Amortiguamiento en paneles

Distintos modos de colocacin: Un capa. Tipo sandwich. Multi capa sandwich


Amortiguamiento en paneles: rigidizar

Comportamiento de un panel: Hay que evitar que la energa que llegue al panel se convierta en emisin de ruido.

Se intenta disear que el primer modo sea superior a 200 Hz ya que la fuerza de excitacin decrece a partir de esta frecuencia por las fijaciones caucho-metal (rubber bushings).

Se ve la diferencia entre el panel inicial y el panel rigidizado (stiffened).

-.-.-. Excitacin .panel____panel rigidizado


Amortiguamiento en paneles: amortiguar

Gracias al material amortiguante, se reducen los valores en las resonancias, es decir, la respuesta vibratoria del panel y , por ello, su radiacin.

-.-.-. Excitacin .panel rigidizado____panel amortiguado


Viscoelsticos: Generan calor cuando se deforman. Amortiguantes plsticos. Amortiguantes asflticos. Fieltros saturados con asfalto. Amortiguantes pulverizados. Composites metal-plstico-metal.

Friccin:Material sobre superficie vibrante, el movimiento relativo crea friccin, que reduce la energa vibratoria. Fibra de vidrio. Espumas de Poliuretano (en bloque o aplicada sobre el lugar mismo). Fibra de algodn. Yute.

Materiales Amortiguantes Tpicos


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Transmisibilidad.Eleccin y Diseo del soporte antivibratorio.Materiales y sistemas amortiguantes.

Amortiguamiento de ruido y vibraciones: Materiales y sistemas amortiguantes. Silenciadores de ruido en conductos. Control Activo.

Bibliografa.


Silenciadores en conductos

Son elementos que se instalan en las conducciones de aire o de gases, para amortiguar el ruido producido por las turbulencias. Tres tipos: reactivos: por reflexiones; bajas frecuencias: disipativos: por absorcin; altas frecuencias: reactivo-disipativos: combinacin

Se caracterizan por su coeficiente de prdidas de transmisin TL o por su atenuacin att:

f Hz 150f Hz 1000

150 1000Hz f Hz

radiada

incidente

EElog10TL despues,pantes,p LLatt


Silenciadores reactivos

Se utilizan para salidas de gases muy calientes y de alta velocidad o alto nivel de suciedad.

Se basan en la reflexin por cambio de impedancia (discontinuidad), que crea una interferencia destructiva.

Sirve para tonos puros y bajas frecuencias: Coste de fabricacin bajo y poco mantenimiento.

f Hz 150

m A A 2 1


Silenciadores reactivos

Tl de un silenciador: A mayor TL, mejor silenciador. TL depende de la frecuencia. TL es independiente de la presin

o velocidad a la entrada.http://en.wikibooks.org/wiki/Acoustics/

Car_Mufflers#Definition_of_destructive_interferences

TL mm

kL 10 1 4

12

2log sen

Se pueden colocar en serie distintas cmaras, consiguiendo distintos espectros de atenuacin.


Resonador de Hemholtz

La cavidad y el cuello se disean para que estn sintonizados a una frecuencia. Acta en una banda muy estrecha a bajas frecuencias. La frecuencia de resonancia es:

L: longitud del cuello A: seccin del cuello V: volumen de la cavidad A la frecuencia de resonancia, la energa transmitida a la cavidad

vuelve en sentido contrario en oposicin de fase y cancela la onda incidente.

Aadiendo material poroso en la cavidad, se consigue aumentar el rango en el que atena.


Silenciadores disipativos

Cmaras o conductos revestidos por materiales de alto coeficiente de absorcin.

Absorcin de una gran parte de la energa incidente por transformacin calorfica.

Limitacin: el ruido regenerado, producido por el roce del fluido con el silenciador.

La absorcin ( atenuacin) depende del coeficiente de absorcin , la cantidad de superficie absorbente, la disposicin de las placas, la longitud del conducto.

Se aaden separadores o baffles interiores que hacen que la atenuacin se aumente.

La chapa perforada mejora el comportamiento a bajas frecuencias.


Silenciadores Reactivo-disipativos

Se combinan las propiedades de los dos anteriores.

Acta en frecuencias medias.


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Amortiguamiento de ruido y vibraciones: Materiales y sistemas amortiguantes. Silenciadores de ruido en conductos. Control activo.

Bibliografa.


Control activo de la vibracin

Ejemplo: fuerza proporcional a la velocidad y al desplazamiento: g1 y g2: ganancias, determinadas por la ley de control del sistema se ajustan las ganancias para que el sistema tenga la respuesta con la

forma que se desee.

f x g x g x( ) 1 2mx c g x g x ( ) (k ) 2 1 0

Sobre el sistema vibratorio acta un actuador, que suele ser un pistn hidrulico o un motor elctrico que ejerce una fuerza sobre la estructura vibrante para conseguir que su respuesta vibratoria cambie. La fuerza aplicada depende de la medida del desplazamiento del sistema: existe una retroalimentacin.El objetivo es eliminar la vibracin.


Control activo de ruido motor

Las primeras soluciones que surgieron: Actuador: 4 de los 6 altavoces. Retroalimentacin: tonal engine noise control, se ajusta al rgimen de giro

motor - engine firing frequency (y sus armnicos) Controlar la suma de las presiones sonoras en los 8 micrfonos montados

en el techo.


Control activo de ruido: comparativa

Comparativa sin-con control, evaluada sobre el armnico 2 motor, en dBA, en las 4 posiciones de ocupantes.

___sin control

----- con control

ruido motor: rgimen de giro

(rpm)(tacmetro)


Control activo de ruido rodadura

Retroalimentacin: al menos 6 seales de referencia, que son acelermetros colocados en la suspensin y carrocera del vehculo.

Control activo de ruido rodadura: random roadnoise.


Control activo de ruido rodadura: comparativa

Influencia en el Lp conductor (dBA): se muestran reducciones de unos 10 dB entre 100-200Hz.

___sin control

----- con control


Soportes motor activos

Soportes motos activos (Active Engine MountsACM): es lo que ms se utiliza en la actualidad para el control activo de vibraciones. Tambin contribuye a la reduccin del ruido interior. Sensor carga

bobina

imn

fluido

caucho

placa mvil

orificio


Control con soportes activos: comparativa

Contribucin de los soportes activos: en el ruido interior


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Amortiguamiento de ruido y vibraciones: Materiales y sistemas amortiguantes. Silenciadores de ruido Control activo.

Bibliografa.


Bibliografa - libros

Brezezinski, J. Rduction des vibrations par isolation vibratoire. CETIM, (1994).

Den Hartog, J.P. Mecnica de las vibraciones. Editorial Continental, (1987).

Inman, D.J. Engineering Vibration. Prentice-Hall, (1994). Harris, C.M. Manual de medidas Acsticas y Control del ruido. Mc.

Graw Hill (1995). Harrison, M. Vehicle refinement: controlling noise and vibration

in road vehicles Elsevier (2004). I/Bc 629.331-HARveh ISBN 0-7506-6129-1.

Wang, X. Vehicle noise and vibration refinement. CRC (2010).I/Bc 629.33-WANveh ISBN 978-1-4398-3133-5.


Bibliografa - web

Silenciadores: ww.pajaroescapes.com.ar/images/fig4.jpg. http://en.wikibooks.org/wiki/Acoustics/Car_Mufflers#Definition_of_destructive_interferences

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