Análisis de ruido más eficiente con la tecnología de medición más avanzada

Cómo extraer información de utilidad a partir del ruido

La comprensión de las fuentes y causas del ruido acústico de los componentes de máquinas o sistemas es un campo de investigación que está ganando relevancia dentro de las áreas de desarrollo, experimentación, muestreo de producción, servicio y mantenimiento. Y es que, al fin y al cabo, un “exceso” de emisiones acústicas puede afectar notablemente al confort, la salud y seguridad laboral y la imagen de marca de un producto a lo largo de todo su ciclo de vida.

En el pasado, los ingenieros tenían que recurrir a herramientas adicionales para hacer mediciones acústicas, y entenderse con diferentes instrumentos, interfaces, filosofías y formatos de datos. Sin embargo, en la actualidad existen herramientas de medición, como la solución de adquisición de datos QuantumX y catman®AP de HBM, que proporcionan análisis detallados de las mediciones acústicas al mismo tiempo que adquieren señales mecánicas, térmicas, eléctricas y digitales —como CAN—, e incluso señales GPS y de vídeo. En particular, los ingenieros pueden beneficiarse de funciones tales como el análisis del nivel sonoro en dB(A) con evaluación psicoacústica en función de la intensidad sonora, y del análisis de frecuencia en espectrogramas 2D.

Con estas herramientas de medición polivalentes, los ingenieros pueden completar las tareas de adquisición y análisis de forma rápida y sencilla, con unos pocos clics, y guardar todos los datos en un único archivo. Esta metodología no solo permite medir sucesos de forma más eficiente sino que también simplifica y agiliza la comparación con resultados de mediciones previas, de cara a estudios de análisis de tendencias. Por último, estas herramientas constituyen una solución compacta y portátil, imprescindible para las tareas de servicio y mantenimiento.

Ingeniería acústica

En el sector automovilístico, la rumorosidad (NVH en inglés, también llamada “ruido, vibración y resistencia mecánica”), es el término que normalmente se utiliza para describir el ruido audible o las vibraciones perceptibles en vehículos y máquinas. Dentro del concepto general de rumorosidad, la resistencia mecánica es una región de transición subjetiva, comprendida entre 20 y 100 Hz, en la que se producen fenómenos audibles y perceptibles. La vibración se refiere a la fuerza que genera una fuente vibratoria y que se propaga a través de estructuras capaces de transmitirla, e incluye los efectos autoinducidos de movimiento “a tirones”. Algunos ejemplos de rumorosidad son el movimiento a tirones de los limpiaparabrisas, los chirridos de la transmisión, la adherencia del embrague o los sistemas de aire acondicionado ruidosos.

La NVH tiene su origen en efectos colaterales de una fricción deseable o es el resultado no deseado de la fricción entre sólidos, que origina la emisión de ruidos transmitidos a través de la estructura y, en última instancia, ruidos audibles que se transmiten a través del aire. En un sólido con todos sus lados libres, se propagan dos tipos distintos de ondas sonoras a través de la estructura: las llamadas ondas longitudinales y las ondas transversales. Estas ondas se propagan de forma independiente entre sí. En ambos casos, la velocidad del sonido no depende de la frecuencia, igual que ocurre con el sonido que se propaga a través del aire. La velocidad del sonido sí se ve afectada por la densidad, la constante de rigidez (ondas transversales) y la constante elástica (ondas longitudinales).

La medición y el análisis del ruido que se transmite a través de una estructura tiene una gran importancia en ingeniería. Durante el desarrollo de los sistemas mecánicos, el análisis del ruido puede ayudar a verificar el funcionamiento general, los tiempos de calentamiento, el rendimiento, la durabilidad e incluso la vida útil. Durante la producción, el análisis del ruido puede mejorar los procesos de inspección de calidad y garantizar que se cumplen las limitaciones acústicas durante la integración de una pieza en el interior de un vehículo, en el bloque de la dirección o en otros elementos. A lo largo del ciclo de vida del producto, la medición del ruido proporciona información crítica necesaria para el análisis continuo de la salud estructural a largo plazo y datos de diagnóstico para inspecciones rutinarias, investigación de fallos, resolución de problemas, calibración o ajuste. Los ingenieros pueden analizar las propiedades acústicas de los sistemas o la condición técnica de una máquina en relación con problemas tales como el desgaste de rodamientos, o registrar datos sobre el desarrollo de fisuras y fallos de materiales.

Naturaleza del ruido

El objetivo del estudio de la rumorosidad consiste en evitar vibraciones que puedan reducir el confort. La falta de confort acústico está relacionada con una serie de características de la fuente sonora, entre las que destaca el nivel de presión sonora. Por ejemplo, el sonido de un motor a reacción, un concierto o un camión pesado puede resultar molesto ante todo por una cuestión de volumen.

Sin embargo, más allá de las fuentes que producen sonidos de gran volumen, la relación entre las características de una fuente de ruido y la percepción de ese ruido puede ser compleja. La capacidad auditiva del ser humano hace que percibamos los sonidos a distintas frecuencias con distintos niveles de intensidad. El nivel de presión sonora —o nivel de ruido— es una magnitud psicoacústica. Durante la medición, las señales de ruido se filtran con el fin de imitar la audición humana, que tiene su máximo de sensibilidad a una frecuencia de 2 a 4 kHz. Las curvas de ponderación de estos filtros están normalizadas.

Esto nos lleva a lo que se llama la ponderación A del nivel de presión sonora, o dB(A). Un valor cero de dB(A) corresponde al límite de la capacidad auditiva (umbral auditivo). La curva de ponderación A está comprendida entre 20 Hz y 20 kHz. Su finalizar es imitar a grandes rasgos la intensidad sonora de 40 dB de la “curva de contornos de igual intensidad sonora” para bajas frecuencias. El umbral de dolor sonoro se encuentra a 130 dB(A). Es muy sencillo convertir la presión sonora en un nivel de presión sonora (SPL) utilizando los “canales de cálculo” de los equipos avanzados de medición acústica.

Medición del ruido

Típicamente, las mediciones acústicas generales empiezan por un micrófono de alta calidad. Por ejemplo, se puede emplear un micrófono de medición M370 deMicrotech Gefell, con convertidor integrado y receptor de presión electrec con característica circular. El micrófono se alimenta con una corriente constante procedente del amplificador QuantumX MX410B la presión sonora medida se modula en forma de una señal de tensión (IEPE). El rango de frecuencia medible está comprendido entre 20 y 20.000 Hz (clase 1, para uso al aire libre). El nivel máximo de presión sonora es de 130 dB(A).

Las herramientas como QuantumX y el software catman®AP de HBM proporcionan una plataforma completa de procesamiento de señales acústicas, que facilitan la adquisición y el procesamiento de la señales. QuantumX es una solución modular de adquisición capaz de grabar datos con frecuencias de muestreo de entre 0,1 y 100 kS/s; además, puede adquirir simultáneamente datos de múltiples sensores y transductores de fuerza, deformación, par, presión, temperatura, desplazamiento, velocidad, posición, aceleración, flujo, tensión eléctrica, corriente, ruido y muchas otras magnitudes. Por su parte el software catman®AP, además de su funcionalidad de adquisición de datos, dispone de una librería integrada de funciones matemáticas, con la que es posible realizar cálculos en línea y posprocesamiento. Estas funciones matemáticas comprenden desde cálculos algebraicos sencillos, filtros, estadísticas y clasificaciones (como Rainflow y Time-at-level) hasta análisis espectrales y cálculos de potencia eléctrica y eficiencia, con una parametrización sencilla.

Requisitos del análisis de ruido

Para determinar las causas subyacentes del ruido, los ingenieros recurren a varias funciones analíticas esenciales, que les permiten hacerse una idea clara del sistema que están analizando, ruido incluido. Entre estas funciones, algunas de las más comunes son:

Representación en función del tiempo, la frecuencia, el ángulo y otras magnitudes, como el desplazamiento o la velocidad de rotación (tacómetro)
Representación en espectrogramas con códigos de color, en forma de densidad espectral de potencia
Curvas características de nivel sonoro general en dB(A)
Curvas características de nivel limitadas a bandas concretas, en dB(A)

El análisis en el dominio de frecuencia no indica cómo evoluciona con el tiempo el contenido de frecuencia de la señal. Para esta tarea, las funciones como el espectrograma de catman® proporcionan los resultados requeridos. El espectrograma presenta directamente un análisis conjunto de tiempo y frecuencia (JTFA) combinando las frecuencias contenidas en una señal con las amplitudes asociadas —codificadas por colores— en función del tiempo. El software catman® utiliza la transformada de Fourier de tiempo corto (STFT) para calcular el JTFA; para ello aplica una transformada rápida de Fourier (FFT) reiteradamente a segmentos cortos de una señal a lo largo del tiempo. En esencia, el JTFA de un espectrograma revela más detalles que una transformada rápida de Fourier: contenido de la frecuencia (eje y) respecto al tiempo (eje x), en una representación de "dos dimensiones y media", donde la amplitud o la energía se expresan con un código de colores.

El análisis conjunto de tiempo y frecuencia se basa en parámetros tales como el número de valores medidos que se utilizan en el cálculo del espectro. La regla general para estas mediciones es que cuantos más valores medidos incluimos en la FFT, más precisa es la resolución en el rango de frecuencias. Otro parámetro es la función ventana, que determina la ponderación que debe aplicarse para los valores de muestreo derivados del muestreo de una señal dentro de un segmento (ventana) cuando se usan en el cálculo. Si se asignan al gráfico múltiples canales, el espectro de canales puede también visualizarse como una suma de vectores.

Con el juego de herramientas de medición y análisis de QuantumX y catman®AP, los ingenieros pueden analizar todas las magnitudes físicas de los sistemas y productos que estudian —incluido el sonido—, con fines de diseño, pruebas, producción o mantenimiento.