Sonido y vibración en campo

Conocido como una vibración de presión transmitida a través de un medio elástico, percibida por el oído humano, el sonido se caracteriza por el tono o frecuencia, intensidad o fuerza con la que es emitido, punto del que parten sus subdivisiones y lo llevan a convertirse en ruido.

David Ortiz Gómez

En el presente artículo se hace un recorrido a fondo sobre el sonido y sus características, presentando imágenes que servirán como ilustración para su mayor comprensión y, tomando especificaciones básicas, como punto de partida.

Frecuencia
Su propagación en el aire se hace bajo forma de onda esférica.

La frecuencia de una onda sonora se define como el número de pulsaciones que tiene por unidad de tiempo. La unidad correspondiente es el hertzio (Hz).

Decibelio. Unidad logarítmica de medida, utilizada en diferentes disciplinas de la ciencia. En todos los casos, se usa para comparar una cantidad con otra, llamada de referencia.

Lp = 10 Log P2/Pref
Lw = 10 Log W/Wref

Es la décima parte del Bel. El Bel es el logaritmo en base 10 de la relación de dos potencias o intensidades; no obstante, esta unidad resulta demasiado grande, por lo que se ha normalizado el uso de la décima parte del Bel.

En escala logarítmica, los valores límite son:

Inferior = 0 dB
Superior = 120 dB

Medida del sonido
Para determinar un nivel sonoro se hace una medida de presión sonora

La unidad de presión es el Pascal:

Límite inferior = 0,00002 Pa
Límite superior = 20 Pa

En acústica, la mayoría de las veces el decibelio se utiliza para comparar la presión sonora en el aire, con una presión de referencia

Niveles de ruido típicos

La fuente emite una potencia sonora (Lw).

El oyente recibe una presión sonora (Lp: presión ejercida por la vibración del aire sobre el tímpano o membrana del micrófono).

Potencia acústica
Característica propia de la fuente, que no depende del entorno o de la distancia

Si la fuente sonora emite en todas las direcciones, “en campo libre”

Lw = Lp + 10 Log (4 π r2)

donde “r” es la distancia entre la fuente y el oyente

Tabla para cálculos rápidos
Cuando la diferencia entre dos niveles sonoros es de Se añade al nivel más grande
0 o 1 dB 3 dB
2 o 3 dB 2 dB
4 o 9 dB 1 dB
10 dB o más 0 dB

Suma de niveles sonoros
El ruido resultante de dos fuentes iguales NO es la suma aritmética de los niveles sonoros de cada fuente

Para sumar dos valores en decibelios se tiene que hacer una suma logarítmica o utilizar la tabla siguiente:

Medición del nivel sonoro. Para medir el nivel sonoro disponemos de los sonómetros. Estos aparatos nos proporcionan una indicación del nivel acústico de las ondas sonoras que inciden sobre el micrófono.

Sonómetros IEC 60651 IEC 60804 e IEC 61672
IEC 60651 – Sonómetros (1979, 1993): define los sonómetros en cuatro grados de precisión (Tipos 0, 1, 2 y 3). Especifica características, incluyendo la directividad, ponderación frecuencial y temporal, y sensibilidad a ambientes varios.

IEC 60804 – Sonómetros integradores promediadores (1985, 1989, 1993): es una norma adicional a la IEC 651 que describe este tipo de instrumento; es decir, aquellos que miden Leq.

IEC 61672 – Sonómetros: es una nueva versión de la norma IEC de sonómetros, que reemplazará a la IEC 60651 y a la IEC 60804. Cambios principales: especificaciones más duras, el tipo 3 desaparece; implicaría mejoras en la calidad y en los ensayos de la instrumentación, así como una mejora en la precisión.

La escala A: el dB(A)
El oído humano no percibe los niveles de presión sonora de la misma manera en todas las frecuencias, mientras que los sonómetros tienen una sensibilidad idéntica

Para acercar la medida del sonómetro lo máximo posible a la molestia real que puede producir un sonido, se hace una ponderación del nivel de presión para ciertas frecuencias

El resultado obtenido no se expresará en dB si no en dB(A)

En la práctica, los niveles sonoros en ventilación se dan en dB(A)

Tabla 1
Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000  
dB -26.2 -16.1 -8.6 -3.2 0 1.2 1 -1,1

Ponderaciones A
Correcciones para pasar de dB lineales, a dB(A) (Ver tabla 1)

En las frecuencias medias, la sensibilidad es máxima; menor, en los agudos y poca, en los graves

Tipos de ruido
Ruido Continuo. Es el que se produce por maquinaria que opera del mismo modo sin interrupción, por ejemplo: ventiladores, bombas y equipos de proceso

Ruido Intermitente. Se produce cuando la maquinaria opera en ciclos; el nivel de ruido aumenta o disminuye rápidamente

Ruido Impulsivo. El ruido de impactos o explosiones es breve y abrupto, y su efecto, sorprendentemente, causa mayor molestia que la esperada, a partir de una simple medida del nivel de presión sonora

Campo libre-directividad
Si una onda acústica se emite en todas direcciones, sin que haya algún obstáculo que se oponga a su propagación, diremos que está emitiendo en campo libre

Cuando la onda se refleja sobre una parte del volumen que le rodea, entonces se habla de directividad

Directividad
Cuando la potencia acústica se disipa en una dirección concreta tenemos:

Lw = Lp + 10 Log (4 π r2/Q)  donde “Q” es el factor de directividad

Tipos de fuente
Fuente puntual. Cuando las dimensiones de una fuente de ruido son pequeñas comparadas con la distancia al oyente; por ejemplo: ventiladores y chimeneas

Fuente lineal. Si una fuente es estrecha en una dirección y larga en la otra comparada con la distancia al oyente, puede ser una fuente independiente o puede estar compuesta de muchas fuentes puntuales operando simultáneamente

Campo libre y campo reverberado
La zona donde el nivel sonoro disminuye cuando nos alejamos de la fuente (como en campo libre) se llama el campo directo

La zona donde la presión acústica reverberada es igual o superior a lo que sería en campo libre se llama campo reverberado

Tiempo de reverberación
El tiempo de reverberación (RT) es el tiempo que tarda una señal, desde que deja de sonar, en atenuarse un nivel de 60 dB.

Frecuencia Hz Curva  A dB Curva  C dB  
63 -26.2 -0.8
125 -16.1 -0.2
250 -8.9 0.0
500 -3.2 0.0
1000 0.0 0.0
2000 1.2 -0.2
4000 1.0 -0.8
8000 -1.1 -3.0
Tabla 2. Atenuación asociada con curvas de ponderación A y C Gráfica 1.  Atenuación asociada con curvas de ponderación A, B y C

Coeficiente de absorción de un material
La absorción de un cuarto se obtiene sumando todas las superficies de absorción en el cuarto. La absorción de cada superficie es el producto del área de la superficie por el coeficiente de absorción. El coeficiente de absorción de un material es la relación entre la energía absorbida por el material y la energía reflejada por el mismo.

Refracción. Es el cambio de dirección que sufre una onda cuando pasa de un medio a otro

Difracción. Es la distorsión de un campo sonoro, causado por la presencia de un obstáculo, o también una flexión por parte de los frentes  de onda

Reflexión. En el límite de dos medios capaces de conducir sonido, como el caso frecuente de las superficies que separan el aire ambiente de cuerpos sólidos, ocurre tanto la reflexión como la absorción de energía

Ruido a través de canalizaciones
Debidos al movimiento del aire y a las turbulencias, se transmiten por los conductos

Se pueden generar en los conductos mismos cuando la velocidad del aire sobrepasa los 10 m/s

La energía de presión consumida (pérdida de carga) se transforma en potencia acústica

Ventilador que irradia en un espacio libre de obstáculos
Vea la siguiente instalación y suponga que quiere conocer Lp en el punto“A”, afectado por el ruido del ventilador V, del cual tenemos su potencia sonora a la descarga Lw

Se considera la siguiente expresión como base para el cálculo:  Lp = Lw – 20 Log r + 10 Log Q – 11

  • Lp = Lw – 20 Log r + 10 Log Q -11
  • Q = 2 (Centro pared)
  • r = 3m
  • Δ = -20 Log 3 + 10 Log 2 – 11 = -9.5 + 3 -11 = -17.5 (Ver tabla 3)

 

Frecuencia Hz 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
1 Lw Potencia Ventilador 74 73 74 73 72 69 64 58
2 Δ -17.5 -17.5 17.5 17.5 17.5 17.5 17.5 17.5
3 Lp = 1 + 2 56.5 55.5 56.5 55.5 54.5 51.5 46.5 40.5
4 Ponderación A -25.5 -15.5 -8.5 -3 0 1 1 -1
5 Lp (A) = 3 + 4 31 40 48 52.5 54.5 52.5 47.5 69.5
Tabla 3. Lp (A) Total = 10 Log  ∑ 10 Lp(A)/10 = 58.9 dB(A)

Ventilador que afecta un recinto cerrado
En este caso, sobre el punto “A” estudiado llegan las ondas sonoras directas, como en el caso anterior; pero, además, las reflejadas por las paredes: sonido reverberante

Dividiremos el cálculo en dos partes: ruido directo, siguiendo exactamente los pasos del apartado anterior, y ruido reverberante, utilizando la expresión siguiente:

Lp reverberante = Lw -10 Log Rc + 6

Rc es la constante de la habitación que depende de la superficie de las paredes

S (m2) y del coeficiente a medio de absorción de las mismas

Cálculo de Rc
Frecuencia Hz: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000

Coeficiente de absorción α: 0.05, 0.05, 0.1, 0.15, 0.25, 0.3, 0.3, 0.25

Rc = S α/1-α: 5.3, 5.3, 11.1, 17.6, 33.3, 42.9, 42.9, 33.3

Ruido reverberante
Frecuencia Hz: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000

1 Lw (Potencia ventilador): 74, 73, 74, 73, 72, 69, 64, 58

2 -10 LogRc + 6: -1.2, -1.2, -4.5, -6.5, -9.2, -10.3, -10.3, -9.2

3 Lp Reverberante 1 + 2: 72.8, 71.8, 69.5, 66.5, 62.8, 58.7, 53.7, 48.8

Ruido total
Frecuencia Hz: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000

4 Lp Directo: 56.5, 55.5, 56.5, 55.5, 54.5, 51.5, 46.5, 40.5

5 Lp Reverberante: 72.8, 71.8, 69.5, 66.5, 62.8, 58.7, 53.7, 48.8

6 Lp Total 10 Log (10 4/10 + 10 5/10): 72.9, 71.9, 69.7, 66.8, 63.4, 59.5, 54.5, 49.4

7 Ponderación A: -25.5, -15.5, -8.5, -3, 0, 1, 1, -1,

8 Lp (A): 47.4 56.4 61.2 63.8 63.4 60.5 55.5 48.4

Lp (A) Total = 10 Log Σ 10 Lp(A) /10 = 69 dB(A)

NOM-011-STPS-2001. Tiene por objetivo establecer las condiciones de seguridad e higiene que se requieren en los centros de trabajo donde se genere ruido que, por sus características, niveles y tiempo de acción, sea capaz de alterar la salud de los trabajadores; también, establece los niveles y los tiempos máximos permisibles de exposición, por jornada de trabajo.

Límites máximos permisibles de exposición
NER TMPE
90 dB(A) 8 horas
93 dB(A) 4 horas
96 dB(A) 2 horas
99 dB(A) 1 hora
102 dB(A) 30 minutos
105 dB(A) 15 minutos

Cálculo para el tiempo de exposición
Cuando el NER en los centros de trabajo esté entre dos de las magnitudes consignadas de la tabla A1(90 y 105 dB(A)), el tiempo máximo permisible de exposición se debe calcular con la siguiente ecuación:

TMPE = 8/2^ ((NER -90)/3)

Donde:

TMPE = Tiempo Máximo Permisible de Exposición
NER = Nivel de Exposición a Ruido

NOM-081-ECOL-1994. Esta norma establece los límites máximos permisibles de emisión de ruido que genera el funcionamiento de las fuentes fijas, y el método de medición por el cual se determina su nivel emitido hacia el ambiente. Se aplica en la pequeña, mediana y gran industria (comercios establecidos, servicios públicos o privados, y actividades en la vía pública).

Límites máximos permisibles del nivel sonoro en ponderación “A”
Horario Límites máximos permisibles
De 6:00 a 22:00 hrs 68 dB(A)
De 22:00 a 6:00 hrs 65 dB(A)

En Suiza utilizan tres tipos de límites:
1  Valores de planificación para nuevas áreas residenciales, de transportes o industriales
2  Límites en las viviendas por alteraciones o nuevas instalaciones
3  Valores de alarma para identificar áreas en las que es prioritario la disminución del ruido.

NOM-081-SEMARNAT-1994
Los puntos de medición deben situarse lo más cerca posible de los límites exteriores del predio, a una altura del piso no inferior a 1.20 m. Si la fuente fija no se halla limitada por confinamientos y no existe forma de determinar los límites del predio, los puntos de medición deben situarse a un 1 m de distancia de aquélla, a una altura del piso no inferior a 1.20 m.

Norma Ambiental para el Distrito Federal NADF-005-AMBT-2006. Establece los límites máximos permisibles de emisiones sonoras que deberán cumplir los responsables de fuentes emisoras ubicadas en el Distrito Federal.

Objeto y ámbito de validez. Establecer las especificaciones de los equipos, condiciones y procedimiento de medición, así como los límites máximos permisibles de emisiones sonoras de aquellas actividades o giros que, para su funcionamiento, utilicen maquinaria, equipo, instrumentos, herramienta, artefactos o instalaciones que generen emisiones sonoras al ambiente. La presente norma es aplicable a todas aquellas fuentes emisoras ubicadas en el territorio del Distrito Federal, que no sean de competencia Federal.

Horario Límites máximos permisibles
De 6:00 a 22:00 hrs 65 dB(A)
De 22:00 a 6:00 hrs 62 dB(A)

Límites máximos permisibles. Los límites máximos permisibles de emisiones sonoras de aquellas actividades o giros que, para su operación, precisen maquinaria y equipo que generen emisiones sonoras al ambiente serán:

Introducción a las vibraciones
¿Cuándo es necesario conocer la vibración que genera una máquina rotativa?

En modo de vigilancia, teniendo claro el estado en que se encuentra el equipo

Cuando ya existe un problema y se requiere entender cuál es la situación y cómo resolverlo

Vibración: es una oscilación donde la cantidad es un parámetro que define el movimiento de un sistema mecánico.

Oscilación: es la variación, normalmente en función del tiempo, de la magnitud de una cantidad, con respecto a una referencia específica, cuando la magnitud es alternativamente mayor y menor que la referencia.

Parámetros mecánicos y componentes

  • Desplazamiento
  • Velocidad
  • Aceleración

Parámetros asociados con la vibración y su aislamiento

  • Periodo (T). Unidad de medida: s
  • Frecuencia (f). Unidad de medida: Hz
  • Pulsación (ω). Unidad de medida: rad/s
  • Elongación. Unidad de medida: m, mm, etc.
  • Amplitud. Valor mayor de la elongación

Movimiento oscilatorio simple

Si el movimiento de nuestro ejemplo se mantuviera indefinidamente, sería un movimiento armónico simple.

Desplazamiento
y(t) = Y sen (wωt)

Velocidad
v(t) = ω wY cos (ωt)

Aceleración
a(t) = ω w2Y sen (ωt)

Frecuencia de resonancia
ωn = √K/M

fn = 1/2π √K/M

Donde:

K = Coeficiente del sistema de muelle (lbf/in, N/m)
M = Masa del sistema (lbf-s2/in, kg)

Frecuencia de resonancia para un sistema con 1 grado de libertad

ωn = √g/∂

fn = 1/2π √ g/∂

Deflexión estática asociada

∂ = g/4π2f2n

¿Qué es el análisis modal experimental? Es la excitación de una estructura, mediante un excitador electrónico, para determinar las formas de movimiento. Esta técnica es rutinaria en la industria aeroespacial. El objetivo de este análisis es ubicar los aislamientos en los lugares más efectivos.

 
Aislamiento requerido en t %
Tipo de ventilador Instalaciones Instalación
Axial <7.5 kW 90% 70%
7.5 a 40 kW 94% 75%
>40 kW 96% 80%
Centrífugo <4 kW 90% 40%
4 a 20 kW 96% 80%
>20 kW 98% 90%

Introducción a los ensayos modales
Requerimientos actuales: aumentar la velocidad en el transporte, disminuir consumo de carburantes y hacer construcciones más ligeras.

Consecuencias. Las estructuras se vuelven más débiles y se rompen, debido a las cargas dinámicas. Las resonancias se mueven a las zonas de excitación de las fuerzas del sistema.

Aplicaciones

  • Ensayos de vibraciones
  • Mantenimiento predictivo
  • Vibraciones en edificios

¿Cómo se cuantifican las vibraciones? Fuerzas de entrada + respuestas del sistema (movilidad) = vibración

Para realizar el análisis, primero hay que conocer los tipos de señales de vibración, tales como las estacionarias, no estacionarias, deterministas, aleatorias, continuas y transitorias. En función de ello, se realizarán distintos tipos de análisis.

Tipos de transductores. Los transductores, de acuerdo con su principio de funcionamiento, pueden dar una señal de salida proporcional al desplazamiento, velocidad o aceleración, y como consecuencia de su sensibilidad, estará dada en unidades acordes con la magnitud bajo medición.

La vibración se puede expresar en desplazamiento, velocidad y aceleración. También se utilizan transductores de fuerza.

ANSI/AMCA Standard 204-96 Balance Quality and Vibration Levels for Fans. El propósito de esta norma es definir la calidad apropiada de balanceo y niveles de vibración durante la operación para fabricantes, uso y equipo de mantenimiento. Cubre ventiladores con rotor rígido, encontrados en calefacción comercial, ventilación y aire acondicionado; procesos industriales, ventilación de minas/túnel y aplicaciones en generadores de potencia.

Cálculo del desbalance residual permisible ANSI/AMCA Standard 204-96
Unidades SI
eper = (G/ω)E – 03 = Desbalance específico, μm, mm/Kg

Uper = M* eper = (9.55G*M/N) E-03 = Desbalance residual permisible

(Momento), g mm

ω = 2π N/60, rad/s

Donde:

N = Rpm (rotor service speed)

M = Masa del rotor, kg

Unidades I-P

eper = (G/25.4ω)

Desbalance específico, in lb.

Uper = W* eper = (0.376G*W/N) para U en lb in, (6.02G W/N) para U en oz in

ω = 2π N/60, rad/s

Casos frecuentes
Mala alineación. Es casi tan común como el desequilibrio, aunque se utilicen rodamientos autoalineables o acoplamientos flexibles.

Excentricidad. Ocurre cuando el centro de rotación no coincide con el centro geométrico.

Rodamientos de las bolas. Tales movimientos producen vibraciones cuando hay algún defecto en las pistas internas de los rodamientos de las bolas.

Holguras. Normalmente, provienen de tornillos flojos o de cojinetes con juegos demasiado grandes.

Fuerzas aerodinámicas. Éstas, en general, no provocan vibraciones en el ventilador, pero pueden engendrar vibraciones en los conductos acoplados a él.

Cojinetes de fricción. Dan problemas de vibración cuando tienen un juego excesivo, están mal lubricados o se han desgastado por falta de mantenimiento.

Poleas con sección V. Aparte de los problemas de desalineación y excentricidad ya mencionados, las bandas pueden provocar vibraciones, especialmente cuando hay varias de ellas en paralelo y no están hermanadas.

Los defectos que se presentan en las bandas producen vibraciones a unas frecuencias que son múltiplos de la velocidad lineal de aquéllas; por lo tanto: Hz = 1, 2, 3, o 4 Diám. Polea* rev/s / Long. Banda. Por otro lado, los defectos que normalmente se encuentran en las poleas producen frecuencias iguales a su velocidad de rotación.

Elementos aislantes (recomendaciones para instalación)
Instalación típica

  • Repartir cargas entre elementos aislantes
  • Estabilidad del montaje
  • Evitar “puentes mecánicos”
  • Set up del equipo de medición
  • Medición inicial de vibración, la cual se supone que es causada por un peso desconocido
  • Adicionar peso conocido y medir el efecto
  • Una vez conocido el efecto del peso de prueba, calcular el peso necesario para cancelar el desbalance del rotor
  • Revisar si la vibración se encuentra dentro de los parámetros de vibración
  • Repetir el proceso para refinar si es necesario.

¿Por qué debemos hacer balanceo en plano?

  • Porque nos dará un vistazo del proceso de balanceo, el cual es importante conocer, incluso si se prefieren utilizar otras técnicas
  • Porque es simple y puede obtenerse con simples herramientas
  • Porque realmente funciona; en muchas situaciones reales, no es necesario otro método más complejo
Tipo de ventilador Presión estática/potencia (inwg/HP) Velocidad (RPM) Tipo de base Tipo de aislamiento Deflexión mínima   est. (in)
Axiales (hasta 22 in de diámetro) Todas las velocidades No requiere base especial; el aislamiento puede ir directo al equipo Tacón antivibratorio de neopreno o resorte colgante de bastidor 0.25 in
Axiales (mayor de 24 in de diámetro) Hasta 2 inwg hasta 300 rpm No requiere base especial; el aislamiento puede ir directo al equipo Resorte libre o resorte colgante de bastidor 2.50 in
300 a 500 rpm 0.75 in
501 rpm en adelante 0.75 in
2.1 inwg hasta 300 rpm Base de inercia de concreto Resorte libre o resorte colgante de bastidor 2.50 in
300 a 500 rpm 1.75 in
501 rpm en  adelante 0.75 in
Centrífugos (hasta 22 in de diámetro) Todas las  velocidades Base estructural con rieles de acero Tacón antivibratorio de neopreno o resorte colgante de bastidor 0.25 in
Centrífugos (mayor de 24 in de diámetro) Hasta 40 HP hasta 300 rpm Base estructural con rieles de acero Resorte libre o resorte colgante de bastidor 2.50 in
300 a 500 rpm 1.75 in
501 rpm en  adelante 0.75 in
Mayor de 50 HP hasta 300 rpm Base de inercia de concreto Resorte libre o resorte colgante de bastidor 2.50 in
300 a 500 rpm 1.75 in
501 rpm en adelante 1.00 in
Ventilador de hélice aplicación en muro Todas las potencias Todas las velocidades No requiere base especial; el aislamiento puede ir directo al equipo Tacón antivibratorio de neopreno o almoadillas 0.25 in
Ventilador de hélice aplicación en techo Todas las potencias Todas las velocidades No requiere base especial; el aislamiento puede ir directo al equipo Tacón antivibratorio de neopreno o almoadillas 0.25 in

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