EVALUACIÓN DE LOS MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE POTENCIA SONORA
BASADOS EN PRESIÓN Y EN EL USO DE LA SONDA P-U MICROFLOWN
PARA LA CARACTERIZACIÓN ACÚSTICA DE LOS ELECTRODOMÉSTICOS DE
LA LÍNEA ASSENTO DE HACEB
ALEJANDRO MOLINA JARAMILLO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA - SECCIONAL MEDELLÍN
FACULTAD DE INGENIERÍAS
INGENIERÍA DE SONIDO
MEDELLÍN
2014
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EVALUACIÓN DE LOS MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE POTENCIA SONORA
BASADOS EN PRESIÓN Y EN EL USO DE LA SONDA P-U MICROFLOWN
PARA LA CARACTERIZACIÓN ACÚSTICA DE LOS ELECTRODOMÉSTICOS DE
LA LÍNEA ASSENTO DE HACEB
ALEJANDRO MOLINA JARAMILLO
Proyecto de grado para optatar al título de Ingeniero de Sonido
Asesores
Luis Alberto Tafur. Ingeniero de sonido, MSc. en Sonido y Vibraciones, candidato
al título de Doctor en Sonido y Vibraciones.
Héctor García Mayén. Físico, MSc. en Sonido y Vibraciones.
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA - SECCIONAL MEDELLÍN
FACULTAD DE INGENIERÍAS
INGENIERÍA DE SONIDO
MEDELLÍN
2014
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DEDICATORIA
A mi mamá y a mi papá, bastones inquebrantables.
AGRADECIMIENTOS
A mi mamá y a mi papá, a los asesores, a los laboratoristas, a mi compañero
Víctor Palacio, al personal de HACEB que facilitó nuestras visitas a la planta, a la
profesores del programa que me permitieron la edición de datos durante algunas
de sus clases y a todos quienes directa o indirectamente aportaron al desarrollo de
este proyecto.
5
CONTENIDO
Pág.
RESUMEN…………………………………………………………………………………8
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………….…………9
LISTA DE TABLAS………………………………………………………………………11
LISTA DE FIGURAS…………………………………………………………………….13
1. OBJETIVOS………………………………………………………………….….……21
1.1 OBJETIVO GENERAL……………………………………...…………………..21
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………………………...……21
2 MARCO TEÓRICO………………………………………………………………….22
2.1 INTENSIDAD Y POTENCIA ACÚSTICA……………….…...………………..22
2.2 NIVELES SONOROS……………………………………………………….…..24
2.3 MEDIDAS DE LA INTENSIDAD Y POTENCIA SONORA…………………25
2.3.1 ISO 3744:1994. Determinación de los niveles de potencia acústica
de fuentes de ruido mediante el uso de la presión sonora en un
campo esencialmente libre y sobre uno o más planos reflectante.29
2.3.2 Método de medición tecnología Microflown……………….………….35
2.3.2.1 Software Scan&Paint…………………………………………....39
3 ESTADO DEL ARTE……………………………………………………………..…41
4 METODOLOGÍA………………………………...…………………………..………45
4.1 GENERALIDADES…………………………………………………...…………45
4.1.1 Descripción de los refrigeradores y modo de operación…………….45
4.1.2 Descripción de los entornos de medición……………………………..49
4.1.2.1 Estudio A………………………………………………………….50
4.1.2.2 Estudio B……………………………….…………………………51
4.2 APLICACIÓN DEL ESTÁNDAR ISO 3744……………………………………54
4.2.1 Medición de los niveles de presión…………………….………………54
6
4.2.2 Determinación de la corrección por ruido de fondo 𝐾1………………57
4.2.3 Determinación de la corrección por entorno acústico 𝐾2……………58
4.2.3.1 Medición del tiempo de reverberación…………………………58
4.3 MEDICIONES DE VELOCIDAD DE PARTÍCULA…………………………61
4.4 MEDICIONES ACÚSTICAS ADICIONALES ………………………………64
5 RESULTADOS………………………………………………………………………72
5.1 RESULTADOS DEL ESTÁNDAR ISO 3744………………………………….72
5.1.1 Niveles de presión y de ruido de fondo………………………………72
5.1.2 Niveles de presión de superficie, niveles de presión de ruido,
correcciones y niveles de potencia……………………………………73
5.2 NIVELES DE VELOCIDAD DE PARTÍCULA (TECNOLOGÍA
MICROFLOWN)…………………………………………………………………81
5.2.1 Espectrogramas de velocidad de partícula……………………………81
5.2.2 Holografías de velocidad de partícula…………………………………85
5.3 MODELO DE VÍAS DE TRANSMISIÓN………………………………………86
5.4 MEDICIONES ACÚSTICAS ADICIONALES…………………………………89
6 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN…………………………..………………………………96
6.1 ESTÁNDAR ISO 3744…………………………………………………………96
6.2 MEDICIONES DE VELOCIDAD DE PARTÍCULA (TECNOLOGÍA
MICROFLOWN)……………………………………………………101
6.3 CORRESPONDENCIA ENTRE ESPECTROS DE POTENCIA Y
VELOCIDAD DE PARTÍCULA………………………………….106
6.4 MODELO DE VÍAS DE TRANSMISIÓN…………………………………….108
6.5 MEDICIONES ACÚSTICAS ADICIONALES…………….…………………110
7 CONCLUSIONES…………………………………………………………………114
REFERENCIAS…………………………………………………………………………117
ANEXOS……………………………………...…………………………………………120
A. NIVELES DE PRESIÓN Y RUIDO DE FONDO NORMA ISO 3744….121
7
B. ESPECTROGRAMAS DE VELOCIDAD DE PARTÍCULA…………….129
C. HOLOGRAFÍAS DE VELOCIDAD DE PARTÍCULA……………………141
D. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS REFRIGERADORES..….205
E. FICHA TÉCNICA DEL INSTRUMENTAL………………………………..210
F. CERTIFICADOS DE CALIBRACIÓN DE EQUIPOS…………...………220
8
RESUMEN
Mediante la evaluación de técnicas de medición de potencia acústica
estandarizadas (ISO 3744) y de la tecnología Microflown se cuantificó el nivel de
ruido e identificaron los principales mecanismos generadores de sonido en la serie
de electrodomésticos ASSENTO de la compañía HACEB. Un análisis de los
resultados obtenidos tras la medición de las variables acústicas y la localización
de las fuentes de ruido en los refrigeradores de la línea descrita, posibilitó
demostrar cuál es la técnica más conveniente que debería emplear un posible
dispositivo viable provisto para la caracterización acústica de los
electrodomésticos HACEB en la planta de producción.
El estándar internacional basado en presión ISO 3744 y el método de la tecnología
Microflown, basado en la sonda tipo p-u (presión – velocidad de partícula), se
aplicó a los refrigeradores en estudio para la determinación de los niveles de
potencia sonora. Los resultados de estas mediciones y otras adicionales se
compararon y discutieron con el fin de esclarecer su conveniencia para la
cuantificación del ruido en el entorno donde se ensamblan los electrodomésticos
en cuestión.
Para la localización de las fuentes o mecanismos generadores de ruido, se
adelantaron mediciones de velocidad de partícula sobre las superficies de los
refrigeradores. Identificar las superficies vibrantes de las neveras y las fuentes
puntuales de sonido, permitió proponer un modelo de vías de trasmisión, que en
conjunto a la cuantificación del ruido, aportaron información útil que posibilitan
eventuales medidas de control que mitiguen la emisión ruidosa de los
refrigeradores.
9
INTRODUCCIÓN
El ruido es un fenómeno auditivo molesto que según la Organización Mundial de la
Salud, en el aparatado de temas de salud, puede atentar negativamente contra la
integridad física y mental de los seres humanos, siendo causa posible de
enfermedades cardiovasculares, insomnio, estrés, fatiga, pérdida de la
concentración y disminución del rendimiento en entornos laborales y escolares
(Organización Mundial de la Salud). Atendiendo a la inconformidad que varios de
los usuarios de refrigeradores de la línea ASSENTO de la marca HACEB han
presentado ante el ruido que éstos emiten durante su funcionamiento regular, y en
congruencia con lo descrito en el párrafo anterior, el fabricante se ha interesado en
cuantificar los niveles de ruido emitidos por sus refrigeradores y en caracterizar de
manera integral la forma en que éstos radian sonido, con el fin de implementar
eventuales medidas de control.
Algunas compañías afines a la industria de bienes manufacturados,
electrodomésticos y automotores ya se han dado a la tarea de estudiar la
propagación de ruido en los bienes que producen, o bien, en la maquinaria que
emplean para su elaboración [2-4]. Para tales fines en este caso particular, se
implementaron métodos de medición de potencia acústica que arrojan los niveles
de energía radiada por las neveras en cada banda de frecuencia de tercio de
octava, así como el empleo de la tecnología Microflown para la identificación de
aquellas superficies que puedan estar vibrando y comportándose como fuentes de
ruido. (Ochoa, 2011; Tijs & de Bree, Mapping 3D sound intensity streamlines in a
car interior, 2009; Tijs, de Bree, & Büsow, P-U sound power measurements on
large turbo machinery equipment, 2009)
Tras haber determinado los niveles de potencia sonora y localizar los mecanismos
de sonido presentes en los electrodomésticos bajo entornos acústicos controlados,
es propone un modelo de vías de transmisión, el cual, mediante una diagramación
10
simple y entendible, incluso para personas que no tienen conocimientos en
acústica y vibraciones, ilustra el fenómeno propagativo del sonido a través del aire
y de los componentes estructurales y funcionales de los electrodomésticos bajo
evaluación.
Mediciones acústicas adicionales en entornos y con fuentes controladas
permitieron una evaluación de los métodos empleados en el proyecto,
posibilitando comparaciones entre ellos y un análisis de sus ventajas, desventajas,
limitantes, alcances y versatilidad, señalando a la tecnología Microflown como la
más conveniente para la caracterización integral de fuentes de ruido en ambientes
de producción típicos.
11
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Medidas físicas ISO 3744 para cada refrigerador sobre un plano reflectante…………………………………………………………………………………55
Tabla 2. Medidas físicas ISO 3744 para cada refrigerador sobre dos planos reflectantes……………………………………………………………………….………56
Tabla 3. Medidas físicas ISO 3744 para la primera medición en interiores con fuente controlada………………………………………………………………………...66
Tabla 4. Medidas físicas ISO 3744 para la segunda medición en interiores con fuente controlada……….……………….…………………………………………….…68
Tabla 5. Resultados del estándar ISO 3744 sobre un plano reflectante. Nevera AS220L. ………………………………………………………………………………..…74
Tabla 6. Resultados del estándar ISO 3744 sobre un plano reflectante. Nevera AS300L. …………………………………………………………………………………..75
Tabla 7. Resultados del estándar ISO 3744 sobre un plano reflectante. Nevera AS420L. …………………………………………………………………………………..76
Tabla 8. Resultados del estándar ISO 3744 sobre dos planos reflectantes. Nevera AS220L. …………………………………………………………………………………..77
Tabla 9. Resultados del estándar ISO 3744 sobre dos planos reflectantes. Nevera AS300L. …………………………………………………………………………………..78
Tabla 10. Resultados del estándar ISO 3744 sobre dos planos reflectantes. Nevera AS420L. …………………………………………………………………………79
Tabla 11. Niveles totales de potencia de los refrigeradores bajo el estándar ISO 3744 sobre uno y dos planos reflectantes…………………………………………….80
Tabla 12. Niveles de velocidad de partícula para las frecuencias críticas por sectores. Nevera AS220L. ……………………………………………………………..82
Tabla 13. Niveles de velocidad de partícula para las frecuencias críticas por sectores. Nevera AS300L. ……………………………………………………………..83
Tabla14. Niveles de velocidad de partícula para las frecuencias críticas por sectores. Nevera AS420L. ……………………………………………………………..83
12
Tabla 15. Niveles de potencia acústica para la fuente controlada en interiores mediante los métodos de la ISO 3744 y la tecnología Microflown…………..…..…93
Tabla 16. Niveles de potencia acústica para la fuente controlada en interiores sobre la superficie de medición pequeña y grande, método ISO 3744 y tecnología Microflown. …………………………………………………………………………….…94
Tabla 17. Niveles de ruido de fondo en el entorno de la línea de control de calidad HACEB…..……………………………………………………………………………..…95
Tabla A1. Niveles de presión sonora sobre un plano reflectante nevera AS220L…………………………………………………………………………………..121
Tabla A2. Niveles de presión sonora sobre un plano reflectante nevera AS300L…………………………………………………………………………………..122
Tabla A3. Niveles de presión sonora sobre un plano reflectante nevera AS420L…………………………………………………………………………………..123
Tabla A4. Niveles de presión sonora sobre dos planos reflectantes nevera AS220L. …………………………………………………………………………………124
Tabla A5. Niveles de presión sonora sobre dos planos reflectantes nevera AS300L…………………………………………………………………………………..125
Tabla A6. Niveles de presión sonora sobre dos planos reflectantes nevera AS420L...………………………………………………………………………………..126
Tabla A7. Niveles de ruido de fondo Estudio B. ………………………..…………..127
Tabla A8. Tiempos de reverberación por bandas de tercio de octava. Estudio A y Estudio B. ……………………………………………………………………...……….128
Tabla D1. Especificaciones refrigerador ASSENTO 220 litros……………………206
Tabla D2. Especificaciones refrigerador ASSENTO 300 litros……………………207
Tabla D3. Especificaciones refrigerador ASSENTO 420 litros……………...…….209
13
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Fig. 1. Ilustración del concepto de intensidad y potencia acústica…………………24
Fig. 2. Sondas p-p y p-u ultrasónica………………………………………………...…28
Fig.3 Cajas de referencia para uno y dos planos reflectantes……………………...31
Fig. 4. Distribución de los puntos de medición para las superficies imaginarias paralelepípedas. …………………………………………………………………………34
Fig. 5. Sensor p-u Microflown. …………………………………………………………36
Fig. 6. Gradiente de temperatura entre los alambres de platino……………………36
Fig. 7. Patrón polar sensor velocidad de partícula Microflown y error en las mediciones de intensidad como función del desfase entre las variables de presión y velocidad de partícula.…………………………………..…………………………….37
Fig. 8. Ilustración del proceso de discretización espacial .…………………..……...40
Fig. 9 Refrigeradores de la línea ASSENTO estudiados .…………………………..46
Fig. 10. Distribución de componentes externos de los refrigeradores ASSENTO. Sección frontal.……………………...…………………………………………………...47
Fig. 11. Distribución de componentes externos de los refrigeradores ASSENTO. Sección posterior. ……………………………………………………………………….47
Fig. 12. Termostato de las neveras de 220 y 300 litros. ……………………………48
Fig. 13. Control electrónico de temperatura para el refrigerador de 420 litros……49
Fig. 14. Estudio A. Coberturas de las superficies internas y aspecto del lugar…..50
Fig. 15. Vista en planta del estudio A, localización de paneles y de la fuente para la toma de datos. …………………………………………………………………………..51
Fig. 16. Estudio B. Coberturas de las superficies internas y aspecto del lugar…..52
Fig. 17. Vista en planta del estudio B, localización de paneles y de los refrigeradores para la toma de datos. ………………………………………………...53
Fig. 18. Mediciones de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744……………..57
Fig.19. Posición de micrófonos y fuente para la medición de tiempo de reverberación en la sala difusa del Estudio B. ……………………………………….59
14
Fig. 20. Posición de micrófonos y fuente para la medición de tiempo de reverberación en la sala de grabación del Estudio A. ………………………………60
Fig. 21. Sectorización de las caras de los refrigeradores para las mediciones de velocidad de partícula. ……………………………………………………………….…62
Fig. 22. Mediciones de velocidad de partícula con la sonda Microflown y el software Scan&Paint. …………………………………………………………………...64
Fig. 23. Arreglo experimental para la medición de potencia mediante la sonda p-u Microflown en exteriores. ………………………………………………………………65
Fig. 24. Mediciones acústicas adicionales. ……………………………………….68-69
Fig.25. Niveles de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744 sobre un plano reflectante. Nevera AS220L…………………………………………………………….74
Fig. 26 Niveles de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744 sobre un plano reflectante. Nevera AS300L. …………………………………………………………...75
Fig. 27. Niveles de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744 sobre un plano reflectante. Nevera AS420L. …………………………………………………………...76
Fig. 28 Niveles de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744 sobre dos planos reflectantes. Nevera AS220L. ………………………………………………………….77
Fig. 29. Niveles de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744 sobre dos planos reflectantes. Nevera AS300L…………………………………………………………..78
Fig. 30. Niveles de potencia acústica bajo el estándar ISO 3744 sobre dos planos reflectantes. Nevera AS420L. …………………………………………………………79
Fig.31. Niveles totales de potencia acústica sobre uno y dos planos reflectantes.80
Fig. 32. Niveles de velocidad de partícula para las frecuencias críticas por sectores. NeveraAS220L. ………………………………………………………………84
Fig.33. Niveles de velocidad de partícula para las frecuencias críticas por sectores. Nevera AS300L. …………………………………………………………………………84
Fig.34. Niveles de velocidad de partícula para las frecuencias críticas por sectores. Nevera AS420L. …………………………………………………………………………85
Fig. 35. Modelo de vías de transmisión de los refrigeradores ASSENTO…………87
Fig. 36. Ventilador del congelador. ……………………………………………………88
Fig. 37. Conjunto funcional: compresor, bandeja recolectora y filtro secador…….88
15
Fig. 38. Niveles de potencia acústica tecnología Microflown. Nevera AS300L…...90
Fig. 39. Niveles de potencia acústica para la primera medición con fuente controlada en interiores mediante los métodos de la ISO 3744 y la tecnología Microflown………………………………………………………………………………..90
Fig. 40. Niveles de potencia acústica para la segunda medición con fuente controlada en interiores, superficie de medición grande, método ISO 3744 y tecnología Microflown. ………………………………………………………………….91
Fig. 41. Niveles de potencia acústica para la segunda medición con fuente controlada en interiores, superficie de medición pequeña, método ISO 3744 y tecnología Microflown. ………………………………………………………………….91
Fig. 42. Niveles de potencia acústica para la fuente controlada en interiores, superficie de medición pequeña y pequeña, método tecnología Microflown……..92
Fig. 43. Niveles de ruido de fondo en el entorno de la línea de control de calidad HACEB. …………………………………………………………………………………..92
Figura A1. Tiempos de reverberación por bandas de tercio de octava Estudio A y B………………………………………………………………………………………….128
Fig. B1. Espectrogramas velocidad de partícula cara FRONTAL nevera AS220L………………………………………………………………………………….129
Fig. B2. Espectrogramas velocidad de partícula cara DERECHA nevera AS220L………………………………………………………………………………….130
Fig. B3. Espectrogramas velocidad de partícula cara POSTERIOR nevera AS220L. …………………………………………………………………………………131
Fig. B4. Espectrogramas velocidad de partícula cara IZQUIERDA nevera AS220L…………………………………………………………………………………..132
Fig. B5. Espectrogramas velocidad de partícula cara FRONTAL nevera AS300L…………………………………………………………………………………..133
Fig. B6. Espectrogramas velocidad de partícula cara DERECHA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..134
Fig. B7. Espectrogramas velocidad de partícula cara POSTERIOR nevera AS300L. …………………………………………………………………………………135
Fig. B8. Espectrogramas velocidad de partícula cara IZQUIERDA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..136
16
Fig. B9. Espectrogramas velocidad de partícula cara FRONTAL nevera AS420L…………………………………………………………………………………..137
Fig. B10. Espectrogramas velocidad de partícula cara DERECHA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..138
Fig. B11. Espectrogramas velocidad de partícula cara POSTERIOR nevera AS420L. …………………………………………………………………………………139
Fig. B12. Espectrogramas velocidad de partícula cara IZQUIERDA nevera AS420L. …………………………………………………………………………………140
Fig. C1. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara FRONTAL nevera AS220L. …………………………………………………………………………………141
Fig. C2. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara DERECHA nevera AS220L. …………………………………………………………………………………142
Fig. C3. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara POSTERIOR nevera AS220L…………………………………………………………………………………..143
Fig. C4. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara IZQUIERDA nevera AS220L…………………………………………………………………………………..144
Fig. C5. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara FRONTAL nevera AS220L…………………………………………………………………………………..145
Fig. C6. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara DERECHA nevera AS220L………………………………………………………………………………..…146
Fig. C7. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara POSTERIOR nevera AS220L…………………………………………………………………………..………147
Fig. C8. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara IZQUIERDA nevera AS220L………………………………………………………………………………..…148
Fig. C9. Holografía velocidad de partícula a 199,2Hz cara FRONTAL nevera AS220L…………………………………………………………………………………..149
Fig. C10. Holografía velocidad de partícula a 199,2Hz cara DERECHA nevera AS220L………………………………………………………………………………..…150
Fig. C11. Holografía velocidad de partícula a 199,2Hz cara POSTERIOR nevera AS220L…………………………………………………………………………………..151
Fig. C12. Holografía velocidad de partícula a 199,2Hz cara IZQUIERDA nevera AS220L…………………………………………………………………………………..152
17
Fig. C13. Holografía velocidad de partícula a 205,1Hz cara FRONTAL nevera AS220L………………………………………………………………………………..…153
Fig. C14. Holografía velocidad de partícula a 205,1Hz cara DERECHA nevera AS220L……………………………………………………………………………..……154
Fig. C15. Holografía velocidad de partícula a 205,1Hz cara POSTERIOR nevera AS220L…………………………………………………………………………………..155
Fig. C16. Holografía velocidad de partícula a 205,1Hz cara IZQUIERDA nevera AS220L…………………………………………………………………………………..156
Fig. C17. Holografía velocidad de partícula a 210,9Hz cara FRONTAL nevera AS220L…………………………………………………………………………………..157
Fig. C18. Holografía velocidad de partícula a 210,9Hz cara DERECHA nevera AS220L…………………………………………………………………………………..158
Fig. C19. Holografía velocidad de partícula a 210,9Hz cara POSTERIOR nevera AS220L………………………………………………………………………………..…159
Fig. C20. Holografía velocidad de partícula a 210,9Hz cara IZQUIERDA nevera AS220L…………………………………………………………………………………..160
Fig. C21. Holografía velocidad de partícula a 240,2Hz cara FRONTAL nevera AS220L…………………………………………………………………………………..161
Fig. C22. Holografía velocidad de partícula a 240,2Hz cara DERECHA nevera AS220L…………………………………………………………………………………..162
Fig. C23. Holografía velocidad de partícula a 240,2Hz cara POSTERIOR nevera AS220L………………………………………………………………………………..…163
Fig. C24. Holografía velocidad de partícula a 240,2Hz cara IZQUIERDA nevera AS220L…………………………………………………………………………………..164
Fig. C25. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara FRONTAL nevera AS300L……………………………………………………………………………..……165
Fig. C26. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara DERECHA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..166
Fig. C27. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara POSTERIOR nevera AS300L………………………………………………………………………………..…167
Fig. C28. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara IZQUIERDA nevera AS300L………………………………………………………………………………….168
18
Fig. C29. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara FRONTAL nevera AS300L………………………………………………………………………………..…169
Fig. C30. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara DERECHA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..170
Fig. C31. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara POSTERIOR nevera AS300L…………………………………………………………………………………..171
Fig. C32. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara IZQUIERDA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..172
Fig. C33. Holografía velocidad de partícula a 210Hz cara FRONTAL nevera AS300L…………………………………………………………………………………..173
Fig. C34. Holografía velocidad de partícula a 210Hz cara DERECHA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..174
Fig. C35. Holografía velocidad de partícula a 210Hz cara POSTERIOR nevera AS300L…………………………………………………………………………………..175
Fig. C36. Holografía velocidad de partícula a 210Hz cara IZQUIERDA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..176
Fig. C37. Holografía velocidad de partícula a 240Hz cara FRONTAL nevera AS300L…………………………………………………………………………………..177
Fig. C38. Holografía velocidad de partícula a 240Hz cara DERECHA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..178
Fig. C39. Holografía velocidad de partícula a 240Hz cara POSTERIOR nevera AS300L…………………………………………………………………………………..179
Fig. C40. Holografía velocidad de partícula a 240Hz cara IZQUIERDA nevera AS300L…………………………………………………………………………………..180
Fig. C41. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara FRONTAL nevera AS420L…………………………………………………………………………………..181
Fig. C42. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara DERECHA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..182
Fig. C43. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara POSTERIOR nevera AS420L…………………………………………………………………………………..183
Fig. C44. Holografía velocidad de partícula a 58.59Hz cara IZQUIERDA nevera AS420L…………………………………………………………………………..………184
19
Fig. C45. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara FRONTAL nevera AS420L………………………………………………………………………………..…185
Fig. C46. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara DERECHA nevera AS420L………………………………………………………………………………….186
Fig. C47. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara POSTERIOR nevera AS420L…………………………………………………………………………………..187
Fig. C48. Holografía velocidad de partícula a 117,2Hz cara IZQUIERDA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..188
Fig. C49. Holografía velocidad de partícula a 175.8Hz cara FRONTAL nevera AS420L…………………………………………………………………………………..189
Fig. C50. Holografía velocidad de partícula a 175.8Hz cara DERECHA nevera AS420L………………………………………………………………………………..…190
Fig. C51. Holografía velocidad de partícula a 175.8Hz cara POSTERIOR nevera AS420L…………………………………………………………………………………..191
Fig. C52. Holografía velocidad de partícula a 175.8Hz cara IZQUIERDA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..192
Fig. C53. Holografía velocidad de partícula a 181,6Hz cara FRONTAL nevera AS420L…………………………………………………………………………………..193
Fig. C54. Holografía velocidad de partícula a 181,6Hz cara DERECHA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..194
Fig. C55. Holografía velocidad de partícula a 181,6Hz cara POSTERIOR nevera AS420L…………………………………………………………………………………..195
Fig. C56. Holografía velocidad de partícula a 181,6Hz cara IZQUIERDA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..196
Fig. C57. Holografía velocidad de partícula a 228,5Hz cara FRONTAL nevera AS420L…………………………………………………………………………………..197
Fig. C58. Holografía velocidad de partícula a 228,5Hz cara DERECHA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..198
Fig. C59. Holografía velocidad de partícula a 228,5Hz cara POSTERIOR nevera AS420L…………………………………………………………………………………..199
Fig. C60. Holografía velocidad de partícula a 228,5Hz cara IZQUIERDA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..200
20
Fig. C61. Holografía velocidad de partícula a 240,2Hz cara FRONTAL nevera AS420L………………………………………………………………………………..…201
Fig. C62. Holografía velocidad de partícula a 240,2Hz cara DERECHA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..202
Fig. C63. Holografía velocidad de partícula a 240,2Hz cara POSTERIOR nevera AS420L…………………………………………………………………………………..203
Fig. C64.Holografía velocidad de partícula a 240,2Hz cara IZQUIERDA nevera AS420L…………………………………………………………………………………..204
Fig. D1. Aspecto exterior e interior de la nevera AS220L………………………….205
Fig. D2. Aspecto exterior e interior de la nevera AS300L………………………….207
Fig. D2. Aspecto exterior e interior de la nevera AS420L………………………….208
Fig. E1. Sonómetro integrador CESVA SC310……………………………………..211
Fig. E2. Calibrador Clase 1 CB006…………………………………………………..212
Fig. E3. Micrófono de medición dbX RTA-M………………………………………..213
Fig. E4. Sensibilidad y fase del micrófono de la sonda Microflown………………214
Fig. E5. Respuesta en frecuencia y fase del sensor Microflown………………….214
Fig.E6. Acondicionador de señal MFSC-2…………………………………………..215
Fig. E7. Interfaz MFDAQ-2…………………………………………………………….216
Fig. E8. Parlante Mackie HR824……………………………………………………..218
Fig. E9. Consola TAPCO………………………………………………………………218
Fig. E10. Cámara Web 720hp HD Genius…………………………………………..219
21
1. OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
Evaluar los métodos de estimación de potencia sonora basados en presión y en el
uso de la sonda p-u Microflown para la caracterización acústica de los
electrodomésticos de la línea ASSENTO de HACEB.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Obtener los niveles de potencia acústica de la serie de neveras ASSENTO de
la marca HACEB por medio del método estandarizado ISO 3744 basado en la
presión sonora.
Estimar los niveles de potencia acústica de la serie de neveras ASSENTO de
la marca HACEB por medio de los datos de intensidad obtenidos mediante la
sonda p-u Microflown.
Analizar los niveles de velocidad de partícula en los refrigeradores ASSENTO
de la marca HACEB por medio de la sonda Microflown para la identificación de
las principales fuentes de ruido.
Analizar los resultados de las mediciones previas y los métodos de potencia
para proponer de un modelo de vías de transmisión.
22
2. MARCO TEÓRICO
La determinación de los niveles de potencia acústica y velocidad de partícula de
una serie de electrodomésticos dedicados a la refrigeración hace parte de los
alcances de este trabajo. En la presente sección se expone la teoría relevante
relacionada con potencia, intensidad acústica y velocidad de partícula así como
algunos métodos empleados para su medición.
2.1 INTENSIDAD Y POTENCIA ACÚSTICA
La intensidad (𝐼) de una onda de sonido es el promedio temporal de la razón a la
que se transmite energía a través de la unidad de área normal a la dirección de
propagación, y está definida como el valor promediado en el tiempo de la
intensidad instantánea 𝐼(𝑡),
𝐼(𝑡) = 𝑝(𝑡)�⃗⃗�(𝑡) (1)
𝐼 =1
𝑇∫ 𝐼(𝑡)𝑑𝑡
𝑇
0=
1
𝑇∫ 𝑝(𝑡)�⃗⃗�(𝑡) 𝑑𝑡
𝑇
0 (2)
donde 𝑇 es el período de una onda de una frecuencia única o la duración de un
evento impulsivo o una variable que tiende a infinito en el caso de ondas no
periódicas como el ruido, 𝑝(𝑡) es la presión sonora instantánea y �⃗⃗�(𝑡) la velocidad
de partícula instantánea del fluido. La intensidad se expresa en Watts por metro
cuadrado (𝑊/𝑚2). (Kinsler, Frey, Coopens, & Sanders, 2000), (Fahy, 1995),
(Blackstock, 2000), (ISO(9614-1), 1993), (ISO(9614-2), 1996)
Para una onda plana armónica que se desplaza en sentido positivo o negativo de
la abscisas, se cumple que
𝐼 = ±𝑃𝑟𝑚𝑠
2
2𝜌0𝑐 (3)
23
donde 𝑃𝑟𝑚𝑠2 es la presión cuadrática media (rms), 𝜌0 es la densidad media en
equilibrio del aire, y 𝑐 la velocidad de propagación del sonido en el aire (Kinsler,
Frey, Coopens, & Sanders, 2000).En general, el símbolo 𝐼 se utiliza para denotar
la magnitud signada de la intensidad 𝐼. El signo es una indicación del sentido
direccional y está determinado por la selección de un marco de referencia o la
dirección positiva del flujo de energía (ISO(9614-2), 1996).
La intensidad acústica también puede entenderse como la potencia sonora
disipada en la unidad de superficie, ya que la potencia sonora 𝑊, se define como
la energía acústica radiada por una fuente en la unidad de tiempo (Blackstock,
2000; Harris, 1995). Su unidad es el Watt y puede expresarse como la integral de
la intensidad sobre una superficie 𝑆:
𝑊 = ∫ 𝐼𝑑𝑆𝑠
(4).
Esta forma de expresar la potencia, según lo refleja el concepto de la integral de
superficie, considera la suma de las contribuciones de intensidad normales a cada
porción de área infinitesimal.
El caso particular de las ondas planas permite expresar una relación más simple
para estas magnitudes:
𝑊 = 𝐼𝑆 (5).
Similarmente, la propagación esférica admite particularizar la ecuación (5),
obteniendo una expresión sencilla que relaciona potencia e intensidad
𝑊 = 4𝜋𝑟2𝐼 (6)
donde 𝑟 es el radio de la superficie esférica que envuelve a la fuente (Blackstock,
2000).
24
Fig. 1. Ilustración del concepto de intensidad y potencia acústica expuesto en la ecuación
(6).Imagen adaptada de (Universidad de Southampton).
La Figura 1 puede ayudar a comprender mejor el concepto expuesto en la
ecuación (6) y en general, el de potencia e intensidad acústica. En ésta Figura se
observa una fuente puntual, que radia sonido en todas direcciones encerrada en
una superficie imaginaria esférica. Si se conoce la potencia de la fuente 𝑊, la
intensidad puede calcularse resolviendo (6) para 𝐼. El efecto de incrementar el
radio de la esfera, y por ende, su superficie total, produce una disminución de la
intensidad acústica. Esto tiene sentido, ya que la potencia de la fuente, la cual es
invariable, debe disiparse en un área mayor. Si se desconoce la potencia pero se
sabe la intensidad disipada en la superficie que rodea la fuente, ésta puede
estimarse según se plantea en la ecuación (4).
2.2 NIVELES SONOROS
Las variables acústicas oscilan típicamente en un amplio rango de valores, de
hasta 12 órdenes de magnitud. Para facilitar su manejo, suele emplearse una
escala logarítmica. La medida logarítmica de las variables acústicas se conoce
como nivel sonoro. Algunos de los niveles sonoros que se trabajan
Superficie esfera imaginaria
Intensidad en la superficie esférica
Fuente de potencia
25
frecuentemente son el nivel de presión sonora (𝐿𝑝), el nivel de intensidad sonora
(𝐿𝐼), el nivel de potencia sonora (𝐿𝑊) y el nivel de velocidad de partícula (𝐿𝑢),
definidos así:
𝐿𝑝 = 20𝐿𝑜𝑔10 (𝑃𝑟𝑚𝑠
𝑃𝑟𝑒𝑓) (7)
𝐿𝐼 = 10𝐿𝑜𝑔10 (𝐼
𝐼𝑟𝑒𝑓) (8)
𝐿𝑊 = 10𝐿𝑜𝑔10 (𝑊
𝑊𝑟𝑒𝑓) (9)
𝐿𝑢 = 20𝐿𝑜𝑔10 (𝑢
𝑢𝑟𝑒𝑓) (10) 1
donde 𝑃𝑟𝑒𝑓 = 20𝜇𝑃𝑎, 𝐼𝑟𝑒𝑓 = 10−12𝑊/𝑚2, 𝑊𝑟𝑒𝑓 = 10
−12𝑊 𝑦 𝑢𝑟𝑒𝑓 = 50𝑛𝑚/𝑠 , son los
valores de referencia de cada nivel sonoro (Kinsler, Frey, Coopens, & Sanders,
2000; Blackstock, 2000; de Bree H. E., Microflown E-book).
2.3 MEDIDAS DE LA INTENSIDAD Y POTENCIA SONORA
Para cuantificar o caracterizar el ruido que emite una fuente es usual medir
cualquiera de las cuatro magnitudes acústicas de la sección anterior: presión,
intensidad, potencia o velocidad de partícula. Sin embargo, la dependencia que la
presión y la intensidad tienen con las variables espaciales limita la información que
brindan por sí solas respecto a los niveles de emisión de la fuente. La potencia
1 Siempre que se haga referencia a un logaritmo en base diez, se empleará en este escrito la notación 𝐿𝑜𝑔10
26
acústica, por el contrario, es una cantidad escalar independiente de la distancia,
que representa la energía que la fuente en cuestión radia al medio circundante.
Como no existe un instrumento para cuantificarla directamente, ésta puede
estimarse a partir de instrumentos sensibles a la presión acústica tales como el
sonómetro o las sondas de intensidad tipo p-p (presión-presión). Estos últimos
(Fig. 2(a)) están constituidos por un par de micrófonos de condensador
omnidireccionales, enfrentados cierta distancia (∆𝑟) y funcionan sobre la relación
entre la velocidad de partícula �⃗⃗�(𝑡), y el gradiente de presión, o la razón a la que
cambia la presión instantánea respecto a la distancia, 𝜕𝑝(𝑡)
𝜕𝑟:
�⃗⃗�(𝑡) = −1
𝜌0∫
𝜕𝑝(𝑡)
𝜕𝑟𝑑𝑡 (10)
donde 𝜌0 es la densidad del aire (Harris, 1995). El gradiente de presión puede
aproximarse mediante la diferencia finita, que permite estimar dicho gradiente a
partir de la medida de la presión en dos micrófonos enfrentados separados una
distancia conocida, ∆𝑟:
𝜕𝑝(𝑡)
𝜕𝑟≅
𝑃𝐵−𝑃𝐴
∆𝑟=
∆𝑝
∆𝑟 (11)
donde 𝑃𝐴 y 𝑃𝐵 son las presiones en micrófono A y B respectivamente (Fig. 2(b)). Si
además, la presión instantánea se determina como el promedio de la presión
medida en cada micrófono,
𝑝(𝑡) =(𝑃𝐵+𝑃𝐴)
2 (12)
la expresión (2) para la intensidad puede resolverse en términos de la presión en
cada micrófono y la distancia conocida entre ellos, una vez se sustituyan los
valores de �⃗⃗�(𝑡) y 𝑝(𝑡) dados en las ecuaciones (10) y (12):
𝐼 =1
𝑇∫ 𝑝(𝑡)�⃗⃗�(𝑡) 𝑑𝑡
𝑇
0= −
1
2𝑇∫ [(𝑃𝐵 + 𝑃𝐴) (
1
𝜌∆𝑟) ∫(𝑃𝐵 − 𝑃𝐴)𝑑𝑡] 𝑑𝑡
𝑇
0 (13).
27
Esta equivalencia para la intensidad que usan las sondas de tipo p-p, hacen de
este instrumento uno de los más utilizados en la estimación de los niveles de
intensidad de una fuente de ruido, como un paso previo para determinar la
potencia total radiada (Harris, 1995). Sin embargo, presentan el inconveniente de
la aproximación por diferencia finita y fuentes de error debido a la difracción y
difusión por el carácter masivo de los micrófonos (generalmente de media pulgada
de diámetro), posibles pérdidas de fase entre los micrófonos y valores elevados
del índice presión – intensidad, además de limitaciones en el rango de frecuencia
para el que se obtienen resultados precisos. (de Bree H. E., Microflown E-book;
Jacobsen & de Bree, Intensity-based sound power determination under adverse
sound fiels conditions: p-p probes versus p-u probes, 2005; Jacobsen & de Bree, A
comparison of p-p and p-u sound intensity measurement systems, 2004; Jacobsen
& de Bree, A comparison of two different sound intensity measurement principles,
2005).
Otro tipo de sondas empleadas en la medición de la intensidad acústica son las de
presión-velocidad de partícula o tipo p-u. Algunas de estas utilizan sensores
ultrasónicos y el principio del efecto Doppler para medir directamente la velocidad
de partícula en el medio de transmisión, según se explica en Fahy (Sound
Intensity, 1995) y Harris (Manual de medidas acústicas y control de ruido, 1995).
Básicamente, estos dispositivos (Figs. 2 (c) y 2(d)) basados en ultrasonido y efecto
Doppler, comprenden dos rayos paralelos ultrasónicos que son disparados en
sentido contrario a un par de receptores. El tiempo que toma el viaje del emisor al
receptor es lineal y proporcional a la velocidad de propagación del sonido. Cuando
el aire se mueve, debido al viaje de una perturbación acústica (velocidad de
partícula), este movimiento debe añadirse a la velocidad de propagación. La
diferencia de señal de las ondas ultrasónicas es proporcional a la velocidad de
partícula. La necesidad de tener dos rayos ultrasónicos radica en evitar las
cambios de temperatura debidos a las variaciones de presión en el campo sonoro
28
(que incrementan la sensibilidad de la presión) y en poder identificar la dirección
de esta cantidad vectorial (Harris, 1995; de Bree H. E., Microflown E-book).
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 2. Sondas p-p y p-u ultrasónica. (a) Aspecto de la sonda p-p. (b) Detalle de los micrófonos
enfrentados separados una distancia ∆𝑟. (c) Esquema ilustrativo sonda ultrasónica tipo p-u. La
velocidad de los rayos ultrasónicos en el aire 𝑐, se ve aumentada (𝑐 + 𝑢) o disminuida (𝑐 − 𝑢) por la
velocidad de las partículas. La señal diferencial de los receptores es proporcional a la velocidad de
partícula. (d) Aspecto de la sonda ultrasónica tipo p-u. Imágenes tomadas de Harris y de Bree (de
Bree H. E., Microflown E-book; Harris, 1995; Direct Industry, 2014).
Mic. A ∆𝑟
Mic. B
29
Las normas del estándar internacional aplicadas para la determinación de los
niveles de potencia acústica y el método no estandarizado de la tecnología
Microflown, el cual se explica más adelante, hacen uso de la teoría descrita
previamente e incluyen ciertas definiciones pertinentes para los propósitos de las
mismas. A continuación se exponen, para el caso de la norma estandarizada, las
definiciones relevantes.
2.3.1 ISO 3744:1994. Determinación de los niveles de potencia acústica de
fuentes de ruido mediante el uso de la presión sonora en un campo
esencialmente libre y sobre uno o más planos reflectantes.
Este estándar especifica un método de medición de la potencia acústica radiada
por una fuente que está en un campo esencialmente libre, cerca de uno o más
planos reflectantes, partiendo de los niveles de presión acústica medidos sobre
una superficie imaginaria que envuelve a la fuente de ruido (ISO(3744), 1994).
Algunos conceptos necesarios para la adecuada interpretación del procedimiento
de medida y estimación de los resultados de potencia contenidos en este trabajo,
se mencionan a continuación. Cada una de estas definiciones se ha extraído del
estándar en cuestión. La notación que se presenta tras cada definición será la
misma que se emplee para la presentación de resultados.
Nivel de presión sonora promediado en el tiempo (𝑳𝒑𝒆𝒒,𝑻): nivel de presión
sonora de un sonido estacionario continuo que, tras una medición en un intervalo
de tiempo 𝑇, tiene la misma presión sonora cuadrática media que el sonido bajo
consideración, el cual varía en el tiempo
𝐿𝑝𝑒𝑞,𝑇 = 10𝐿𝑜𝑔10 (1
𝑇∫ 100,1𝐿𝑝(𝑡)
𝑇
0𝑑𝑡) (𝑑𝐵) (14)
𝐿𝑝𝑒𝑞,𝑇 = 10𝐿𝑜𝑔10 (1
𝑇∫
𝑝2(𝑡)
𝑝02
𝑇
0𝑑𝑡) (𝑑𝐵) (15).
30
Caja de referencia: es una superficie hipotética la cual es el paralelepípedo
rectangular más pequeño que encierra a la fuente y que termina en uno o varios
planos reflectantes.
Dimensión característica de la fuente (𝒅𝟎): es la mitad de la longitud de la
diagonal de la caja comprendida por la caja de referencia y su imagen en un plano
reflectante adjunto (véase la Fig. 3). Para el caso de un plano reflectante, esta
viene dada por la expresión:
𝑑0 = √(𝑙1
2)
2
+ (𝑙2
2)
2
+ 𝑙32 (16).
Para dos planos reflectantes, la dimensión característica de la fuente viene dada
por:
𝑑0 = √(𝑙1
2)
2
+ 𝑙22 + 𝑙3
2 (17).
𝑙1, 𝑙2 𝑦 𝑙3 son las dimensiones (largo, ancho y alto) de la caja de referencia (Fig. 3).
Distancia de medición (𝒅): distancia perpendicular de la caja de referencia a la
superficie de medición.
Superficie de medición: superficie hipotética de área 𝑆 que envuelve a la fuente
y sobre la que se ubican los puntos de medición. La superficie de medición
termina en uno o más planos reflectantes.
31
(a) (b)
Fig.3 Cajas de referencia para uno (a) y dos (b) planos reflectantes. Imágenes tomadas de
(ISO(3744), 1994).
Para el caso de este estándar, la superficie de medición puede tener una
geometría semiesférica o paralelepípeda. La primera de éstas es conveniente
usarla en recintos grandes con bajos niveles de ruido de fondo y absorción
elevada. La segunda se recomienda para espacios más pequeños y bajo
condiciones acústicas desfavorables. Todas las mediciones realizadas en este
proyecto que se rigieron por este estándar se llevaron a cabo empleando
superficies imaginarias en forma de paralelepípedo. La distribución de los puntos
de medición para uno y dos planos reflectantes puede apreciarse en la figura 4.
El área de la superficie de medición paralelepípeda para un plano reflectante,
viene dada por la expresión:
𝑆 = 4(𝑎𝑏 + 𝑏𝑐 + 𝑐𝑎) (18)
mientras que para la superficie de medición paralelepípeda sobre dos planos
reflectantes, el área viene dada por:
𝑆 = 2(2𝑎𝑐 + 2𝑎𝑏 + 𝑏𝑐) (19)
donde
𝑎 = 0.5𝑙1 + 𝑑
32
𝑏 = 0.5𝑙2 + 𝑑
𝑐 = 𝑙3 + 𝑑
donde a su vez 𝑙1, 𝑙2 𝑦 𝑙3 son las dimensiones (largo, ancho y alto) de la caja de
referencia y 𝑑 la distancia de medición.
Nivel de presión sonora de superficie (𝑳′𝒑̅̅ ̅̅ ): es el nivel de presión sonora
promediado sobre la superficie de medición con la fuente en evaluación operando.
𝐿′𝑝̅̅ ̅̅ = 10𝐿𝑜𝑔10 (1
𝑁∑ 100,1𝐿
′𝑝𝑖𝑁
𝑖=1 ) (𝑑𝐵) (20)
donde 𝑁, es el número de puntos de medida sobre la superficie de medición y 𝐿′𝑝𝑖
es el nivel de presión sonora del i-ésimo punto de medida con la fuente en
operación.
Nivel de presión sonora de ruido (𝑳′′𝒑̅̅ ̅̅ ̅): es el nivel de presión sonora del ruido
de fondo del lugar de medición promediado sobre la superficie de medición.
𝐿′′𝑝̅̅ ̅̅ ̅ = 10𝐿𝑜𝑔10 (1
𝑁∑ 100,1𝐿
′′𝑝𝑖𝑁
𝑖=1 ) (𝑑𝐵) (21)
donde 𝑁, es el número de puntos de medida sobre la superficie de medición y 𝐿′′𝑝𝑖
es el nivel de presión sonora del ruido de fondo en la i-ésima posición de
micrófono.
Corrección por ruido de fondo (𝑲𝟏): es un término de corrección para tener en
cuenta la influencia del ruido de fondo en el nivel de presión sonora sobre la
superficie. Dicha corrección depende de la frecuencia y viene dada por la siguiente
ecuación:
𝐾1 = −10𝐿𝑜𝑔10(1 − 10−0,1∆𝐿) (𝑑𝐵) (22)
donde
∆𝐿 = 𝐿′𝑝̅̅ ̅̅ − 𝐿′′𝑝̅̅ ̅̅ ̅ (23)
33
Para los casos en que ∆𝐿 > 15dB la corrección no aplica. Para los valores de ∆𝐿
comprendidos entre 6dB y 15dB la corrección debe aplicarse según la ecuación
(22). Si llegase a presentarse una situación en la cual la diferencia del nivel de
presión de superficie no supera en al menos 6dB el ruido de fondo, el grado de
precisión de los resultados no es el garantizado por el estándar. El máximo valor
para la corrección de ruido de fondo aplicable según esta norma es de 1,3dB.
Corrección ambiental (𝑲𝟐): es un término de corrección para tener en cuenta la
influencia del sonido reflejado o absorbido sobre el nivel de presión sonora de
superficie. Existen varias formas de determinar el valor de esta corrección, los
cuales pueden verse en detalle en el Anexo A del estándar ISO 3744:1994
(ISO(3744), 1994). La expresión para los métodos basados en la absorción del
cuarto depende del área de la superficie de medición 𝑆, y el área de absorción
equivalente del recinto 𝐴
𝐾2 = 10𝐿𝑜𝑔10 (1 + 4 (𝑆
𝐴)) (𝑑𝐵) (24).
Esta corrección puede omitirse cuando la norma se aplica en ambientes semi-
anecoicos o en exteriores, con la fuente sobre un plano reflectante liso, sin
presencia de objetos reflectantes a una distancia de al menos tres veces la
distancia más grande del centro de la fuente al punto de medición más bajo. En
cuartos ordinarios, el ambiente de medición debe proveer un campo libre
aproximadamente sobre uno o más planos reflectantes. El máximo valor de la
corrección ambiental que garantiza el grado de precisión del estándar en cuestión
es de 2dB.
Nivel de presión sonora de superficie corregido (𝑳𝒑𝒇̅̅ ̅̅̅): determina el nivel de
presión sonora de la superficie de medición aplicando la corrección ambiental y de
ruido de fondo por medio de la expresión
𝐿𝑝𝑓̅̅ ̅̅̅ = 𝐿′𝑝̅̅ ̅̅ − 𝐾1 − 𝐾2 (25).
34
(a)
(b)
Fig. 4. Distribución de los puntos de medición para las superficies imaginarias paralelepípedas.
(a) Un plano reflectante (b). Dos planos reflectantes .Imágenes tomadas de (ISO(3744), 1994).
35
Nivel de potencia acústica (𝑳𝑾): bajo el modelo propuesto por este estándar,
basado en los niveles de presión, el nivel de potencia sonora se calcula
sumándole al nivel de presión sonora de superficie corregido, diez veces el
logaritmo en base diez del área de la superficie de medición empleada:
𝐿𝑊 = 𝐿𝑝𝑓̅̅ ̅̅̅ + 10𝐿𝑜𝑔10 (𝑆
𝑆0) (𝑑𝐵) (26)
donde 𝑆 es el área de la superficie de medición y 𝑆0 = 1𝑚2 es el área de
referencia.
2.3.2 Método de medición tecnología Microflown.
La tecnología Microflown implementa una sonda tipo p-u, la cual dispone, en un
mismo sensor, un pequeño micrófono de presión y un arreglo micrométrico de un
par de alambres de platino dispuestos de forma paralela que se calientan a 200ºC
aproximadamente (Fig. 5). El movimiento de las partículas del medio (velocidad de
partícula) incidiendo perpendicularmente al sensor, cambia la distribución de la
temperatura entre los alambres, pues uno de ellos se enfría más que el otro,
estableciendo así un gradiente de temperatura (Fig. 6). Este efecto varía la
resistividad eléctrica de los alambres dentro de un circuito electrónico adjunto, lo
que resulta en una variación de voltaje análoga a la velocidad de las partículas
(Raangs R., 2005; de Bree H. E., Microflown E-book). La facultad de este
dispositivo para medir simultáneamente la presión y la velocidad de partícula
posibilita medir directamente la intensidad acústica disipada por una fuente de
sonido a través de cierta superficie.
La direccionalidad del sensor coincide con la de un patrón polar de figura de ocho
debido al arreglo paralelo de los alambres de platino (Fig. 7(a)). Esto tiene
repercusiones en cuanto a su rendimiento como sensor de la variable acústica de
la velocidad de partícula, ya que no se verá mayormente afectado por las
36
contribuciones del ruido de fondo. Adicionalmente, la reflexión de una onda de
sonido sobre una superficie rígida, si bien aumenta el nivel de presión, disminuye
considerablemente el valor de la velocidad de partícula, lo que en conjunto con la
direccionalidad del dispositivo, aporta a que los efectos de fuentes ajenas no
afecten los resultados de una medición de esta variable para un emisor de interés.
(a) (b)
Fig. 5. Sensor p-u Microflown. (a) Sonda Microflown. (b) Arreglo micrométrico de los
alambres de platino (Derecha). Imágenes tomadas de de Bree (de Bree H. E., Microflown
E-book).
Fig. 6. Gradiente de temperatura entre los alambres de platino. El movimiento de las partículas
genera una gradiente de temperatura (∆𝑇) que transduce directamente la señal de velocidad de
partícula del campo. Imagen tomada de de Bree (de Bree H. E., Microflown E-book).
37
(a)
(b)
Fig. 7. (a)Patrón polar sensor velocidad de partícula Microflown (b) Error en las mediciones de
intensidad como función del desfase entre las variables de presión y velocidad de partícula Imagen
tomada de (Microflown, 2012)
Estas características y la capacidad de este instrumento para transducir
directamente la velocidad de partícula lo convierten en una herramienta de no
contacto para cuantificar vibraciones y localizar mecanismos generadores de ruido
38
más efectiva y accesible que los tradicionales acelerómetros y complejos sistemas
láseres. Las mediciones de velocidad de partícula en las cercanías de la superficie
de una fuente arrojan resultados para esta magnitud que coinciden con la
velocidad normal de superficie o velocidad estructural (de Bree H. E., Microflown
E-book; de Bree & Druyvesteyn, A particle velocity sensor to measure the sound
from a structure in the presence of background noise, 2005; Fernández
Comesaña, Steltenpool, Carrillo Pousa, de Bree, & R. Holland, 2013). Dicho de
otro modo, la velocidad a la que oscilan las partículas del aire que circunda las
cercanías de una fuente radiando sonido, coincide con la velocidad a la que vibran
las superficies de la misma. El procesamiento de señal en la plataforma de
software Scan&Paint, permite una visualización del campo de velocidad de
partícula sobre las superficies de las fuente, localizando de forma visual y también
auditiva las zonas vibrantes y fuentes de ruido.
Si bien este método no utiliza aproximaciones para medir la velocidad de partícula
ni presenta perturbaciones al campo por su tamaño, las medidas de intensidad
pueden verse afectadas por el carácter reactivo del campo acústico, en el cual la
presión y la velocidad de partícula se encuentran fuera de fase (de Bree H. E.,
Microflown E-book). El proceso de calibración con el que se pone a punto de
medida este instrumento, conocido como pistón en esfera, arroja errores en las
mediciones de intensidad (y por ende de potencia) en función del desfase entre las
variables, según puede verse en la segunda curva de la figura 7(b). Aunque se
muestran otros métodos de calibración en esta figura, las sondas comercializadas
se calibran con el método mencionado, pistón en esfera (Microflown, 2012). El
error en dB para los niveles de intensidad está por debajo de 1dB incluso para
desfases mayores a 80 grados. Para evitar este efecto de reactividad, es
necesario que las mediciones de intensidad se hagan a una distancia mayor
desde la fuente (de Bree H. E., Microflown E-book).
39
2.3.2.1 Software Scan&Paint.
La tecnología Microflown ha desarrollado para las aplicaciones de localización de
fuentes en campo cercano y medición de vibraciones el programa llamado
Scan&Paint, como un medio para la visualización del campo sonoro a través
holografías (Fernández Comesaña, Steltenpool, Carrillo Pousa, de Bree, & R.
Holland, 2013; de Bree H.-E. , Svetovoy, Raangs, & Visser, 2004; de Bree,
Svetovoy, & Visser, The very Near Field II. An introduction to very near fiels
Holography, 2004). A groso modo, esta herramienta que complementa el método
de medición que provee esta tecnología, involucra tres etapas o pasos, a saber:
captura en video del escaneo, post procesamiento de señal y análisis.
En la primera de estas fases se registra en video el escaneo realizado con la
sonda sobre las superficies de la fuente mientras se almacenan en un sistema
digital las señales de presión y velocidad de partícula. En el post procesamiento,
se ubica las posiciones del sensor en cada cuadro de video mediante el rastreo de
un color determinado por el usuario. Gracias a esto, el espacio se discretiza por
medio de una rejilla de celdas sobre el área del escaneo, lo cual permite hacer una
conexión entre los datos adquiridos por el sensor y cada celda de la rejilla,
otorgando un segmento de la señal a cada posición espacial (Fernández
Comesaña, Steltenpool, Carrillo Pousa, de Bree, & R. Holland, 2013). La figura 8
ayuda a ilustrar este proceso.
En la etapa de análisis, el software aplica procesos de interpolación para estimar
el valor de las variables acústicas (presión, velocidad de partícula, intensidad,
potencia, reactividad, coherencia) para todo los puntos de la superficie escaneada.
Luego, es posible visualizar el campo sonoro en función de cualquiera de las
variables descritas en una escala de colores translúcida que deja identificar dónde
se localizan las superficies vibrantes y las fuentes de ruido.
40
Fig. 8. Ilustración del proceso de discretización espacial. Imagen tomada de Fernández et al
(Fernández Comesaña, Steltenpool, Carrillo Pousa, de Bree, & R. Holland, 2013).
41
3. ESTADO DEL ARTE
El primer capítulo del libro Intensidad Sonora escrito por Frank Fahy, contiene al
inicio, un recuento general acerca de los diversos mecanismos empleados para
estimar la intensidad acústica desde el siglo XIX. A pesar de que la investigación
en este campo comenzó desde hace tanto tiempo, los registros disponibles que
cuentan los intentos para determinar el flujo de energía sonora, se remontan tan
sólo 80 años atrás.
Las primeras técnicas referidas por el autor describen el disco de Rayleigh, el cual
era un arreglo eléctrico sensible a la velocidad de las partículas, el sistema de
respuesta al flujo de energía de ondas de sonido que Harry Olson consiguió en
1931 y los problemas en cuanto a la inestabilidad e influencia excesiva a factores
como la temperatura, la humedad y el viento que presentaron los experimentos
que se llevaron a cabo en las dos décadas siguientes.
Baker, tras algunos adelantos teóricos de Enns, Firestone y Clapp y algunas
implementaciones prácticas de Bolt y Petrauskas, reportó sus adelantos en
medición de intensidad basado en anemómetros de alambres a altas temperaturas
y combinaciones de micrófonos de presión en 1955. Al año siguiente, prosigue la
exposición de Fahy, Schultz implementó un arreglo de dos transductores de
presión enfrentados a una cierta distancia para obtener la señal de velocidad de
partícula y a partir de allí la intensidad acústica, principio que es utilizado
ampliamente en la actualidad.
La década de los 70’s estuvo acompañada de avances significativos, entre ellos,
la aplicación de las medidas de intensidad para determinar la potencia acústica a
cargo de Anderson y Burguer, la incorporación del procesamiento digital de
señales a los recursos disponibles para medir la intensidad acústica mediante
análisis de Fourier, además de aportes significativos hechos por Fahy a este
campo. Durante esta década, las técnicas que involucraban sensores de velocidad
42
de partícula fueron descartadas, prefiriéndose la combinación de dos micrófonos
de presión idénticos.
Nuevas tecnologías basadas en el efecto Doppler y el ultra sonido (perturbaciones
acústicas con frecuencias superiores a las que puede percibir el sistema auditivo
humano, típicamente mayores a 20kHz) se emplean en la actualidad para
determinar la velocidad de las partículas de forma directa. Un gran aporte al
ejercicio de la medición de intensidad acústica se debe a los fabricantes de
equipamiento de medición, quienes han desarrollado aparatos y sistemas de
medición más precisos (Fahy, 1995) y a la creación de estándares internacionales
para la estimación de éstas variables sonoras, los cuales datan de mediados de la
década de los noventa (ISO(9614-1), 1993).
Para mediados de la década de los noventa del siglo pasado, ya se consolidaban
algunos métodos para la determinación de potencia a través de las sondas de
intensidad tipo p-p. Astrub (1997) resalta algunas de las bondades de los ya
disponibles y estandarizados métodos (aplicaciones in situ y en presencia de
múltiples fuentes funcionando de forma simultánea) mediante ejemplos en la
cuantificación de mecanismos generadores de ruido en moto sierras y locomotoras
diésel.
En los últimos años del siglo pasado y en los inicios de éste, se produjeron
amplios avances en las técnicas de medición de las variables acústicas y
desarrollos tecnológicos importantes, los cuales permiten obtener resultados cada
vez más confiables y precisos. Varios estudios recientes se han dedicado a
analizar las diferencias entre las técnicas de medición basadas en sensores de
intensidad tipo p-p (presión – presión) con los de tipo p-u (presión-velocidad de
partícula) (Jacobsen & de Bree, A comparison of p-p and p-u sound intensity
measurement systems, 2004), y su rendimiento bajo condiciones de campo sonoro
adversas (Jacobsen & de Bree, Intensity-based sound power determination under
adverse sound fiels conditions: p-p probes versus p-u probes, 2005). La conclusión
43
de estos estudios permite determinar que los resultados de mediciones de
potencia acústica por medio de la sonda de velocidad de partícula Microflown, son
confiables y bastante similares a los que se obtienen por medio de las sondas de
tipo p-p clase 1, siguiendo un estándar internacional.
A pesar de no estar estandarizados, los métodos para medir intensidad acústica
basados en sondas de tipo p-u, como el Microflown, tienen la ventaja de aportar
información adicional respecto de las superficies vibrantes de la fuente, partiendo
del hecho de que, a una distancia muy cerca de una superficie, la componente
normal de la velocidad de partícula coincide con la velocidad estructural o
velocidad de la superficie (de Bree H.-E. , Svetovoy, Raangs, & Visser, 2004; de
Bree, Svetovoy, & Visser, The very Near Field II. An introduction to very near fiels
Holography, 2004). Esta capacidad adicional que poseen las sondas basadas en
la tecnología Microflown, ha sido ya explotada para determinar los niveles de
intensidad y potencia acústica in situ para fuentes ubicadas en entornos sin
tratamiento acústico y altos niveles de ruido de fondo (Raangs & W.F., 2002). Su
uso como herramienta de diagnóstico y punto base para las medidas de control de
ruido en maquinaria y electrodomésticos puede verse en el trabajo de García,
Grosso y Comesaña (2012). En este artículo se muestran algunos resultados de
velocidad de partícula obtenidos mediante esta tecnología para una limpiadora y
una máquina cortadora de piezas metálicas empleada para la construcción de la
primera, así como un análisis dirigido a señalar la utilidad de la medición directa de
la variable de velocidad para la localización de fuentes de ruido en entornos
acústicos desfavorables y en campos reactivos.
Existe también un precedente que contempla la aplicación del estándar ISO 3744,
para la determinación de los niveles de potencia acústica en electrodomésticos
(Ochoa, 2011).En un entorno absorbente y con la ayuda de un arreglo de
micrófonos y herramientas de procesamiento digital de señales, se obtienen los
valores de potencia por bandas de octava para refrigeradores. Este experimento
se realiza bajo el mismo criterio teórico que se plantea en este trabajo para la
44
determinación de los niveles de potencia acústica de los refrigeradores HACEB.
La única diferencia sustancial radica en que el procedimiento descrito por Ochoa
(2011), se hace mediante un arreglo de varios micrófonos, lo que le permite en
una sola iteración, obtener los niveles de presión para todos los puntos, ya que
cuenta con un micrófono para cada uno. Para el caso de estudio descrito en este
informe, sólo se cuenta con un micrófono, por lo que deben tomarse tantas
medidas como puntos de medición estén involucrados.
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4. METODOLOGÍA
En esta sección se exponen los criterios metodológicos y de procedimiento
empleados para la obtención de datos y medidas de las variables acústicas
relevantes para este estudio. En una primera sección, se describen las
generalidades de los procesos de medición, las características de los lugares
donde se llevaron a cabo y la configuración de los refrigeradores durante la
captura de datos. Posteriormente, se analiza en detalle cada uno de los métodos
de medición que se aplicaron sobre los refrigeradores, las mediciones adicionales
que se llevaron a cabo sobre fuentes controladas y de ruido de fondo en la planta
de producción.
4.1 GENERALIDADES
4.1.1 Descripción de los refrigeradores y modo de operación
Como ya se ha mencionado en secciones anteriores, hace parte del fin de este
proyecto la cuantificación del ruido emitido por los refrigeradores de la línea
ASSENTO, manufacturados por la compañía HACEB. La muestra de la línea
estudiada consta de tres refrigeradores que difieren entre sí, esencialmente, por
su volumen o capacidad interior. La más pequeña de las neveras tiene un volumen
de 220 litros (0.22 metros cúbicos); las otras dos tienen una capacidad de 300
litros (0.3 metros cúbicos) y 420 litros (0.420 metros cúbicos) (Fig. 9). Para facilitar
la notación con que se hará referencia a cada electrodoméstico de aquí en
adelante, se emplearán las abreviaciones AS220L, AS300L y AS420L para hacer
mención a cada ejemplar de 220, 300 y 420 litros respectivamente. En el Anexo D
puede encontrarse información detallada y las especificaciones técnicas de cada
refrigerador.
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El aspecto exterior de las neveras es prácticamente el mismo, según puede verse
en la figura 9. Sólo la distribución del espacio interior y su configuración
electrónica, además de su capacidad, los hacen diferentes.
Fig. 9 Refrigeradores de la línea ASSENTO estudiados. De izquierda a derecha, 220 litros, 300
litros y 420 litros. Imágenes tomadas de (HACEB, Refrigeración).
El fabricante identifica una serie de piezas al interior y al exterior de los
refrigeradores en cuestión en el manual de usuario (HACEB, Manual de Usuario
Refrigerador sin Escarcha Referencias N220L, N244L, N268L, N300L, N370L y
N420L), que facilitan su instalación y la puesta en funcionamiento. Para hacer
referencia con propiedad a las piezas de los refrigeradores en las secciones
posteriores y tener una mejor comprensión de su estructura y componentes
exteriores principalmente, las figuras 10 y 11 indican su ubicación y el nombre que
recibe cada uno. Estas imágenes, suministradas por el fabricante, pueden diferir
del producto original y su único objetivo es ayudar a la comprensión de la
información escrita en el manual de usuario (HACEB, Manual de Usuario
Refrigerador sin Escarcha Referencias N220L, N244L, N268L, N300L, N370L y
N420L), y a posteriores referencias a partes o componentes específicas de los
electrodomésticos.
47
Fig. 10. Distribución de componentes
externos de los refrigeradores ASSENTO.
Sección frontal.
Fig. 11. Distribución de componentes
externos de los refrigeradores ASSENTO.
Sección posterior.
1.Tapa bisagra 2. Puerta congelador 3. Manija superior 4. Manija inferior 5. Dispensador
6. Puerta conservador 7. Gabinete metálico 8. Espaldar 9. Condensador 10. Sifón
11. Intercambiador 12. Cable de alimentación eléctrica 13. Comprensor 14. Bandeja recolectora
15. Filtro secador 16. Temporizador. Imagen adaptada de (HACEB, Manual de Usuario
Refrigerador sin Escarcha Referencias N220L, N244L, N268L, N300L, N370L y N420L).
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En cuanto a la operación de las neveras de 220 y 300 litros, la graduación del
termostato puede configurarse de forma continua entre un valor mínimo y máximo,
de acuerdo a las exigencias de temperatura requeridas por el usuario (Fig. 12). La
posición máxima genera una temperatura más baja al interior del refrigerador
mientras que la posición mínima produce menos frío.
(a) (b)
Fig. 12. Termostato de las neveras de 220 y 300 litros. (a) Posición mínima (b) Posición máxima.
Imagen tomada de (HACEB, Manual de Usuario Refrigerador sin Escarcha Referencias N220L,
N244L, N268L, N300L, N370L y N420L).
Adicionalmente, estos ejemplares (AS220L y AS300L) contienen un control de
flujo en el congelador. Este consta de tres posiciones discretas: “más”, “medio” y
“menos”. En la posición “más”, hay más flujo de aire y por tanto una temperatura
menor. En la posición “menos” hay menos flujo de aire en el congelador y una
temperatura mayor. En la posición intermedia (mitad de recorrido) hay un flujo de
aire intermedio y también una temperatura media.
El refrigerador de 420 litros tiene una tarjeta electrónica para el control de la
temperatura (Fig. 13). El nivel de la temperatura dependerá del clima de la región
donde funcione el electrodoméstico así como de las exigencias del usuario. El
control electrónico tiene cinco posiciones que se identifican con bombillos LED en
49
la parte superior del congelador. Entre mayor sea la posición del indicador, menor
es la temperatura del refrigerador.
Fig. 13. Control electrónico de temperatura para el refrigerador de 420 litros. Imagen tomada de
(HACEB, Manual de Usuario Refrigerador sin Escarcha Referencias N220L, N244L, N268L, N300L,
N370L y N420L).
Durante todas las mediciones los refrigeradores se configuraron para que
operaran a carga máxima. Las perillas de control de flujo se encontraban al
máximo y los controles de temperatura en la posición de mayor exigencia, es
decir, en la configuración de más frío para las neveras AS220L y AS300L. Para el
ejemplar de 420 litros el indicador electrónico se dispuso en la posición 5.
Adicionalmente, tras la puesta en marcha del refrigerador, se esperó
aproximadamente 15 minutos para comenzar la captura de datos. Esto con el fin
de garantizar que las mediciones se realizan en el estado estacionario de emisión
de ruido, tras haber superado la etapa de autodiagnóstico para la que están
programados algunos de los refrigeradores.
A continuación se describen los lugares en los cuales se realizaron la toma de
datos para el estándar ISO 3744, la tecnología Microflown y las mediciones de
control con fines comparativos.
4.1.2 Descripción de los entornos de medición
Para las mediciones de velocidad de partícula mediante la sonda Microflown y de
potencia mediante el estándar ISO 3744 las fuentes en evaluación se ubicaron en
50
el Estudio B, el cual se encuentra en el sótano 1 del edificio de ingenierías en la
Universidad de San Buenaventura, Medellín. Las mediciones adicionales se
realizaron en el estudio A, también ubicado en el sótano 1 del edificio de
ingenierías.
4.1.2.1Estudio A.
El cuarto de grabación del estudio A se utilizó para llevar a cabo mediciones
adicionales con una fuente controlada, cuya metodología se explicará en
secciones posteriores. Este recinto cuenta con un volumen aproximado de 77,6
metros cúbicos y coberturas difusivas y reflectantes. El piso tiene cobertura de
madera así como varias de las paredes. El techo presenta un arreglo de difusores
pequeños intercalados con cuadros de material absorbente. Algunos difusores se
encuentran también en las paredes del cuarto (Fig. 14). Su geometría es
aproximadamente rectangular, según puede verse en la figura 15, donde también
se muestran los paneles utilizados durante las mediciones y la posición relativa de
la fuente empleada.
(a) (b)
Fig. 14. Estudio A. Coberturas de las superficies internas y aspecto del lugar. (a) Coberturas de
paredes y piso. (b) Aspecto del techo, paneles absorbentes y difusores
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Fig. 15. Vista en planta del estudio A, localización de paneles y de la fuente para la toma de datos.
Esquema realizado con SketchUp (Google).
4.1.2.2 Estudio B.
Las mediciones de potencia bajo el estándar ISO 3744 y de velocidad de partícula
con la sonda Microflown sobre los refrigeradores se llevaron a cabo propiamente
en la cámara difusa del estudio B. Este cuarto tiene un volumen aproximado de
71,4 metros cúbicos y cuenta con coberturas de diversas características. La
mayoría de las superficies internas del recinto están recubiertas con difusores,
localizados en las paredes y el techo. El piso está construido en madera. El resto
de las superficies del lugar son absorbentes a excepción de las ventanas que
permiten visibilidad con la sala de control y la otra parte del cuarto de grabación
(Fig. 16). El criterio de construcción y las coberturas de las superficies del recinto
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permiten un buen nivel de aislamiento tanto aéreo como estructural y por ende
bajos niveles de ruido de fondo.
(a) (b)
(c) (d)
Fig. 16. Estudio B. Coberturas de las superficies internas y aspecto del lugar. (a) Techo (b) difusor
derecho unidimensional (c), (d) difusores bidimensionales.
La figura 17 muestra una vista en planta de la cámara difusa del estudio B y las
posiciones en la que se ubicaron los refrigeradores para la toma de datos. En esta
imagen se puede ver el diseño geométrico del estudio que evita paredes paralelas
con el fin de contrarrestar la aparición de modos normales.
Durante las mediciones, además de mantener las puertas cerradas, se dispusieron
en el cuarto cinco paneles absorbentes, cuya localización dentro del mismo puede
observarse en la figura 17.
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Fig. 17. Vista en planta del estudio B, lo