Efectos del ruido en los sistemas de admsiion y escape

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Instituto Politécnico Nacional 
 
Escuela Superior de Ingenieria Mecanica y 
Electrica 
 
Unidad Profesional Culhuacan 
 
Ingenieria en Sistemas Automotrices 
 
CONTROL DE RUIDO Y VIBRACIONES 
 
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN 
 
Efectos del ruido en los sistemas de 
admision y escape del vehiculo. 
 
GRUPO: 8SV11 
 
Profesor:De la Vega Ibarra Ricardo 
 
Hernández Serna Benjamin 
 
 
 
INTRODUCCION. 
 
El percibir el sonido presupone una cadena sencilla de efectos, una fuente 
sonora genera vibraciones de pequeña amplitud en el aire que la rodea y debido 
a la compresibilidad y a la masa del aire, estas se propagan y llegan al oido del 
auditor. 
 
Fisicamente en este proceso ocurren 
pequeñas variaciones de la presion en 
el aire(u otro gas o fluido). A estas 
pequeñas variaciones de presion se 
les denomina presion sonora, la cual 
va a depender del tiempo y del 
espacio. 
 
La radiacion de la fuente produce un 
campo sonoro con una determinada 
distribucion espacial, al que en cada 
instante de tiempo le corresponde una 
nueva presion instantanea. 
 
En la figura 1 se ve un ejemplo de estas 
variaciones de presion, se describe el 
espectro sonoro de un violin. 
 
 
Esto se menciona ya que hay una diferencia entre el sonido, que percibimos 
todo el tiempo, a el ruido, el ruido se podria definir como un sonido intenso el 
cual es incomodo y molesto al momento de percibirlo. 
 
A partir de la presion podemos definir una propieda conocida como niveles de 
presion que es una medida acustica utilizada para saber la intensidad de un 
sonido, el nivel de presion se puede obtener con la ecuacion 1; 
 
𝐿! = 20𝑙 log"# )
𝑝
𝑝#
+ = 10 log"# )
𝑝
𝑝#
+
$
…(1) 
 
En la tabla 1.1 se observan algunos niveles de presion asociados con su 
respectiva amplitud de presion, en donde vemos como a mayor presion el 
sonido aumenta de intensidad lo que genera que sea dañino para el oido 
humano, permitiendo asi asociar el aumento de presion con el ruido. 
 
 
Ilustración 1Espectro sonoro de un violin 
 
 
RUIDO VARIABLE EN EL TIEMPO 
 
Anteriormente se brindo una posible definicion del sonido y a su vez del ruido, si 
consideramos que los cambios de presion son muy comunes, eso querra decir 
que podemos tener diferentes intensidades en un solo tono, lo que se traduce en 
ruido que va a estar cambiando en el tiempo. 
 
El motor si tiene un numero de revoluciones constantes se puede considerar 
como un ruido estacionario, pero puede haber casos en que el ruido del motor y 
del automovil en general sea variable, en este caso se utiliza el indicador de el 
Nivel de presion sonora continuo equivalente(Nivel equivalente) el cual es un 
promedio temporal de la presion sonora al cuadrado; 
 
𝐿%& = 10 log0
1
𝑇2
𝑝%''$ (𝑡)
𝑝#$
(
#
4 = 	10 log0
1
𝑇210
)(+)
"#
(
#
4𝑑𝑡 … . (2) 
 
𝑃# = 2𝑥10-.𝑃𝑎.								𝐿(𝑡) = 10 log(
𝑝%''(𝑡)
𝑝#
)$ 
 
En esta ecuacion peff(t) representa la variacion temporal del valor efectivo o RMS 
de la presión sonora y L(t) es la variacion temporal del nivel de presion sonora. 
 
El nivel equivalente es solo el medio mas sencillo para caracterizar sonidos 
variables en el tiempo. Es posible obtener informacion estadistica respecto al 
ruido, por ejemplo, mediante los denominados niveles percentiles. 
 
RUIDO EN LOS SISTEMAS DE ADMISION Y ESCAPE 
 
Los orificios en el sistema de admision y escape contribuyen al ruido interior y 
exterior del vehiculo, el ruido de estos sistemas es causado por las variaciones 
de presion debidas al proceso la carga y descarga periodiodica y se propagan al 
final de los ductos del sistema. 
 
La propiedades de propagacion de estos pulsos son influenciadas por las 
dimiensiones y las propiedades de absorcion acustica de los diferentes 
elementos en los sistemas de admision/ escape (mofle, turbocargador, 
catalizador, Intercooler, filtros, etc). 
 
Adicional a este ruido variable, las variaciones en el flujo por los ductos del 
sistema genera ruido de flujo debido al desprendimiento de vortices y turbulencia 
en las discontinuidades geometricas. 
 
A continuacion se veran los fenomenos que causan ruido debido al flujo en 
tuberias y la variacion de presion en dichos flujos; 
 
CAPA LIMITE TURBULENTA 
 
La presion fluctuante de ley 
esta presente en la capa limite 
turbulenta debido al aumento 
de velocidad que puede tener 
un fluido y a la condicion de no 
deslizamiento la cual hara que 
se frene en los ductos. 
 
En la figura 2 se ve un ejemplo 
de la capa limite turbulenta, por 
lo regular el fenomeno de turbulencia se puede encontrar facilmente en el 
sistema de escape, ya que al salir del motor, los gases salen con elevada energia 
lo que permite que viajen a alata velocidad, esto hasta llegar al catalizador. 
 
FLUJO EN CAVIDADES 
 
El flujo en cavidades se presenta en desviaciones o espacios reducidos donde 
puede viajar parte del fluido, generando movimientos bruscos en esas 
cavidades, un ejemplo podria ser las cavidades del multiple de admision para 
llegar a las valvulas, o de igual forma las mangueras que estan en el cuerpo de 
aceleración o en el caso mas extremo, las fugas en los ductos. 
 
Los fluidos, principalmente aire, al atravesar estas cavidades generan silbidos, 
lo cual es una forma de ruido, principalmente por los cambios y caidas de presion 
que se pueden dar al pasar por estos espacios. 
 
La resonancia de Helmholtz se puede encontrar en cualquier lugar donde haya 
un volumen sustancialmente cerrado con una salida excitada por el flujo. La 
frecuencia de resonancia viene dada por; 
 
𝜔/ = <𝛾
𝐴$
𝑚
𝑃#
𝑉#
		)
𝑟𝑎𝑑
𝑠 +… (3) 
 
𝛾 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒	𝑎𝑑𝑖𝑎𝑏𝑎𝑡𝑖𝑐𝑜(1.4	𝑝𝑎𝑟𝑎	𝑒𝑙	𝑎𝑖𝑟𝑒) 
A=seccion de area transversal del cuello 
Ilustración 2 Capa limite turbulenta 
m=masa en la cavidad 
𝑃# = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛	𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎	𝑒𝑛	𝑙𝑎	𝑐𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑.		𝑉# = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛	𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐𝑜	𝑒𝑛	𝑙𝑎	𝑐𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 
 
La frecuencia que agrega el flujo por cavidades al ruido en los sistemas 
admision/escape es de 10-20 Hz, que si bien son frecuencias bajas para el 
umbral auditivo, suman ruido al sistema completo, lo cual puede ser 
problemático. 
 
DESPRENDIMIENTO DE VORTICES 
 
Se produce en objetos largos de sección circular u otro tipo de sección 
transversal constante y regular y provoca ruido y, en algunos casos, vibraciones 
importantes. La frecuencia del desprendimiento de vórtices puede determinarse 
si se conoce el número S de Strouhal para una sección determinada; 
generalmente es de 0,20; para secciones circulares es de 0,21 para el régimen 
de flujo de interés. La ecuación para el número de Strouhal se da a continuación 
y se puede utilizar para calcular la frecuencia f del silbido de viento producido: 
 
𝑆 =
𝑓𝑑
𝑈 …
(4) 
U=velocidad local en el flujo (m/s) 
d=diametro del cilindro o altura del prisma (m) 
f=frecuencia (Hz) 
 
En el caso de los ductos de los sistemas admision/escape, los vortices se pueden 
dar en las secciones de geometria curva de los ductos, es por ello que los 
multiples de admision y escape se deben de optimizar, para que el flujo en ciertas 
zonas sea laminar y en donde se requira, sea turbulento. 
 
RUIDO EN UN TURBOCARGADOR 
 
El turbocargador si bien no esta en todos los vehiculos, ha sido motivo importante 
de estudio ya que si bien es un apoyo para la combustion, tambien presenta 
ciertas desventajas en el area de 
acustica. 
 
Como se sabra, el turbocargador 
es la union de dos dispositivos 
termodinamicos que son el 
compresor y una turbina, esto se 
considera como turbomaquinaria, y 
aunque sea de un tamaño 
relativamente pequeño, es un 
dispositivo que puede generar 
cantidades elevadas de ruido, 
debido a que aumenta la velocidad 
en el flujo de entrada, generando 
turbulencias, asi como por 
esfuerzos en el flujo de escape 
crea vortices, que se considera Ilustración 3 Turbocargador 
turbulencia, es por ello que este dispositivo a sido de gran interes en el estudio 
del ruido que emite, el laboratoio “Marcus Wallenberg”de investigacion de sonido 
y vibracion que forma parte del departamento de ingenieria aeronautica y 
automotriz estudio los diversos efectos de ruido en este dispositivo. 
 
A continuacion se mostraran graficas extraidas del trabajo de investigacion 
citado aquí, donde se muestra el estudio de sonido en el compresor del 
turbocargador a diferentes velocidades; 
 
 
 
 
 
 
Se observa como los niveles de presion tienen picos, esto debido a que el 
compresor es un dispositivo que depende de la energia de los gases de escape, 
por lo que dependera del cambio en los procesos del ciclo de combustion. 
 
Si se estudia el sonido en la parte de la turbina del turbocargador, la investigacion 
arroja las siguientes graficas; 
 
 
 
 
 
 
 
 
Como se puede ver, igual en la turbina del turbocargador vamos a tener grandes 
variaciones en la presion, esa es la cuestion del porque el turbocargador tenga 
su sonido tan caracteristico, debido a estos cambios de presion en todo el 
sistema. 
 
 
 
 
EFECTOS DEL RUIDO EN LOS SISTEMAS DE ADMISION Y ESCAPE 
 
El ruido de admisión y escape debe ocupar un lugar destacado en esta 
investigación ya que ambos pueden ser fuentes importantes de ruido exterior del 
vehículo. En los primeros años de los vehículos el escape fue una de las causas 
más importantes del ruido de este y con el aumento de la popularidad de los 
automóviles de pasajeros tuvo que haber un avance en el control o reduccion de 
ruido del escape acomodando silenciadores en dichos ductos, por lo que los 
niveles de ruido del tubo de escape se redujeron considerablemente. 
 
En los años 80 El sistema de admisión fue la fuente más común del ruido que 
dominaba en los sedanes familiares y operaban continuamente. Recientemente 
conforme sean incluido las tecnologías de plástico ha permitido que los 
diseñadores entran en el campo de investigación de los silenciadores para el 
sistema de admisión a un bajo coste lo que ha generado que los niveles de ruido 
de admisión se hayan reducido a la par que los del sistema de escape 
permitiendo que el ruido del motor se reduzca. 
 
Ruido en la admision 
 
Algo de ruido de admisión es deseable y puede ayudar a crear la impresión de 
una alta velocidad o potencia, pero puede haber ruidos indeseables que 
contribuyen a niveles excesivos del ruido interior y por lo tanto a la incomodidad 
de los pasajeros. 
El ruido de admisión no deseado se puede clasificar en 2 categorías: 
1. Ruido exterior que contribuye al nivel general de Goise 
2. Ruido interior que reduce la comodidad del conductor o de los pasajeros 
o interfiere con la comunicación verbal. 
 
El ruido del escape de igual manera cubre las caracteristicas mencionadas, el 
detalle aca es que actualmente existen silenciadores que permiten la reduccion 
del ruido en el sistema de escape. 
 
De forma muy general la transmision de sonido requiere de energia, la cual al 
final del dia se puede considerar como perdida, y las ondas de sonido que 
interactuan con los materiales de los sistemas son de una cierta frecuencia, la 
cual interactuara en forma de vibraciones con los materiales. 
 
Estas vibraciones pueden representar ciclos de carga que en el tiempo, iran 
desgastando el material, es por ello que el ruido no debe de ser a altas 
frecuencias ni debe de existir resonancia. 
 
CONCLUSIONES 
 
Se observa que el estudio del sonido en general es algo muy extenso y tiene una 
gran aplicación , en este caso se observo la relacion con el ruido que puede 
emitir un vehiculo y el como este puede afectar la comodidad. 
Este tema seguramente dara mas acerca de que buscar, por lo que es importante 
tener en cuenta estos conocimientos basicos y considerarlos al momento de 
diseñar algun sistema que tenga relacion con el control de ruido. 
BIBLIOGRAFIA 
 
Harrison, M. (2004). Vehicle Refinement: Controlling Noise and Vibration in 
Road Vehicles. Elsevier. 
 
Yasser Elnemr(2011) Acoustic Modeling and Testing of Exhaust and 
Intake System Components, KTH Enginering 
Wang, X. (2010). Vehicle Noise and Vibration Refinement. Elsevier. 
 
Möser, M., & Barros, J. L. (2009). Ingeniería Acústica: Teoría y 
Aplicaciones. Springer Science & Business Media.