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Definición de acústica

La acústica se define, de forma general, como la disciplina científica del sonido, de su generación, propagación y percepción, así como de sus efectos. Entre las aplicaciones de la acústica se encuentra, entre otras, el análisis y la reducción del ruido.

Una condición básica para la propagación del sonido es la presencia de materia, es decir, de un medio portador gaseoso, líquido o sólido para las ondas sonoras. Las características de este medio portador influyen de manera decisiva en la velocidad a la que se propaga el sonido, denominada velocidad del sonido.

Cuando el sonido se genera aerodinámicamente, es decir, mediante el movimiento de moléculas de aire, se habla de aeroacústica.

  Lo sabías: ¿Cuál es la velocidad del sonido?

 

Fundamentos de la aeroacústica

El ruido no solo resulta desagradable en su percepción, sino que, en casos extremos, también puede tener efectos muy perjudiciales para la salud. La presión sonora, la potencia sonora y la frecuencia son tres magnitudes físicas mediante las cuales puede cuantificarse el nivel de ruido.

Presión sonora

La presión sonora describe las fluctuaciones de presión provocadas por las ondas sonoras en un medio sólido, líquido o gaseoso. La presión sonora se mide en pascales (Pa) como una fuerza que actúa perpendicularmente sobre una superficie. El nivel de presión sonora se ve influido por la distancia entre la fuente sonora y el receptor, así como por posibles obstáculos, por ejemplo, en una estancia, por lo que constituye una magnitud dependiente de la ubicación.

El umbral auditivo humano se sitúa aproximadamente en 0,00002 Pa, mientras que el umbral del dolor, según la sensibilidad personal al ruido, se sitúa en torno a 20 Pa. Para simplificar este amplio rango, el nivel de presión sonora se expresa en una escala logarítmica y se cuantifica en decibelios (dB).

Potencia sonora

La potencia sonora (= intensidad de la fuente) describe la energía emitida por una fuente sonora por unidad de tiempo y, por tanto, constituye una magnitud independiente de la ubicación. Así, la presión sonora constituye la base de cálculo de la potencia sonora y permite realizar una comparación objetiva entre distintas fuentes sonoras, independientemente de las condiciones ambientales. La potencia sonora se calcula mediante la integración de la presión sonora y se expresa en vatios (W).

De forma similar al nivel de presión sonora p, el nivel de potencia sonora p también se expresa en una escala logarítmica y se indica en decibelios (dB).

Fórmula de la presión sonora
Fórmula de la potencia sonora

Frecuencia

La frecuencia es una medida del número de procesos periódicos —por ejemplo, oscilaciones de las ondas sonoras— que se repiten en una determinada unidad de tiempo.
En acústica, la frecuencia indica la frecuencia con la que se produce una oscilación sonora, es decir, cuántas vibraciones completas tienen lugar en un segundo. La frecuencia se mide en hercios (Hz), donde 1 hercio equivale a una vibración por segundo.
El rango de frecuencias audible para el ser humano se sitúa entre 16 y 20.000 Hz (20 kHz).

Debido a que la percepción auditiva humana interpreta como sonidos de diferente intensidad tonos con la misma presión sonora, pero con frecuencias distintas, se evalúa el espectro de frecuencias de una fuente sonora.
Esta evaluación se realiza mediante tres filtros diferentes, definidos desde A —por debajo de 55 dB— hasta C —por encima de 85 dB—. El nivel de potencia sonora, teniendo en cuenta el filtro A, se utiliza con frecuencia en relación con instalaciones de ventilación y climatización, y el valor numérico correspondiente se indica en la unidad dB(A).

En resumen, el sonido es una magnitud de percepción subjetiva, caracterizada por una o varias frecuencias con sus correspondientes amplitudes, y se cuantifica mediante una ponderación adaptada al oído humano.

Procedimientos de medición de la aeroacústica de ventiladores

Además de la potencia de aire y los datos eléctricos, también se comprueba cuidadosamente la acústica de los productos de ventilación, que está sujeta a estándares y normas. Las mediciones suelen realizarse en una cámara de ensayo con baja reflexión, en un conducto de ensayo o mediante una medición en campo libre. El número y la posición de los micrófonos vienen determinados por las normas correspondientes.

El ventilador que se va a comprobar —el objeto de ensayo— puede analizarse en distintos tipos de instalación o en diferentes categorías de medición (véase ISO 13349):

  • Tipo de instalación A: aspiración libre e impulsión libre
  • Tipo de instalación B: aspiración libre e impulsión conducida por conducto
  • Tipo de instalación C: aspiración conducida por conducto e impulsión libre
  • Tipo de instalación D: aspiración conducida por conducto e impulsión conducida por conducto
  • Tipo de instalación E: aspiración libre e impulsión libre sin pared divisoria

Innovación probada: el centro de desarrollo InVent de ZIEHL-ABEGG cuenta actualmente con el banco de pruebas combinado más grande y moderno del mundo.

Estándares y normas

Los procedimientos de medición para la evaluación acústica de ventiladores están regulados por la Organización Internacional de Normalización (ISO) mediante determinadas normas y estándares, con el fin de garantizar la comparabilidad y la reproducibilidad:

  • DIN EN ISO 3745 contiene disposiciones para determinar los niveles de potencia sonora y de energía sonora de fuentes de ruido a partir de mediciones de presión sonora.
  • DIN ISO 5801 regula la medición del rendimiento de ventiladores en bancos de ensayo normalizados, por ejemplo, mediante dimensiones geométricas mínimas, caudal volumétrico, presión estática, etc.
  • DIN ISO 13347-3 contiene disposiciones para determinar los niveles de potencia sonora en condiciones de laboratorio normalizadas para ventiladores industriales.
  • AMCA 210 es, junto con la ISO 5801, una norma reconocida a nivel mundial para la construcción de bancos de ensayo de ventiladores, definida por la Air Movement and Control Association International, Inc. (AMCA).

Generación de ruido en el sistema de ventilación

Un sistema de ventilación está formado por diferentes componentes y, por ello, contiene distintas fuentes sonoras que generan diversos tipos de ruido, por ejemplo:

  • Ruidos aerodinámicos: el ventilador acelera el aire y genera así un aumento de presión o un caudal volumétrico, lo que provoca, por ejemplo, turbulencias y remolinos en los bordes de entrada y salida. Debido a los efectos de fricción y a las diferencias de presión en conductos de aire muy ramificados, aristas en los puntos de conexión, filtros, compuertas de regulación, ruidos de flujo en las salidas de aire u otros factores, los ruidos aerodinámicos pueden transmitirse por todo el sistema y constituyen, por tanto, el tipo de ruido dominante en un sistema de ventilación.
  • Ruidos mecánicos: pueden deberse a piezas móviles, como rodamientos, ruidos de funcionamiento del motor eléctrico o vibraciones. En la percepción global, los ruidos mecánicos suelen considerarse de menor relevancia.
  • Ruido estructural: se produce por la transmisión de vibraciones a la estructura del edificio, lo que puede provocar resonancias.
  • Ruidos eléctricos: pueden generarse, por ejemplo, por el sistema de regulación, los componentes electrónicos o los imanes de los motores eléctricos; sin embargo, apenas son perceptibles dentro del desarrollo sonoro global de una instalación de ventilación.
  • Ruidos por salida de aire: pueden producirse, por ejemplo, por piezas de conexión no estancas en el conducto de aire o por daños en las paredes del conducto. Además de los efectos negativos sobre la acústica, también se producen pérdidas en el rendimiento global del sistema de la instalación.
Geräuschentwicklung in einem Lüftungssystem (Beispiele)

El ruido aerodinámico provocado por la turbulencia y los remolinos de aire es el tipo de ruido predominante en un sistema de ventilación.

Los impulsores pueden optimizarse en cuanto a eficiencia y acústica

Los componentes adicionales (por ejemplo, los filtros) pueden obstruirse, por lo que deben revisarse periódicamente.

Las aletas de las entradas y salidas de aire pueden provocar ruido mecánico y/o ruido de flujo.

¿Qué hace que un ventilador sea silencioso?

  • Diseño optimizado de la geometría de las palas o álabes: tiene una influencia considerable en la emisión sonora del rodete. Mediante un diseño específico de las palas o álabes, puede mejorarse el flujo y, con ello, minimizarse la radiación sonora. La Computational Fluid Dynamics (CFD), una simulación numérica de fluidos, permite realizar un análisis detallado y optimizar las propiedades del flujo, lo que permite detectar y eliminar de forma temprana posibles fuentes sonoras críticas.
  • Dimensionamiento o diseño óptimo de la instalación: favorece la acústica. La velocidad periférica del rodete influye en el nivel de potencia sonora durante el funcionamiento. Para generar un caudal volumétrico determinado, un rodete grande funciona de forma más silenciosa que uno más pequeño con una geometría de álabes comparable.
  • Biónica: ofrece enfoques innovadores para optimizar la aerodinámica y la aeroacústica de los ventiladores. Esto puede traducirse en una mejora significativa del rendimiento, así como en una clara reducción de las emisiones sonoras.
  • Componentes adicionales, como por ejemplo rejillas guía de entrada o de salida, enderezan el flujo y reducen así las turbulencias o remolinos que puedan producirse, disminuyendo de forma notable la generación de ruido aerodinámico.

Acústica mejorada en condiciones de instalación con espacio reducido: ZAflow de ZIEHL-ABEGG

Influencia de la situación de instalación

La situación de instalación de un sistema de ventilación influye considerablemente en su eficiencia y en su comportamiento acústico. Algunos ejemplos de factores de influencia importantes son:

  • Space conditions: las situaciones de instalación con espacio reducido o las distancias insuficientes respecto a paredes u otros obstáculos pueden provocar turbulencias no deseadas, reflejar las ondas sonoras y aumentar así el nivel sonoro total de la instalación. Para evitarlo, la instalación debe configurarse, diseñarse y dimensionarse de la forma más óptima posible en función de las condiciones de montaje y de los requisitos de la aplicación.
  • Sistema de conductos: los conductos de aire y las piezas de conexión redondos generan menos turbulencias, pérdidas de presión y, por tanto, un menor desarrollo sonoro que los conductos angulares, aunque no pueden utilizarse en todas las situaciones de instalación. Los cambios de dirección y las ramificaciones del conducto también influyen en el comportamiento del flujo y en la aeroacústica. Otro factor negativo adicional son los depósitos de polvo o la suciedad acumulada en filtros, paredes del conducto u otras superficies del sistema.
  • Componentes adicionales: elementos como filtros obstruidos, silenciadores mal posicionados, juntas o compuertas pueden influir negativamente en el perfil de flujo y, en algunos casos, provocar una mayor demanda de potencia en el ventilador.
  • Acústica de la sala: las superficies duras y reflectantes del sonido dentro de la estancia reflejan las ondas sonoras de la instalación, aumentando así el nivel de presión sonora y la percepción de ruido en el espacio.

Influencia del punto de funcionamiento

El punto de funcionamiento de una instalación de ventilación influye directamente en su generación de ruido. Un diseño técnicamente cualificado y preciso puede reducir de forma notable el nivel sonoro durante el funcionamiento.

  • Caudal volumétrico, presiones y velocidad de flujo: los caudales volumétricos elevados con diámetros de conducto reducidos provocan, de acuerdo con la ecuación de continuidad, velocidades de flujo más altas. Por lo general, las velocidades del aire más elevadas generan una mayor emisión sonora aeroacústica. En determinadas aplicaciones, por ejemplo, en instalaciones industriales de aspiración, se requieren altas velocidades del aire o presiones elevadas para cumplir la función de la instalación o evitar depósitos en el sistema.
  • Velocidad de giro: los rodetes dimensionados demasiado pequeños para la aplicación o no configurados de forma óptima requieren velocidades de giro más altas que los rodetes de mayor tamaño para generar el mismo caudal volumétrico necesario. Este rango de velocidad de giro más elevado puede tener efectos negativos tanto en el rendimiento global del sistema como en su nivel sonoro. Debido a que necesitan una menor velocidad de giro, los rodetes más grandes generan el mismo caudal volumétrico con un nivel de potencia sonora inferior al de los rodetes más pequeños con una geometría de álabes comparable.
  • Tecnología de regulación: cuando el ventilador funciona en combinación con un variador de frecuencia, una configuración incorrecta o una parametrización inadecuada pueden generar ruidos adicionales debido a interferencias electromagnéticas o vibraciones.

Ejemplo: curva característica ZAbluefin RH50I-ZID.GG.CR

Acústica en el lado de aspiración

Acústica en el lado de impulsión

Aislamiento acústico y amortiguación acústica

Además de las medidas constructivas aplicadas directamente en el ventilador —medidas primarias—, según la situación de instalación, los requisitos de la aplicación y la situación de costes, pueden adoptarse otras medidas secundarias, como el aislamiento acústico o la amortiguación acústica, para reducir la contaminación acústica generada por una instalación de ventilación.

Aislamiento acústico

El aislamiento acústico evita o reduce la propagación o transmisión del sonido, por ejemplo, mediante determinados materiales de carcasa, espesores de pared o la instalación de amortiguadores de vibraciones.

Amortiguación acústica

La amortiguación acústica hace referencia a la transformación de la energía de las ondas sonoras, en forma de vibraciones, en otra forma de energía.

Los silenciadores pueden utilizarse en distintos tipos o diseños constructivos. Por ejemplo, los silenciadores de absorción pueden absorber la energía sonora mediante el uso de materiales porosos o fibrosos y transformarla en calor.

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