R. Alfaro. Síntesis Tecnológica. V.2 N° 2 (2005) 85-92
DOI:10.4206/sint.tecnol.2005.v2n2-07

EVALUACIÓN PRÁCTICA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO DE DUCTOS UTILIZADOS PARA LA VENTILACIÓN DE VIVIENDAS

RODRIGO ALFARO GUTIÉRREZ
JORGE SOMMERHOFF HYDE

Universidad Austral de Chile, Ingeniero Acústico, ralfaro@hotmail.com.
Instituto de Acústica UACH, Ingeniero Acústico MBA, Dr. Ingeniería industrial, jsommerh@uach.cl.

Resumen

Esta investigación consiste en una evaluación práctica de un silenciador de “dos vías”, diseñado y construido para los ductos de ventilación utilizados en la construcción de las llamadas viviendas energéticamente eficientes. Esta evaluación se llevó a cabo mediante pruebas de laboratorio, en las cuales se sometieron los silenciadores a niveles de ruido blanco por sobre 95 dB (LIN), simulando su montaje a la de un silenciador empotrado en una pared rígida. De esta forma se adquieren los datos necesarios para la medición de la mejora de su atenuación.

Palabras Claves: energía, ruido, silenciador.

Abstract

This research is a practical evaluation of a “two-way” muffler, designed and built for the acoustical solution of duct ventilation used in energy efficient dwellings. Specifically this evaluation was carried out by lab proves, in which test-mufflers were exposed to white noise levels up to 95 dB(LIN), simulating the muffler mounting condition as placed inside a rigid wall. In this way the required data for measuring the attenuation improvement is obtained.

Key Words: energy, noise, mufller.

1. INTRODUCCIÓN

Los esfuerzos del hombre por ahorrar energía en el uso de las viviendas obligan el uso de aislantes térmicos en las envolturas de las edificaciones y al cerramiento hermético de ventanas y puertas para disminuir la infiltración natural del aire exterior.

Sin embargo, si este encierro no contempla una adecuada ventilación de los recintos interiores de la vivienda, la salud de sus moradores se reciente apareciendo el efecto que se denomina síndrome del edificio enfermo. El síndrome del edificio enfermo (SEE) se trata de un conjunto de síntomas percibidos por los habitantes de un edificio de carácter agudo, cuyas causas no siempre pueden ser identificadas.

Una de las soluciones para resolver este problema consiste proveer una ventilación dosificada, que asegure un suficiente flujo de aire exterior pero que a su vez no merme las cualidades aislantes del diseño. Esto se realiza mediante ductos conectados con el exterior de la vivienda destinados para un sistema de ventilación pasiva o sistema de ventilación activa.

Junto con la creciente necesidad de cambio con respecto a la utilización de la energía, también han crecido los niveles de ruido urbano a los que las viviendas se ven expuestas. Esto hace necesario el diseño de silenciadores acústicos para los ductos de ventilación, que de acuerdo a las normativas Europeas, debe poder limpiarse en su interior.

El diseño de un silenciador sencillo consiste en una cámara de expansión de largo l con un cambio brusco del área de su sección en ambos extremos. Su comportamiento se puede describir conociendo los cambios de sección, el largo l y la longitud de onda del sonido λ en el interior del silenciador [1].

Un silenciador más complejo como el de “dos vías” son diseños prácticos y eficientes, en los cuales su versión comercial se desarrolla generalmente en forma empírica [2].

En este trabajo se han diseñado y medido silenciadores de dos vías destinados para ser colocados en los muros de las viviendas como elementos que permiten el ingreso del aire. Se tomo en consideración para su construcción utilizar elementos que se encuentran fácilmente en el mercado y también un diseño que permite su limpieza.

2. MATERIALES Y METODOLOGIA

Los materiales utilizados fueron los siguientes:

• Tubos de PVC de 50 mm de diámetro
• Tubos de PVC de 110 mm de diámetro
• Tapas de PVC para ambos diámetros
• Lana de fibra sintética
• Sound Analyser Norsonic Nor-110
• Sonómetro Brüel & Kjaer Modelo 2209
• Altavoz Yamaha SM-15 IV Monitorbox
• Amplificador Crest 4801
• CD Player Harman/Kardon HD 7325

En primer lugar se realizó el diseño básico de los silenciadores de “dos vías” [3], sin considerar la posibilidad de limpieza. Tomando en cuenta las dimensiones típicas de un muro se optó por una dimensión de la cámara de 19 cms. Con el fin de detectar el efecto de la longitud de la cámara, se construyó también un silenciador menor con una cámara de solo 11 cms. (Fig.1)

Las proyecciones en la salida de los tubos internos de ambos silenciadores hacia el exterior tuvieron una dimensión de 3 cm en cada extremo.

Fig.1: Silenciadores de prueba de dos vías.

En el diseño del segundo par de silenciadores se incorporó una tapa removible en uno de los extremos de los tubos interiores a modo de facilitar el acceso al interior del silenciador para un adecuado control de limpieza, tal como exigen las normas internacionales. Las dimensiones de este nuevo par de silenciadores fueron exactamente las mismas para ambos tamaños y diámetros de los tubos empleados. (Fig.2)

Fig.2: Silenciadores de dos vías con tapa removible.

A modo de comparación también se decidió poner a prueba dos diseños alternativos de silenciadores.

El primero de ellos llamado Resonador Concéntrico, el cuál consiste de un tubo perforado, envuelto por una cámara de expansión (Fig.3).

Fig.3: Silenciador tipo Resonador Concéntrico.

El segundo silenciador alternativo se asemeja dos silenciadores resonador concéntrico unidos por una cámara de expansión de 4 cm de longitud (Fig. 4). Este silenciador está construido en un tubo de PVC de menor diámetro que los anteriores (75 mm).

Fig.4: Silenciador con dos resonadores concéntricos unidos por una cámara de expansión central.

2.1. Construcción

En la construcción de los silenciadores se tomaron decisiones para asegurar la rigidez de los ductos interiores, como también para asegurar una buena circulación de aire a través de ellos.

Para fijar los ductos interiores se utilizaron dos tapas de PVC para ductos de 50 mm pulidas y adosadas a cada una de las caras interiores de las tapas de 100 mm ocupadas en la construcción de las cámaras centrales.

En el caso de los silenciadores alternativos, se utilizaron separadores de hule para dar forma a la cámara de expansión central y para entregar una adecuada rigidez a los dos ductos interiores.

Todos los silenciadores, luego de ser ensamblados, fueron sellados debidamente con pasta sellante de tuberías, la cual podía ser fácilmente retirada para permitir ubicar el material absortor en su interior entre una medición y otra.

2.2. Perforaciones

Para determinar la cantidad de orificios a realizarse entre los extremos opuestos de cada tubo en el interior de la cámara se consideró el área del ducto de entrada (o salida) del silenciador donde la suma total de las áreas de todos los agujeros es igual o mayor al área de la entrada (o salida), para no impedir el flujo de aire entre los tubos y la cámara.

Para evaluar el comportamiento del silenciador con respecto al diámetro de las perforaciones, se construyeron silenciadores con perforaciones de diámetro pequeño y diámetro grande.

Para realizar las perforaciones sobre la superficie de los tubos, se utilizó un taladro con dos tamaños de broca. Su ubicación fue en los extremos opuestos a la salida de los tubos interiores, y su distribución se pensó de forma tal que los agujeros no fueran obstaculizados por el ducto colindante. (Fig. 5)

Fig.5: Distribución de de los agujeros sobre la superficie de los ductos interiores; a) vista lateral, b) vista superior.

En la tabla 1 se muestra el tamaño y cantidad de agujeros.

Para el silenciador resonador concéntrico, las perforaciones se distribuyeron a lo largo de la superficie del tubo de forma equitativa y de forma simétrica con respecto a la mitad del eje del ducto interior. En cambio para el silenciador resonador con cámara central, las perforaciones tuvieron un diámetro mayor, cubriendo toda el área disponible de los tubos sobre el eje central.

3. MONTAJE

En la figura 6 se muestra el detalle de la instalación del silenciador en el campo de medición. En la sala adyacente a la sala anecoica se encuentra la fuente de ruido, y en la sala anecoica, el silenciador adosado a la boca de entrada.

Fig. 6: Diagrama del montaje realizado para tomar las mediciones.

Al momento de plantear el problema de las mediciones, surgió la necesidad de intentar simular de la mejor forma posible la condición de silenciador insertado dentro de una pared. Actualmente la cámara anecoica cuenta con un ducto de 50 mm de diámetro y 35 cm de largo a través de la pared. Para simular la instalación del silenciador en el interior de un muro se introdujo el silenciador en el interior de una caja de madera rellena con arena (fig. 7).

Una vez completado el proceso de ajuste del silenciador en la caja y su llenado con arena, la caja fue puesta en la pared de la cámara anecoica, de forma tal que el ducto de entrada al silenciador coincide con el ducto que atraviesa el muro.

Fig. 7: Caja de madera rellena con arena construida para simular la instalación del silenciador en el interior de un muro.

La sala contigua a la sala anecoica simula condiciones semi-reverberantes. Así, al momento de realizar las mediciones, esta sala es excitada con ruido blanco con un altavoz ubicado en una de las esquinas inferiores de la sala para excitar la mayor cantidad de modos y mantener un nivel de presión constante y homogéneo en cada punto de la sala.

El ruido blanco se define como ruido aleatorio que contiene una distribución uniforme de la energía sobre el espectro de frecuencias.

La sala emisora se excitó con un nivel de presión de 95 dB (LIN) medidos en varios puntos de la sala para constatar que existía un nivel constante de presión.

Las mediciones de nivel de presión, consideradas para la entrada y salida del silenciador, se realizaron a un metro de distancia de los ductos de entrada y salida. No se consideró un punto más cercano a las bocas del silenciador para evitar que el micrófono pudiese estar dentro del campo reactivo. El monitoreo de la estabilidad del nivel de presión sonora en la entrada del silenciador (variaciones no mayores a ±1 dB) se realizó con el sonómetro Brüel & Kjaer Modelo 2209. El nivel de presión sonora en el interior de la sala anecoica se realizó con el Sound Analyser Norsonic Nor-110. Los valores de las mediciones realizadas corresponden al Leq de 1 minuto para cada situación.

Los niveles de presión medidos en la boca de salida se realizaron en bandas de tercio de octava, en un rango de frecuencias de 63 a 8000 Hz, lo que permite predecir la atenuación de un espectro de ruido de tráfico según el método especificado en ISO 9613. [4].

4. MEDICIONES.

Se realizaron dos mediciones preliminares de referencia que se utilizaron para comparar el comportamiento de los silenciadores diseñados. Estas mediciones fueron:

• Tubo abierto (sin silenciador)
• Tubo relleno de arena

El primer caso corresponde a la condición de referencia considerado como el peor caso posible, es decir, en ausencia total de acondicionamiento acústico.

El segundo caso, por el contrario, corresponde a los máximos valores de atenuación posibles a los que se podría aspirar, ya que simula el aislamiento de la pared sin ductos o perforaciones.

El conjunto de mediciones realizadas se muestra en la tabla 2.

El espectro del ruido blanco medido en la sala emisora, con el micrófono ubicado a 1 metro de distancia sobre el eje axial del tubo, y con el altavoz ubicado en la esquina inferior de la sala se ve en la Fig.8.

Una vez realizadas las mediciones, y con el objeto de obtener las conclusiones sobre la atenuación de las distintas configuraciones, se utilizó un procesamiento gráfico para comparar los resultados, Así, se graficó la diferencia de atenuación entre el silenciador y el tubo abierto.

Fig. 8: Gráfico del espectro de frecuencias medido en la sala emisora.

5. RESULTADOS

Se analizaron los resultados tomando en cuenta los siguientes casos:

• Tamaño de cámara
• Presencia de material absortor

Se realizaron comparaciones por tamaño de las perforaciones y luego, para el caso de perforaciones pequeñas, una comparación de la de atenuación del silenciador en presencia y ausencia de la tapa para mantención.

En la Tabla 3 se muestran las 8 comparaciones gráficas realizadas. En ella se pueden ver las características de los silenciadores que están siendo comparados. En esta tabla, el símbolo √ señala las características comunes que poseen los silenciadores en cuestión, mientras ° indica las características que están siendo comparadas.

Así, por ejemplo, en la comparación número 1 utilizan dos silenciadores cuyas características comunes son el tamaño grande de sus cámaras, la ausencia de material absortor en el interior de estas cámaras y por último la presencia de perforaciones pequeñas en los ductos interiores de ambos.

5.1. Comparaciones y análisis gráfico

1. Cámara grande sin absortor

Fig. 9: Comparaciones gráficas de a) Presencia de tapa, b) Tamaño de perforaciones.

Al observar las gráficas de los silenciadores de cámara grande (Figs. 9 y 10) en la comparación 1 se aprecia que al añadir la tapa de mantención en el extremo del tubo interior, se produce un incremento en la atenuación sobre 10dB entre los 1600 Hz y 4000 Hz, llegando a un máximo de 23 dB en los 2000 Hz. En la comparación 3, al poner material absorbente en el interior de la cámara se produce una mejora promedio de 2dB en ambas curvas, valor mucho menor que el aumento de atenuación producido al incorporar la tapa de mantención.

2. Cámara grande con absorbente

Fig. 10. Comparaciones gráficas de a) Presencia de tapa, b) Tamaño de perforaciones.

Para el caso de las comparaciones 2 y 4, con relación al tamaño de las perforaciones de los tubos interiores, el caso del silenciador con perforaciones grandes es notoriamente mejor que el silenciador con perforaciones pequeñas en el intervalo comprendido entre 500 y 3150 Hz, y la inclusión de material absortor en la cámara también provee un incremento general, realzando el efecto atenuante de este silenciador en 2dB de promedio. Se destaca la presencia constante de un peak negativo en los 1000 Hz, el cual se acentúa al disminuir el diámetro de las perforaciones en los ductos interiores.

Las figuras 11 y 12 muestran el resto de las comparaciones correspondientes a los silenciadores de cámara pequeña. En ellas se ve que no existe una gran diferencia en la atenuación de los silenciadores al agregar la tapa de mantención (comparaciones 5 y 7), salvo los peak en 400 y 2000 Hz en que las curvas se diferencian en promedio 5.3 dB entre sí. La presencia de material absortor produce una mejora promedio de 2 dB en ambas curvas.

3. Cámara pequeña sin absortor

Fig. 11. Comparaciones gráficas de a) Presencia de tapa, b) Tamaño de perforaciones.

Con respecto al tamaño de las perforaciones, la atenuación sobre 1600 Hz es similar a la de cámara grande, y es notoriamente menor bajo 1600 Hz. En la comparación 6 se aprecia que la curva de perforaciones pequeñas posee tres notorios peaks negativos, y sobresale solamente a partir de 4000 Hz, siendo este intervalo ampliado hasta 2000 Hz cuando se agrega material absortor en el interior (comparación 8).

Al disminuir el tamaño de la cámara, los mínimos presentes en las cuatro primeras comparaciones (en 125 y 160 Hz), aparecen acentuados y desplazados a 200 y 250 Hz respectivamente. Otra consecuencia de esto también es la desaparición del peak positivo en los 400Hz, presente en todas las curvas de cámara grande.

En las curvas de ambas cámaras se encontró la presencia de un peak en 1 Khz, que produce un empeoramiento con respecto al tubo sin acondicionar. Esta anomalía común a las ocho comparaciones, fue máxima en la curva del silenciador grande con perforaciones pequeñas (comparación 2) con una amplitud igual a -16 dB. En cambio el caso que presentó la menor amplitud en esta banda de frecuencias fue el silenciador chico con perforaciones grandes (comparación 6), con una amplitud de -2,6 dB.

4. Cámara pequeña con absortor

Fig. 12. Comparaciones gráficas de a) Presencia de tapa, b) Tamaño de perforaciones.

En la Fig. 13 se muestran las curvas de atenuación se los silenciadores alternativos, construidos para obtener una evaluación comparativa con respecto a las diferencias de diseño.

Cabe recordar que el silenciador alternativo 1 corresponde al silenciador concéntrico de la figura 3 y el silenciador alternativo 2 corresponde al silenciador de la figura 4.

Al comparar sus curvas de atenuación con respecto al tubo sin acondicionar, se observa que en ambos silenciadores existe el peak de mala atenuación en los 1000 Hz al igual que en los silenciadores de dos vías. El silenciador alternativo 1 tiene una mayor atenuación que el tubo libre en el rango de los 250 Hz a los 4000 Hz, y menor que este en las frecuencias bajo 125 y sobre 3150 Hz.

5. Silenciadores alternativos

Fig. 13: Comparación gráfica de los silenciadores alternativos.

El silenciador alternativo 2 posee el mismo comportamiento a frecuencias bajas pero hasta los 160 Hz, en donde comienza a atenuar en forma moderada hasta 400 Hz. Luego, se produce una atenuación negativa en el intervalo entre 500 y 1250 Hz llegando a alcanzar un valor máximo de -14.7 dB en 1000 Hz. Finalmente se produce la mayor atenuación de este silenciador a partir de 1600 Hz llegando a su valor máximo en 2000 Hz con 27.4 dB de atenuación.

5.2. Análisis de resonancias

Para entender las variaciones de atenuación en los silenciadores se analizaron las resonancias de los ductos de entrada a los silenciadores.

Como consecuencia del montaje (ver figura 14) la longitud efectiva del ducto de entrada es de 25 + 14 = 49 cm, y para el silenciador de cámara grande 57 cm.

Fig. 14: Montaje del silenciador de prueba a continuación del ducto a acondicionar.

Para obtener la frecuencia de resonancia y los armónicos en un tubo con uno de sus extremos cerrado, se utilizó la ecuación [5]:

donde c = 344 m/s, es la velocidad del sonido en el aire y l es el largo del ducto de entrada al silenciador utilizado en las mediciones.

La tabla 4 muestra los valores obtenidos para el silenciador pequeño (0,49 m) y la tabla 5 el silenciador grande ( 0,57 m)

Al observar los valores entregados en estas tablas y compararlos con las gráficas realizadas se percibe la presencia de estos peaks, aunque no de forma exacta, debido a que realmente el tubo no es cerrado como requiere en rigor la formula debido a sus perforaciones. Estos peaks de resonancia se trasladan subiendo a lo largo del espectro de frecuencias a medida que se aumenta el diámetro de las perforaciones, ya que equivale a disminuir el largo acústico del ducto (ver figuras 9 y 10).

Si bien el tipo de montaje influye en la posición de las frecuencias de resonancias en las curvas de atenuación, la mejora global de atenuación del silenciador no es dependiente de la posición de las resonancias sino de la suma de las diferencias de atenuación en el rango de frecuencia de funcionamiento del silenciador. En la tabla 6 se muestra el incremento de la atenuación global del silenciador en dB con respecto a un tubo sin silenciador.

De esta tabla se desprende que el silenciador que proporciona un mayor nivel de atenuación, con respecto al tubo sin acondicionar, es el silenciador grande con perforaciones grandes y con absorbente, alcanzando una atenuación de 10,7 dB.

6. CONCLUSIONES

Si bien no se pudo montar el silenciador directamente en el interior del muro, se simuló aquella condición montando el silenciador en una caja de madera rellena con arena ubicada a continuación del ducto existente en el muro.

Se observa la influencia de las frecuencias de resonancia presentes en el ducto de entrada en el espectro final de la atenuación de los silenciadores. Las curvas de atenuación de todos los silenciadores medidos presentan bajas de atenuación en estas frecuencias.

El material absorbente en el interior de la cámara disminuye la pérdida de atenuación en las frecuencias de resonancia y las variaciones en los diámetros de las perforaciones alteran la posición de estas frecuencias desplazándolas hacia las frecuencias más altas.

Con el silenciador de dos vías, con perforaciones grandes y absorbente, se alcanza una mejora de atenuación de 10,7 dB para toda la banda.

Ninguno de los dos silenciadores alternativos proporciona un nivel de atenuación total mayor o igual al silenciador de dos vías.

7. REFERENCIAS

[1] Harris C.M. Manual de medidas acústicas y control de ruido, McGraw-Hill, 1998.

[2] Beranek L. Noise and Vibration Control, McGraw-Hill, 1971.

[3] Munjal, M. L., Acoustics of ducts and mufflers, John Wiley & Sons, New Cork, 1987.

[4] International Standard ISO 9613-2, Acoustics –Attenuation of sound during propagation outdoors, STD. ISO 9613-2 – ENGL 1996, First Edition 15-112-1996.

[5] Kinsler-Frey-Coppens-Sanders. Fundamentos de la Acústica, Editorial Limusa S.A. 1995.