5.4.
Comentarios sobre los resultados
A la vista de los resultados podemos decir que hay divergencias entre los resultados de las medidas de campo acústico reales y las simulaciones; estas diferencias se incrementan levemente a medida que aumenta la frecuencia para el caso de la fuente sonora en campo libre. Para el caso de fuente con obstáculo vertical estas diferencias son ligeramente mayores que en el caso anterior, y por último las diferencias más grandes se pueden encontrar en el caso de fuente con obstáculo vertical y material aislante en su interior.
Las simulaciones se hicieron bajo condiciones ideales, por lo tanto, estas divergencias con las medidas de campo acústico reales pueden ser debidas a varios factores, entre los cuales podemos destacar los siguientes:
La falta de precisión en las características físico-mecánicas de los materiales escogidos, al no disponer de un listado de los materiales concretos que se utilizaron para construir la fuente. Esta falta de precisión afecta al resultado vibroacústico, y por lo tanto al campo sonoro producido por la fuente. Esto se puede observar claramente en el último caso de estudio, donde se puede ver que el material aislante que está dentro del obstáculo, no es tan eficiente como en principio parecía basándonos en la simulación.
Ante la imposibilidad de medir los desplazamientos en el conductor del altavoz, se tuvieron que medir en la tapa del diafragma; eso hace que las fuerzas calculadas para esta tapa sean aproximadas a las reales, lo que implicará imprecisiones en los resultados.
La variación de temperatura en la cámara anecoica durante todo el proceso de realización de las medidas, ya que para evitar añadir ruido no se utilizó ningún sistema de refrigeración, y al ser este un proceso largo, la temperatura en el interior aumentó significativamente según iba pasando el tiempo.
La imprecisión de los puntos de medida, ya que al hacerse de la forma en la que se hicieron, no se pudo asegurar una completa inmovilidad del micrófono ni que la posición de éste coincidiera plenamente con el punto de medida correspondiente en la malla diseñada como plano de escucha. Además de las divergencias entre fuente real y simulada, podemos observar que en los casos en los que hay un obstáculo, con o sin material aislante, los mayores niveles se encuentran dentro del tubo y a la salida de este de forma muy direccional entorno al eje del altavoz, teniendo más propagación a medida que aumenta la frecuencia. El material aislante tiene un claro efecto en la reducción del nivel de presión sonora en la fuente real, tanto dentro del obstáculo como fuera de él. En la simulación, esta reducción en los niveles de presión sonora no se percibe debido a las condiciones introducidas en el programa y dadas por las medidas realizadas con el sensor de distancia Láser.
5.4. Comentarios sobre los resultados
Por otro lado, en las medidas con obstáculo, con y sin material aislante, se puede apreciar que los niveles son casi los mismos dentro del tubo que fuera en los diez centímetros más cercanos a éste. Esto puede ser debido a que en el momento de medir, el micrófono estaba situado muy cerca del tubo en la parte exterior; además, siendo el objetivo de las medidas experimentales el explorar un plano grande, se tomó una distancia entre puntos de medida que resultó en un insuficiente número de estos entorno al obstáculo y dentro de él, zonas en las cuales existen unas variaciones de la presión muy fuertes. Hay que tener en cuenta, que en todas las imágenes que representan los campos acústicos existe interpolación, y aunque en las imágenes de la primera fila es ínfima, estando los puntos de medida tan separados, el degradado que introduce es paulatino y poco fiable.
Para ver los niveles de presión sonora correspondientes a cada punto de medida, consultar las tablas de presiones sonoras medidas y simuladas delAnexo E. Tablas de resultados.
6
Conclusiones
Durante la realización de este proyecto se han llevado a cabo las siguientes tareas:
Se ha diseñado y construido una fuente sonora real y funcional con materiales reciclados del laboratorio, tales como todos los elementos de madera que la componen, amortiguadores, materiales acústicos, etc.
Se ha simulado el campo acústico radiado por la fuente sonora real mediante el software LMS Virtual.Lab R11, para lo cual se han realizado los siguientes pasos:
• Se ha realizado el modelado de la fuente sonora teniendo en cuenta tanto el diseño real como los materiales con los que se ha construido y sus características.
• Se ha realizado el mallado de cada elemento de la fuente, así como las conexiones entre las mallas para que todos sus elementos se comporten como un sistema.
• Se han medido las amplitudes de vibración en la tapa del diafragma con un sensor de distancia Láser y el analizador PULSE, para después usar esos datos en la generación del archivo de fuerzas de excitación del altavoz.
• Se han utilizado los métodos FEM y BEM y las ecuaciones de tensión y fuerza de un transductor dinámico para los análisis vibroacústicos.
• Se han procesado los datos obtenidos de las simulaciones y de las medidas de laboratorio mediante la realización de dos programas en Matlab, a través de los cuales se han podido obtener las imágenes de los campos acústicos con sus tablas de valores de presión sonora asociadas. En ellos se han usado algoritmos de interpolación o funciones que ya los llevan incorporados para hacer las imágenes más intuitivas.
• Se han realizado una serie de vídeos de diapositivas de todo el proceso de modelado, mallado, análisis y post procesado que ayudarán a comprender mejor el manejo de Virtual.Lab. Tanto los vídeos, como los ficheros del proyecto, como la versión digital de este libro y los programas realizados en Matlab, se pueden encontrar en los DVD que lo acompañan para futuras consultas.
6. Conclusiones
Se han realizado las medidas experimentales de la presión sonora utilizando el analizador PULSE y un sistema que permite desplazar horizontalmente el micrófono desde fuera de la cámara anecoica con un margen de error aceptable respecto a los puntos de medida teóricos.
Con los resultados obtenidos y teniendo en cuenta los comentarios expuestos en elApartado 5.4, se puede llegar a la conclusión de que los procesos de simulación y las comparaciones entre la fuente real y la simulada han sido satisfactorias, y por tanto, se han cubierto todos los objetivos que se perseguían en este proyecto.
En actuaciones futuras, queda contemplar la introducción de mejoras en el proceso de toma de medidas experimentales mediante un sistema rígido regulable en altura que mantenga fijo el micrófono en el momento de medir; el desplazamiento horizontal de este sistema vendría controlado por ordenador y se realizaría mediante un aparato móvil que se desplazaría por el sistema de raíl colocado en el techo de la cámara anecoica, y al cual estuviese anclado el soporte rígido del micrófono. Esto permitiría precisión y estabilidad al igual que la posibilidad de incrementar el número de puntos de medida en zonas sensibles.
Anexo A
Instrumentación y Software
Software utilizado para la realización del proyecto:
PULSE Labshop Version 16.1.0.84 – 2011-12-06 Brüel & Kjær. Matlab R2013a.
Virtual Lab R10 y R11.
Instrumentación utilizada para las medidas en laboratorio: Sensor de distancia láser LDS 80/10-C LMI Technologies.
Figura A.1: Sensor de distancia Láser y rangos de actuación.
• Rango de medida (MR): 10 mm. • Distancia láser-superficie (SO): 80 mm. • Offset (OD): 75-85 mm.
• Resolución: 0,001 mm.
• Ángulo de triangulación para la distancia láser-superficie: 30º.
• Tamaño del punto en la distancia láser-superficie: 0,2 mm.
• Tipo de láser: AlGalnP. • Láser clase 3B (IEC). • Potencia del láser: 7 mW. • Longitud de onda: 785 nm. • Ancho de banda: 0-30000 Hz. • Sensibilidad: 1,0/1,2 V/mm.
Anexo A. Instrumentación y Software
PULSE Front-end Brüel & Kjær Tipo 3560-C.
Figura A.2: Sistema de adquisición de datos-analizador PULSE Front-end.
Es un sistema portátil de adquisición de datos compuesto por diferentes módulos alimentados por una batería/adaptador de corriente Tipo 2827.
• El primer módulo, situado a la izquierda justo a continuación del botón de encendido, es el Módulo de Entrada/Salida con 4/2 canales. Los dos canales de salida pueden ser utilizados como generadores de señal, con un rango de frecuencias comprendido entre 0 a 25,6 kHz. Tiene un procesador de señal digital con un convertidor D/A de 24 bits. Los niveles de salida son ajustables en hardware en un rango de 5 mV a 5 V RMS.
• El segundo módulo es el Módulo de Control de 1 canal que controla y dirige las comunicaciones entre el PC y el Módulo de Entrada/Salida vía LAN; transmite y recibe señales de sincronización y de reloj de o hacia otros front-ends. Conexión de control remoto para medidas de intensidad de sonido vía interfaz RS-232. La transmisión de datos se hace mediante el protocolo TCP/IP.
Amplificador de Potencia: Pioneer integrated amplifier A-10.
En el panel frontal tenemos potenciómetros de control de Volumen, Bass/Treble/Balance y el Selector de Entradas; también tenemos una serie de botones táctiles para ajustar el Loudness, el Direct Mode y el Altavoz A/B.
En el panel trasero tenemos conexiones para Aux-in, Network, Recorder, Speaker A+B y para dispositivos Source Direct Mode.
Anexo A. Instrumentación y Software
Figura A.3: Vistas frontal y trasera del amplificador de potencia Pioneer.
Características:
• 50 W + 50 W (20 Hz-20 kHz, THD 0,1 %, 4Ω).
• 30 W + 30 W (20 Hz-20 kHz, THD 0,05 %, 8Ω).
• THD: 0,01 % (Salida Nominal -3 dB, 8Ω, 1 kHz).
• Impedancia del Altavoz garantizada (2 Terminales para Altavoces): 4-16Ω(A o B), 8-32Ω
(A+B), 4-16Ω(Bi-Wiring).
• Respuesta en frecuencia: 5 Hz-100 kHz, 0/-3 dB, 20 Hz-20 kHz,±0,5 dB (Ecualización RIAA) MM. Altavoz: RCF L12-564. • Diámetro Nominal: 300 mm. • Impedancia Nominal: 8Ω. • Respuesta en frecuencia: 55-5000 Hz. • Potencia Nominal: 250 W. • Sensibilidad (1W/1m): 98 dB. • Densidad de flujo: 1,4 Tesla.
Anexo A. Instrumentación y Software
• Diámetro efectivo del diafragma (D): 245 mm. • Masa Mecánica (Mms): 0,035 kg.
• Compliancia Mecánica (Cms): 0,00024 m/N.
• Factor de Fuerza (Bl): 11,5 Tesla·m. • Frecuencia de Resonancia (Fs): 55 Hz.
• Factor de sobrecarga total (Qts): 0,5.
• Factor de sobrecarga mecánico (Qms): 11. Figura A.5: Vista en planta del altavoz.
• Factor de sobrecarga eléctrico (Qes): 0,52.
• Volumen de aire equivalente (Vas): 0,075 m3.
• Eficiencia de referencia (η0): 2,33 %.
• Resistencia eléctrica de la bobina (Re): 5,7Ω.
• Superficie efectiva del diafragma (Sd): 0,0471
m2.
• Máximo desplazamiento del diafragma (Xmax):
±4 mm.
Figura A.6: Detalle de la vista en alzado del altavoz.
Figura A.7: Respuesta en frecuencia del altavoz.
Micrófono Brüel & Kjaer Tipo 4188-L-001.
Micrófono de condensador prepolarizado de media pulgada de diámetro para medidas en campo libre. Serial No: 2304385.
Anexo A. Instrumentación y Software
Figura A.8: Cápsula microfónica de condensador.
• Sensibilidad en circuito abierto a 1013 hPa, 23º y 50 %RH: -30,5 dB ref 1V/Pa o 29,7 mV/Pa a 1000 Hz. • Capacitancia (typ): 12 pF. • Tensión de Polarización: 0 V. • Rango de frecuencias: 8-12500 Hz. • Rango dinámico: 15,8-146 dB. • Temperatura: -30º a +125 ºC.
• Frecuencia de resonancia del diafragma: 9 kHz.
Figura A.9: Respuesta en frecuencia en campo libre en el eje del micrófono.
Figura A.10: Respuesta en frecuencia con incidencia aleatoria.
Preamplificador de micrófono Brüel & Kjær Tipo 2669.
Amplifica la señal eléctrica que genera el micrófono con una impedancia de entrada muy elevada, de tal manera que la carga en el micrófono es virtualmente nula. Amplio rango dinámico debido a la alta tensión de salida junto con un nivel de ruido extremadamente bajo. Tiene una baja impedancia y alta corriente de salida que permite que se puedan usar cables largos entre el preamplificador y el equipo de medida sin perder calidad de señal. Serial No: 2344511.
• Respuesta en frecuencia (ref. 1 kHz): 3-200000 Hz,±0,5 dB.
Anexo A. Instrumentación y Software • Coincidencia de fase: 0,3º a 50 Hz. • Impedancia de entrada: 15 GΩk0,45 pF.
• Impedancia de salida: 25Ω(max.).
• Conector al preamplificador: LEMO 0B, 7-pin.
• Conector al instrumento/cable: LEMO 1B, 7-pin.
• Slew Rate de salida: 2 V/µs.
Figura A.11: Preamplificador del micrófono de condensador.
• Distorsión THD: Menos de -80 dB a 25 V de salida, 1 kHz. • Ruido con ponderación A:≤1,9µV.
• Ruido de 22,4-300000 Hz:≤8,2µV.
• Fuente de alimentación dual:±14 V a±
60 V.
Figura A.12: Calibrador acústico.
Calibrador acústico CAL 01dB Álava Ingenieros.
Verifica el micrófono antes y después de las medidas para comprobar su precisión. Tiene tres niveles de salida: 74, 94 y 114 dB (0,1 Pa, 1 Pa y 10,02 Pa) a 1 kHz. Cumple la normativa UNE 209 TIPO 1. Número de serie: 11565.
Osciloscopio HEWLETT PACKARD 54600A.
Osciloscopio de dos canales que será utilizado para controlar la señal procedente del sensor de distancia láser a través de una de las salidas del Pulse Front-end.
Figura A.13: Parte frontal del osciloscopio.
Anexo A. Instrumentación y Software Ordenador ASUS P7H55-M PRO. Puesto 1 del laboratorio.
Encargado de recibir mediante una conexión por cable de red, los datos recogidos por el Pulse Front-end. Estos datos se procesarán y analizarán con el software Pulse Labshop y serán exportados a archivos de formato Excel para su posterior utilización, tanto para presentación de resultados como para datos necesarios para la simulación del campo acústico.
• Intelr CoreTMi5 CPU 650 @ 3,20 GHz.
• Memoria RAM 4 GB (2x2 GB) 1333 MHz DIMM DDR. • Disco Duro 250 GB.
• NVIDIA GeForce 8400Gs Rev.2. • Arquitectura 64 bits.
• Windows 7 Professional.
Ordenador DELL LATITUDE E6440 BTX.
Encargado de realizar tanto la simulación por ordenador del campo acústico, como la interpretación de los datos obtenidos del Pulse mediante Matlab.
• Intelr CoreTMi5-4310M CPU @ 2,70 GHz x 4.
• Memoria RAM 8 GB (2x4 GB) 1600 MHz DDR3L. • Disco Duro híbrido 500 GB (5400 rpm) + 8 GB Flash. • AMD Radeon HD 8690M Graphics 2 GB GDDR5. • Arquitectura 64 bits.
Anexo B
LMS Virtual.Lab
Anexo B.1. Modelado
B.1.
Modelado
Antes de empezar a trabajar con Virtual.Lab, se explicará un poco la configuración y personalización del entorno de trabajo. El manejo del programa se irá explicando a medida que se vayan diseñando los distintos componentes del modelo.
El objetivo a diseñar será una aproximación del que se expone en laFigura B.1:
(a) Perfil del interior de la fuente (b) Perspectiva del interior de la fuente
(c) Fuente sonora (d) Fuente sonora con obstáculo
(e) Fuente sonora con obstáculo y material aislante
Anexo B.1. Modelado