Aún teniendo un origen similar, y muy a menudo común (excepto en los ruidos aerodinámicos), el ruido y las vibraciones son dos problemáticas que se han tratando de manera separada por la normativa, principalmente debido a la distinta percepción que se tiene de ellos. En realidad, desde el punto de vista de su tratamiento y reducción, las principales diferencias entre ruido y vibraciones provienen de los distintos rangos de frecuencia (0,1 Hz - 80 Hz en vibraciones y 20 Hz - 20 kHz en ruido) y la diferente importancia de los mecanismos y caminos de transmisión (la transmisión aérea es muchas veces dominante en ruido y es inexistente en vibraciones).

El planteamiento de soluciones para la reducción de ruido y vibraciones habitualmente pasa por reducir la generación del problema en la propia fuente, o bien si esto no es posible, por reducir su transmisión hasta el receptor. Como ya se ha comentado al principio de esta introducción, la generación suele ir ligada al funcionamiento de la máquina y puede ser muy específica de cada tipo de máquina, por lo que no existen soluciones genéricas y la reducción de la generación puede causar una pérdida de funcionalidad del producto que hace inviable su aplicación. Por el contrario, los caminos de transmisión suelen tener mecanismos comunes para muchas tipologías de maquinaria de obra pública, por lo que el presente estado del arte se ha centrado en las tecnologías disponibles para reducir la transmisión de vibraciones y ruido. Se ha dejado expresamente fuera del alcance del documento la reducción en los propios receptores mediante la aplicación de cascos o tapones, ya que esa opción puede ser una recomendación del fabricante, pero no atañe al diseño de la máquina en sí misma.

Las distintas tecnologías existentes en la actualidad para la reducción de la transmisión y radiación de ruido y vibraciones se presentan en este apartado divididas según su objetivo, es decir, reducción de vibraciones o reducción de ruido (aunque algunas de las soluciones son efectivas en ambos aspectos) y según el tipo de tecnología (tradicional o nueva).

Tradicionalmente, la reducción en la transmisión de vibraciones se consigue mediante la aplicación de uno de los siguientes métodos: acoplamientos elásticos, amortiguación y amortiguación ajustada (‘tunned dampers’).

Los acoplamientos elásticos se basan en el desacoplamiento de grados de libertad entre distintos componentes provocado por la introducción de un elemento de baja rigidez. Se busca obtener un sistema con una frecuencia natural muy por debajo de la frecuencia de las fuerzas dinámicas de excitación. De esta forma se pueden conseguir reducciones muy importantes de las fuerzas dinámicas transmitidas. Habitualmente el elemento elástico suele ser de materiales tipo caucho, para añadir al mismo tiempo amortiguamiento (su efecto se trata en el punto siguiente). La mayor limitación de utilizar elementos elásticos como filtro es que el sistema se puede volver muy inestable cuando la frecuencia de la excitación baja (por ejemplo durante una arrancada) y que para conseguir frecuencias naturales muy bajas hay que reducir excesivamente la rigidez, poniendo en peligro la estabilidad del sistema (por ejemplo frente a vuelco o frente a impactos), por lo que su utilidad suele estar restringida a rangos de frecuencia medios (superiores a 10 Hz). Se encuadran dentro de este método los ‘silent-blocks’ para el montaje de motores, compresores, etc.

Los sistemas de amortiguación se basan en la reducción de la amplitud de la respuesta dinámica de un sistema conseguida mediante la introducción de una disipación viscosa entre las partes a aislar, habitualmente utilizando para ello el paso de fluidos por orificios. Son de especial utilidad en rangos de frecuencia muy bajos (< 3 Hz), donde no es factible desacoplar partes introduciendo únicamente un elemento elástico por entrar en conflicto con otros requerimientos funcionales. Un ejemplo clásico de aplicación serían las suspensiones de vehículos, que basa la reducción de vibración en este tipo de elementos y tienen un compromiso entre estabilidad y confort o la utilización en lavadoras, donde al existir varias frecuencias de excitación se utiliza de forma combinada acoplamiento elástico para las frecuencias medias y amortiguadores para las bajas. Este tipo de elementos tiene problemas de funcionamiento a velocidades muy bajas donde el fluido no ejerce casi resistencia o a altas, donde se vuelve excesivamente rígido.

Por último, la amortiguación ajustada (‘tunned dampers’) es una técnica basada en añadir a la parte en la que se pretende reducir las vibraciones una masa unida mediante un elemento elástico y amortiguador (normalmente un elastómero) cuya frecuencia natural coincida con la frecuencia de excitación. De esta forma, la energía vibratoria fluye hacia este nuevo sistema donde se disipa de forma más eficiente, reduciendo la respuesta en la parte principal. Esta solución es muy efectiva a la frecuencia para la que se diseña, pero totalmente ineficientes en el resto del espectro. Un ejemplo clásico de aplicación es la reducción de las vibraciones al ralentí de las barras de dirección de automóviles.

Las nuevas tecnologías para la reducción de la transmisión de vibraciones se pueden agrupar como técnicas semiactivas o activas. Los dos tipos de dispositivos tienen una característica común que es la necesidad de un sensor y una fuente de energía externa, y las activas se diferencian porque actúan sobre el sistema introduciendo nuevas fuerzas dinámicas.

Por un lado, con los materiales adaptativos o inteligentes (control semiactivo), el gran esfuerzo investigador en el desarrollo de nuevos materiales y en la búsqueda de nuevas aplicaciones de los mismos está permitiendo que las tecnologías tradicionales de aislamiento de vibraciones presentadas en el punto anterior evolucionen, con lo que se denomina materiales adaptativos o inteligentes (materiales reológicos). Estas tecnologías se basan en la utilización de sensores para analizar la situación de trabajo y en la modificación controlada mediante la aplicación de campos magnéticos o eléctricos de las propiedades de los elementos aislantes para que se adapten a las necesidades detectadas de forma ‘inteligente’. De esta forma, se pueden conseguir acoplamientos elásticos y amortiguadores que pierdan rigidez cuando tengan que aislar frecuencias bajas, pero que se rigidicen cuando sea necesaria una mejor estabilidad, ‘tunned dampers’ que siempre estén adaptados a la frecuencia de trabajo, o amortiguadores que solo amortigüen cuando sea necesario, eliminando o reduciendo las limitaciones que tienen los elementos tradicionales.

En la actualidad, los materiales reológicos están en fase de investigación, todavía lejos de su aplicación industrial. Por el contrario, los fluidos reológicos están disponibles comercialmente y presentes en diversos productos.

Hay que distinguir entre los fluidos magneto-reológicos y los fluidos electro-reológicos (en función del tipo de campo a aplicar). Los primeros permiten rangos de fuerza mucho mayores, mientras los segundos tiene como ventajas un menor consumo y la posibilidad de ser de dimensiones reducidas (aplicaciones como pantallas táctiles y dispositivos médicos). Los fluidos magneto-reológicos pertenecientes a Lord se están utilizando principalmente en el desarrollo de sistemas de suspensión y amortiguadores avanzados, debido principalmente a su capacidad de introducir alta fuerza disipativa a baja velocidad (limitación de los tradicionales), a su elevado rango dinámico (ratio fuerza máxima/fuerza mínima) y a su capacidad de ajuste en rangos de hasta 100 Hz.

Ejemplos de aplicación de fluidos magneto-reológicos

Se enumeran y presentan a continuación algunas aplicaciones en distintos sectores industriales:

Por otro lado, el control activo de vibración es una tecnología basada en la introducción de fuerzas dinámicas de forma que interfieran y eliminen o reduzcan las vibraciones no deseadas. Para ello es necesario disponer de sensores que permitan conocer la respuesta, sistemas de procesado de señal y actuadores, todo ello controlado en tiempo real. La aplicación principal es para la reducción de vibraciones con componentes tonales muy marcadas y habitualmente deben combinarse con otras medidas tradicionales para aumentar su eficacia.

La introducción de este tipo de control de vibración es capaz de conseguir reducciones netamente superiores a las técnicas tradicionales y semiactivas, principalmente en los rangos de frecuencia bajos, pero a pesar de que los sistemas microelectromecánicos y los materiales piezoeléctricos están consiguiendo reducir el tamaño y el precio de sensores y actuadores, este tipo de control está todavía en fase de desarrollo, y su coste es muy elevado frente a los sistemas tradicionales. De esta forma se están introduciendo principalmente en aeronáutica (aviones, helicópteros, satélites) y en instrumentos de alta precisión. Cabe destacar la existencia de asientos específicamente pensados para maquinaria de obra pública y maquinaria agrícola que utilizan técnicas de control activo o semiactivo.

De forma frecuente, el objetivo final del control activo de vibración es una reducción del ruido, donde la eliminación de las bajas frecuencias por métodos tradicionales resulta muy problemática. En el apartado de control activo de ruido se presentan ejemplos de aplicación, que también podrían considerarse como controles activos de vibración.

En la reducción de ruido, son de aplicación habitual las técnicas de aislamiento de vibraciones comentadas previamente, siempre que la transmisión estructural del ruido sea dominante. Dado que ya se han comentado específicamente en el aparatado de vibraciones, no se presentan en este punto. Este apartado se centra en las técnicas que se ocupan de reducir la transmisión del ruido transmitido por vía aérea.

Aunque se pueden agrupar de diversas maneras, en este análisis se han dividido en función del mecanismo físico de reducción. En las aplicaciones prácticas, normalmente se combinan dos o más mecanismos al mismo tiempo para mejorar la efectividad.

El aislamiento es el mecanismo básico de reducción de ruido en transmisión aérea. Las ondas sonoras pierden gran cantidad de energía al atravesar un elemento sólido y por lo tanto se reduce la transmisión. De forma habitual, las soluciones basadas en aislamiento adoptan formas de cerramientos o de pantallas.

El aislamiento acústico de paneles es muy dependiente de la frecuencia, no sólo por las diferencias en las longitudes de onda acústica, sino por el tipo de vibración inducido en el panel por el ruido incidente. De esta forma, se pueden distinguir distintas zonas en el espectro de frecuencia. No se especifica el rango ya que el concepto baja o alta frecuencia depende del tamaño del panel y de la relación rigidez a flexión / peso, y por lo tanto es relativo. En la zona de muy baja frecuencia, la rigidez es la que controla el aislamiento, aunque esta zona suele quedar fuera del rango de interés. En la zona de frecuencias bajas suele haber respuesta resonante y por lo tanto el amortiguamiento del material es crítico en la valoración del aislamiento. En las frecuencias medias, el parámetro fundamental es la masa y en la zona de altas frecuencias, a partir de la frecuencia de coincidencia, el amortiguamiento vuelve a ser clave.

En gran parte de las aplicaciones, conseguir un buen aislamiento obliga a introducir elementos muy pesados y a ser posible de alto amortiguamiento, lo cual no suele ser deseable por problemas de rigidez, espacio y peso. A esto hay que añadir que la mayor parte de los elementos que causan ruido aéreo en maquinaria son además de fuentes de ruido fuentes de calor, por lo que necesitan ventilación, pudiendo reducir de manera drástica la efectividad de un cerramiento y necesitando otros sistemas de aislamiento en las ventilaciones (absorción o filtros acústicos).

Con la absorción, las ondas sonoras pierden energía al atravesar un medio poroso. Si este medio se coloca en una superficie rígida, el efecto que se consigue es una reducción de la energía de la onda reflejada. Este principio se utiliza para reducir el nivel de ruido en el interior de recintos, ya que, por ejemplo, el ruido percibido en el interior de un habitáculo puede ser entre 5 y 10 dB mayor del que causaría la misma fuente sonora en un espacio abierto debido a la contribución del campo reverberante provocado por las reflexiones en las paredes del recinto. Los tratamientos absorbentes tienen por objeto reducir al máximo la contribución del campo reverberante. Es muy común la utilización combinada de la absorción con el aislamiento, bien sea utilizando un recubrimiento absorbente en la pared interior del cerramiento o en las aberturas de ventilación de los mismos. El comportamiento de los materiales absorbentes es muy dependiente de la frecuencia, y su efecto es prácticamente despreciable en la parte baja del espectro. Un caso particular de absorción es la utilización de resonadores de Helmholtz que puede aumentar de forma significativa la absorción a frecuencias bajas-medias. Se basan en el mismo concepto que los ‘tunned damper’ pero en su analogía acústica la rigidez se convierte en un tubo de aire, la masa en un volumen de aire y el amortiguamiento en un material poroso. Con este tipo de dispositivos se consiguen absorciones muy elevadas a una frecuencia concreta pero su efecto es prácticamente nulo en el resto del espectro frecuencial.

Estos sistemas de reducción de ruido se basan en la reflexión que sufre una onda acústica cuando se encuentra con un cambio de impedancia en el medio en el que se transmite. Este tipo de dispositivos se utiliza habitualmente para reducir la transmisión en conductos de ventilación o escape, y se traduce en un cambio brusco de sección. Se suelen combinar con tratamientos absorbentes y se conocen como silenciosos.

Las nuevas tecnologías se han dividido en dos grupos muy diferenciados: por un lado las posibilidades que ofrecen en este campo los nuevos materiales y por otro las soluciones de control activo.

La mejora continua en el desarrollo de nuevos materiales poliméricos y aleaciones metálicas tiene aplicación en el campo de la reducción de ruido y vibraciones. Básicamente, sus posibilidades provienen de las mejoras que se pueden conseguir en las propiedades mecánicas del material, principalmente elevados amortiguamientos compatibles con una buena rigidez y resistencia. Se presentan en el apartado de ruido ya que aunque pueden tener aplicación para la reducción de vibraciones, su efectividad es mucho más elevada en rangos de frecuencia medios, altos, y por lo tanto en el campo de la acústica. La utilización de un material con alto amortiguamiento provoca que las amplitudes de vibración de los paneles en los rangos de frecuencia medio se reduzca notablemente, y por lo tanto la cantidad de ruido radiado.

Entre estos nuevos materiales se encuentran los siguientes:

Por otro lado, el control activo de ruido es una técnica que se basa en la emisión mediante una fuente de ruido secundaria de una onda acústica en contrafase con la principal, de forma que interfiere con la señal de ruido eliminando o reduciendo su amplitud. De forma análoga al control activo de vibraciones, requieren la disposición de micrófonos, tratamiento de señal en tiempo real, un controlador y un emisor acústico.

La realización de una cancelación efectiva es muy complicada en la práctica excepto en los casos en los que el ruido tiene componentes tonales muy marcadas y en rangos de frecuencia por debajo de 500 Hz. A este hecho hay que añadir que son soluciones muy localizadas en el espacio, es decir, pueden ser muy efectivas en el punto de control pero llegar a ser muy perjudiciales en otros puntos, por lo que es necesario tener muy localizados a los potenciales receptores del ruido. En general, son sistemas complejos que están todavía en fase de investigación y su utilidad se prevé solo en aplicaciones con niveles muy altos en la zona de baja frecuencia, donde los métodos pasivos son muy ineficientes y combinado siempre con un tratamiento tradicional.

Control activo de vibración y de ruido

Las líneas de trabajo e investigación actuales más importantes en el control activo de vibración y de ruido son las siguientes (se presentan en este apartado de forma conjunta):

Dentro del sector nacional de maquinaria de obra pública, en la actualidad se siguen utilizando, tanto en el campo del ruido como en el de las vibraciones, soluciones de tipo pasivo (tradicionales), y la penetración de las técnicas que hemos denominado nuevas tecnologías se puede considerar inexistente. Sin analizar de forma exhaustiva las aplicaciones, para el aislamiento de elementos ruidosos (como por ejemplo compresores y motores) se utilizan fundamentalmente cerramientos con tratamientos absorbentes en el interior y en las entradas de ventilación, así como silenciosos en los escapes. También está extendida la utilización de tratamientos absorbentes en el interior de las cabinas y habitáculos para reducir los niveles soportados por el operario.

En cuanto a vibraciones, la práctica totalidad de las aplicaciones utilizan apoyos elásticos con materiales de tipo caucho o caucho-metal para el montaje de equipos con altos niveles de vibración. También está muy extendida la utilización de amortiguadores para aplicaciones donde es necesaria alta amortiguación a baja frecuencia con cargas elevadas (fundamentalmente en suspensiones o similares). Son bastante más reducidos los ejemplos de amortiguación ajustada o la incorporación de elementos elásticos basados en aire para mejorar la efectividad en baja frecuencia.

En el entorno internacional, hay empresas del sector de maquinaria de obra pública que ya están introduciendo en algunos de sus productos de alta gama sistemas de control activo y semiactivo en vibraciones, como puede ser el caso de Caterpillar y John Deere con el diseño de asientos que incorporan estas tecnologías.

Los asientos, que habían ido evolucionando de montajes rígidos a montajes elásticos y posteriormente a suspensiones basadas en aire, dan ahora un paso más y son el componente pionero dentro del sector.

Los sistemas semiactivos incorporados en asientos están basados en la utilización de fluidos magnetoreológicos en amortiguadores. La ventaja principal es que permite reducir la rigidez del montaje del conjunto pero limitando los desplazamientos máximos permitidos al asiento mediante la acción del amortiguador. De esta forma se evita la sensación de bamboleo que sufre el operario manteniendo un buen aislamiento de las vibraciones a baja frecuencia. Además, su funcionamiento es independiente del peso del operario (limitación de los tradicionales).

Los sistemas activos utilizados en estos asientos incorporan un actuador hidráulico con un sistema de control que cancela los efectos de las vibraciones que se introducen por la base. Esta tecnología permite una reducción mucho mayor que con cualquiera de los otros sistemas.

Aplicaciones habituales de control de ruido y vibraciones

De forma más detallada se presentan aplicaciones habituales de control de ruido y vibraciones en varios tipos de máquina:

Las aplicaciones en el sector de la maquinaria de obra pública que son susceptibles de utilizar las nuevas tecnologías son muy amplias, ya que en general todos los productos que en la actualidad utilizan métodos tradicionales son susceptibles de ser combinados o sustituidos con las técnicas avanzadas de reducción. La cuestión clave son los retos tecnológicos que implica para los fabricantes y si el elevado coste de los elementos activos y semiactivos frente a los pasivos estará o no justificado.

Con un horizonte temporal breve, la tendencia tecnológica del sector en la reducción de ruido y vibraciones debería ser la utilización óptima de las soluciones pasivas tradicionales. De esta forma, las empresas aumentarán el conocimiento de los problemas específicos de su producto y las limitaciones que no se pueden superar con los elementos actuales. Este paso es un requisito previo indispensable para poder valorar la necesidad y la mejora potencial que pueden obtener con la utilización de sistemas semiactivos o activos y en paralelo se espera que cada vez existan soluciones más asequibles económicamente, mejorando la viabilidad económica.

Cabe señalar, que aún considerándose como ‘tradicionales’ en sistemas de aislamiento de vibraciones se han desarrollado en los últimos años elementos tipo ‘bushing’ que combinan material elastómero, metal y fluido y, de esta forma, se pueden diseñar para ser óptimos para una aplicación específica.

También la utilización de otros elementos elásticos como los sistemas neumáticos en más aplicaciones (sólo habituales en asientos) o la introducción de amortiguadores ajustados o amortiguadores en etapas puede suponer mejoras frente al estado actual.

A pesar de que ya hay disponibles de forma comercial elementos semiactivos y activos en reducción de vibraciones como las suspensiones MR y los asientos comentados, se considera que están en una fase todavía temprana de desarrollo y sólo se recomiendan en casos donde las soluciones pasivas se hayan mostrado insuficientes.

El principal reto tecnológico que se presenta a corto plazo a las empresas del sector es la dificultad para llegar a una solución tradicional optimizada de control de ruido y vibraciones con las técnicas de desarrollo de que disponen. En el mejor de los casos, en la actualidad, las empresas solamente disponen de instrumentación y conocimientos técnicos específicos para poder evaluar el resultado final en cuanto a los valores exigidos por la normativa (medida de presión/potencia acústica y exposición y transmisión de vibraciones al cuerpo humano). Con esas capacidades, la obtención de una solución realmente óptima puede requerir la realización de numerosos prototipos y ensayos, quedando el resultado final muy condicionado a la intuición y el acierto en la definición de los prototipos.

Para paliar esta dificultad, se necesita mejorar la formación específica en ruido y vibraciones de los responsables del diseño del producto y la colaboración con ingenierías, centros tecnológicos o universidades especializadas en la realización de estudios avanzados que den soporte en el diseño de los mecanismos de control.

El impacto esperado de estas actuaciones está muy condicionado por la efectividad de la solución actual en cada caso particular, y la viabilidad de introducir medidas auxiliares o mejor ajustadas para el control del ruido y vibraciones. A modo de referencia se estima que se pueden conseguir reducciones en el nivel de vibraciones desde un 20 hasta un 50% y reducciones de ruido de entre 3 y 6 dBA.

Con estas estimaciones de reducción se puede asegurar el cumplimiento de la normativa específica de cada máquina y un aumento significativo de las horas diarias de trabajo por parte del mismo operario sin superar los límites permitidos de exposición diaria al ruido y a las vibraciones, con lo que se mejora de forma clara la competitividad del producto.

A medio plazo, resulta probable que el conocimiento en materiales inteligentes se desarrolle, y mejoren tanto en diseño y capacidad como en los procesos de fabricación, haciendo más asequible la tecnología. Como ya se ha comentado, los materiales reológicos apuntan a ser los que más posibilidades de implementación tienen en un plazo no muy largo, ya que el resto (agrupados en materiales de alto amortiguamiento) probablemente sigan teniendo costes excesivamente elevados.

A más largo plazo, se espera que tanto los nuevos materiales con propiedades mejoradas como los controles activos de vibraciones puedan resultar más competitivos. Los nuevos materiales podrán suponer mejoras en el aislamiento a ruido aéreo, ya que su elevado amortiguamiento servirá para reducir la transmisión y radiación de ruido en las frecuencias bajas y altas. También se prevé que los sistemas semiactivos y activos de vibración se comercialicen como soluciones integradas en tamaño y precio más reducido, por lo que podrán sustituir a los apoyos elásticos tradicionales y supondrán una mejora drástica en este aspecto. En cuanto al control activo de ruido, no se prevé tenga aplicación en el sector a excepción de la posible utilización en escapes combinados con silenciosos.

Los retos tecnológicos que se prevén en este caso (considerando que se han superado los relativos al corto plazo) serán principalmente la selección adecuada de los nuevos materiales y su incorporación a los procesos de fabricación y montaje en combinación con los materiales tradicionales manteniendo la competitividad económica del producto. También se prevé que la electrónica integrada y los sensores necesarios para los controles activos y semiactivos puedan presentar problemas para adaptarse a entornos de trabajo tan exigentes como a los que se encuentran sometidos los productos del sector.

Al igual que se ha comentado en el impacto a corto plazo, las reducciones de ruido y vibraciones que permitirán estas tecnologías será muy dependiente de la aplicación concreta y las limitaciones que presenten las soluciones pasivas y los materiales tradicionales. A modo de ejemplo, los asientos activos y semiactivos pueden aportar reducciones hasta un 30% sobre las soluciones pasivas con elementos neumáticos.

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