ABSORBENTES ACÚSTICOS MICROPERFORADOS DE ESQUELETO REFORZADO

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1 paper ID: 89/p.1 ABSORBENTES ACÚSTICOS MICROPERFORADOS DE ESQUELETO REFORZADO J. Pfretzshner, F. Simón, P. Cobo, M. Cuesta Instituto de Aústia, Serrano 144, 8006 Madrid España, RESUMEN: Es onoida la apaidad y apliabilidad de los paneles miroperforados (MPP) omo absorbentes aústios en aquellas situaiones en que, por razones de salubridad o limpieza extremas, no deben utilizarse materiales fibrosos que por su degradaión ontaminen el aire irundante. Los MPP utilizados hasta el momento atúan omo absorbentes aústios resonantes on amplio anho de banda (de una a dos otavas), presentando sus mejores araterístias uando el espesor del panel es similar al diámetro de los orifiios onstituyentes (del orden de 0.5 a 1mm). El anho de banda se puede inrementar disminuyendo el diámetro de los orifiios (déimas de milímetro) lo que ondue a paneles extremadamente livianos, en realidad pelíulas de muy reduido espesor y frágiles que es neesario proteger mediante adeuadas rejillas. Este trabajo presenta una alternativa original a estas pelíulas MPP a través de un nuevo onepto: Unidades de inserión miroperforadas (Miroperforated Insertion Units MIU) que inluyen rejillas submilimétrias (entre 5 µm y 0.5mm) que pueden insertarse fáilmente en ualquier superfiie refletante, onvirtiéndola en un absorbente on un espetro de absorión sintonizable a voluntad. Estos innovadores dispositivos (MIU) aventajan a los MPP tanto en araterístias aústias omo en failidad de ejeuión y preio. ABSTRACT: When porous materials annot be used as absorbers due to their polluting properties, MPP s an play their role. The MPPs used up to now at like broad band resonant absorbers (with one to two otaves), and they show optimal performanes when the thikness of the panel equals to the diameter of the onstituent orifies (of the order of 0,5 to 1mm). The bandwidth an be inreased diminishing the diameter of the orifies (tenth of millimeter) what leads to extremely light panels, in fat weak films of very redued thikness, that is neessary to protet by means of suitable grids. This work proposes an original alternative to these MPP films through a new onept: Miroperforated Insertion Units" (MIU) made up of submillimeter grids (between 5 µm and 0.5mm) inserted in a refleting surfae, so that they beome absorbers with tunable absorption spetrum. These innovative devies surpass the MPP in aousti harateristis both in exeution faility and prie. 1. INTRODUCCIÓN Los paneles aústios absorbentes miroperforados (MPP) fueros desarrollados en los años 60 por D. Y. Maa [1-3], on el propósito de obtener absorbentes aústios efiaes en aquellos ambientes en donde se desaonseja utilizar materiales fibrosos debido a efetos de salubridad o extrema limpieza omo es el aso de hospitales o salas blanas. Atualmente su apliaión se ha extendido a otros innumerables ampos, dado que requieren volúmenes muho menores que los materiales lásios presentando buenas apliaiones en la industria de la automoión y en espeial en el aso de absorbentes ativos [4]

2 paper ID: 89/p. Según Maa, un MPP onsiste en un panel on perforaiones submilimétrias (diámetros de 0.5 a 1 mm), que por si solo presenta una notable resistenia aústia on una baja reatania aústia lo que le onfiere araterístias de absorbente aústio de banda anha. Para su orreto funionamiento neesita de una avidad de aire posterior que es la que le onfiere su aráter de absorbente sintonizado tipo resonador. Si se desea inrementar el anho de banda de absorión puede reurrirse a la asoiaión en serie de dos o más MPP separados por una ierta distania alulable sin difiultad. Maa propone unas expresiones desriptivas del funionamiento de estos materiales que están basados en los trabajos pioneros de Crandall, enontrando para la impedania ompleja del MPP la siguiente expresión, en la que las magnitudes se han normalizado a la impedania araterístia del aire: Z z = = re + jω m (1) pρ siendo la parte real: re = 3η t pρ d x xd 3t y la parte imaginaria: ω t 1 d ω m = p x t 9 + (3) en las que los últimos términos de las llaves orresponden a los efetos de borde de los tubos apilares. La onstante de perforaión x se define a través de la expresión: x = r0 = r0 η f [ mm] (4) ρ ω 0 siendo: p el oefiiente de perforaión del MPP, ρ o la densidad del aire=1.1 kg/m 3 y η la visosidad dinámia del aire = Pa*s La impedania superfiial normalizada teniendo en uenta la avidad de aire es: Z s = z - jot(kd) = r e +j(ω m otg(ωd/)) (5) El oefiiente de reflexión R: Z S 1 R = (6) Z S + 1 y el oefiiente de absorión α lo podemos expresar omo (según onvenga): 4re α = 1 R ó α = (7) ω D (1 + re ) + ( ω m ot g ) La estrutura resonante formada por el panel perforado antepuesto a una avidad de aire de espesor D presenta un iruito elétrio equivalente omo el de la figura 1: ()

3 paper ID: 89/p.3 R M p i b d (p) i Z(D) t D Figura 1.Ciruito elétrio equivalente de un MPP El oefiiente de absorión de la euaión 7 depende de ino variables: f, d, t, p y D. Inrementar el espesor de la avidad de aire, D, produe un desplazamiento del máximo de absorión haia las bajas freuenias, y se obtiene un valor máximo del oefiiente de absorión (α=1) uando p 1%. En la bibliografía al uso se enuentra que las urvas de absorión orresponden a las típias de un iruito resonador; es deir absorión en bandas más o menos estrehas (del orden de una otava) entradas alrededor de una freuenia que depende fundamentalmente del valor de la avidad D. Si se redue drástiamente el diámetro de los agujeros en un fator 10 y a la vez se inrementa el oefiiente de perforaión en ese mismo fator, se puede expandir onsiderablemente el anho de banda de absorión (urva de la figura ): a b Coefiiente absorion Freuenia Hz Figura. Coefiiente de absorión de un MPP on una avidad de aire de 5 m: a(d=1.5mm, t=1mm, p=0.3%), b(d=0.5mm, t=1mm, p=1.8%), (d=0.05mm, t=0.05mm, p=3%),

4 paper ID: 89/p.4. UNIDADES DE INSERCIÓN MICROPERFORADAS Como se ha desrito anteriormente, se requieren paneles on un gran número de perforaiones submilimétrias (d 50µm) on objeto de inrementar de forma notable el espetro de absorión de un MPP (figura ). Esta ondiión implia reduir de manera apreiable el espesor del panel onvirtiéndolo prátiamente en una pelíula delgada que por su fragilidad deberá ser manipulada uidadosamente y protegida del exterior mediante una rejilla o similar. Además deberá fijarse a algún soporte adeuado on objeto de evitar sus vibraiones que onduirían a deterioros en su espetro de absorión. En los MPP las perforaiones están normalmente distribuidas en los nodos de una red regular, de forma que una unidad de la red multipliada por el diámetro del agujero da el oefiiente de perforaión, p, para un área determinada del panel. Teóriamente la posiión de los agujeros en el panel no juega ningún papel, pudiendo situarse en los nodos de una red o bien onentrarse en determinadas áreas del panel. La ombinaión de ambas estrategias ondujo a la idea de diseñar un panel on un espesor sufiiente para ser manipulado, on perforaiones sub-submilimétrias y adeuado oefiiente de perforaión on objeto de onduir a efiaes absorbentes de banda anha. La fabriaión de este tipo de paneles on perforaiones del orden de miras (40µm) no es senilla y resultaría muy ara debido a las difiultades inherentes. Sin embargo es relativamente fáil enontrar en el merado una gran variedad de mallas on esas dimensiones de luz, pero que presentan el inonveniente de tener elevados oefiientes de perforaión que las inhabilita omo absorbentes aústios. Si se ombina un panel de espesor adeuado, on mallas mirométrias dispuestas en un número adeuado de grandes perforaiones sobre el panel, puede obtenerse un exelente MPP, que hemos patentado on el nombre de MIU (Miroperforated Insertion Unit) [6]. El iruito elétrio equivalente de un MIU puede obtenerse a partir de la asoiaión en paralelo de dos MPP, figura 3, teniendo presente que la avidad entre ambos tiende a un espesor ero: R 1 M 1 R M p i b 1 b d 1 d (p) i x Z(D 1 ) Z(D) t 1 D 1 t D Figura 3 Ciruito elétrio equivalente de una unidad de inserión miroperforada MIU La figura 4 presenta dos ejemplos de implementaión prátia de este tipo de dispositivos.

5 paper ID: 89/p.5 Figura 4. Ejemplos de realizaión prátia de dos unidades de Inserión miroperforadas (MIU). La inferior permite sintonizar la avidad de aire detrás de la malla o velo aústio a la freuenia deseada. Como un ejemplo de la buena aproximaión entre los resultados experimentales y los orrespondientes teórios, en la figura 5 se presenta la urva de absorión de un MIU ompuesto por 8 agujeros de 6 mm de diámetro situados en una plaa de aluminio de 0.5 mm de espesor y ubiertos on una malla (omerial) de 36 µm de luz. Los resultados experimentales se han obtenido en un tubo de impedanias de 10 m de diámetro, razón por la ual la urva de absorión solo se explora hasta 1600 Hz Coefiiente absorion Freuenia Hz Figura 5 Curvas teória (trazo ontinuo) y experimental (puntos) de un MIU ompuesto por 8 agujeros de 6 mm de diámetro situados en una plaa de aluminio de 0.5 mm de espesor y ubiertos on una malla (omerial) de 36 µm de luz. Cavidad de aire 0 m.

6 paper ID: 89/p.6 3. CONCLUSIONES Se introdue y desribe un nuevo onepto de MPP, a través de la tenología MIU (en proeso de patente [6]) que permite el diseño y onstruión prátia de absorbentes aústios de gran anho de banda en una forma rápida y senilla de ejeuión. Las araterístias aústias de los MIUs son omparables a las de los MPP, permitiendo onvertir ualquier superfiie refletante en absorbente on espetros de absorión adaptables a ada neesidad. Dado que el espesor de las plaas portantes no neesita ser del mismo orden que el de las mallas o velos aústios empleados, los MIUs presentan unas propiedades meánias inalanzables on los MPP al uso. Además por su estabilidad meánia se pueden limpiar on métodos onvenionales del polvo o partíulas de suiedad que degradarían sus araterístias absorbentes. Su posible ampo de apliaión, no se limita al aondiionamiento aústio de loales sino que abara también el ontrol de ruido industrial e interior de vehíulos y transportes. AGRADECIMIENTOS Este trabajo se enmara dentro del proyeto de investigaión del PN I+D, Nº DPI , finaniado por el Ministerio de Cienia y Tenología BIBLIOGRAFIA [1] Maa, D.Y, Wide band sound absorber on miroperforated panels, Internoise 84 Pro.,1984, [] Maa, D.Y, Miroperforated panel wide band absorber, Noise Control Eng. J, Vol 9, 1987, [3] Maa, D. Y. Potenial of miroperforated panel absorber, J. Aoust. So. Am. 104 (5), 1998, [4] Pfretzshner, J., Cobo, P., Bote, D., Fernandez, A. and Doutres, O., Ative ontrol and miropeforated panels, Ata Austia united with Austia, Vol 89 (Pt.1), 144 [5] Kang, J., Fuhs, H.V., Prediting the absorption of open weave textiles and miroperforated membranes baked by an air spae, J. of Sound and Vibration, 0, (5), 1999, [6] J. Pfretzshner, P. Cobo, F. Simón Unidades de absorión miroperforadas para su uso omo absorbentes aústios. Patente Nº P (en trámite), 004