ES2245240A1 - Unidades de insercion microperforadas para su uso como absorbentes acusticos. - Google Patents

Abstract

Unidades de inserción microperforadas para su uso como absorbentes acústicos. El objeto de la presente patente consiste en el diseño y realización de materiales y dispositivos absorbentes a una onda acústica alternativos a los materiales fibrosos o porosos y con características de absorción acústica análogas o superior a los materiales microperforados. Los dispositivos incorporan mallas o elementos acústicos similares con luces submilimétricas, pudiéndose insertar de manera sencilla, en las superficies expuestas a la onda sonora. Las características del espectro de absorción resultante dependen del adecuado diseño de los mismos: luz de la malla, número de elementos a insertar para una superficie de área determinada, tamaño de la cavidad posterior (con posibilidad de regulación individual), etc. Los dispositivos presentan excelentes propiedades mecánicas que permiten de forma sencilla su instalación y posterior limpieza sin pérdida de sus características acústicas, lo que les hacen idóneos para los tratamientos acústicos en los que la higiene, limpieza, y/o situaciones extraordinarias de uso son primordiales.

Description

Unidades de inserción microperforadas para su uso como absorbentes acústicos.

Sector de la técnica

Acústica, edificación, vehículos de transporte rodado y aéreo, ruido industrial, medio ambiente,....

Estado de la técnica

Para el acondicionamiento acústico de los más variados tipos de recintos, se utilizan normalmente materiales porosos o fibrosos capaces de absorber la energía acústica incidente indeseada en el margen de frecuencias medias y altas (aproximadamente a partir de 200 Hz).

En ciertos casos, este tipo de dispositivos realizados con estos materiales, que presentan superficies rugosas y de poros abiertos no son los mas apropiados ante requisitos de salubridad (se consideran carcinógenos y además absorbentes de todo tipo de polvo y bacterias) y/o de limpieza (cámaras blancas), así como en otros casos en que su presencia no debe ser relevante debiendo pasar lo más desapercibido posible siendo incluso transparentes ópticamente. En otras ocasiones se trata de acondicionar acústicamente espacios con extremados requisitos técnicos como son las toberas de los motores de aviación, etc., en donde los materiales acústicos absorbentes clásicos son inviables.

Ítem más, los absorbentes tradicionales mencionados anteriormente necesitan espesores relativamente grandes para absorber eficazmente en 1 as regiones del espectro acústico de bajas y medias frecuencias.

Por otra parte, el problema de la absorción en bajas frecuencias ha sufrido un importante incremento durante los últimos años no solo en los campos de la acústica arquitectónica y de la edificación, sino también en el control del ruido. Así como las frecuencias medias y altas del espectro de ruido se pueden controlar por medio de los silenciadores porosos clásicos, en muy bajas frecuencias, estos silenciadores requieren unos grandes espesores de las cubiertas acústicas, con lo que además ello supone pérdidas de caudal en la rugosidad del tratamiento.

Por tanto, resultaría ideal la consecución de un material absorbente libre de materiales porosos o fibrosos, que produjera unas altas pérdidas de inserción en el rango de muy bajas frecuencias, bien en forma pasiva o activa mediante la inserción de un sistema de Control Activo del Ruido CAR. A su vez es deseable una alta estabilidad y limpieza del mismo sin menoscabo de sus propiedades acústicas.

La mayoría de los sistemas absorbentes anteriores se fundamentan en la utilización de paneles microperforados como los propuestos teóricamente por D.Y. Maa desde los años 80 del pasado siglo (D.Y. Maa, Potential of
microperforated panel absorbers, J. Acoust. Soc. Am. 104 (5), Nov 1998, 2861-2866).

En este tipo de paneles, la absorción acústica es una consecuencia de la resistencia acústica al flujo de aire del sistema (fundamentalmente de tipo reactivo) y una baja reactancia de masa. En los materiales microperforados
(Microperforated Panels MPP), las pérdidas energéticas son debidas a los efectos de los gradientes térmicos y viscosos que se producen en las perforaciones al paso de la onda acústica, actuando en este caso fundamentalmente la parte resistiva de la impedancia acústica característica del material.

La banda de frecuencias de absorción sonora en un determinado panel microperforado depende esencialmente del diámetro de las perforaciones, del espesor del panel, del porcentaje de perforación del mismo (área total de las perforaciones / área de la superficie del panel), así como del espacio de aire encerrado entre el panel y la estructura rígida posterior en la que se apoya.

Desde los años 90 se vienen empleando con éxito este tipo de absorbentes en ciertas construcciones y situaciones restringidas en las que la utilización de los materiales absorbentes clásicos son inviables por causas técnicas o de salubridad.

Las principales restricciones de estos absorbentes acústicos son sus costes debidos a la dificultad de perforar las mas variadas superficies y materiales (metal, vidrio, metacrilatos, cerámicas, etc.) con agujeros cuyos diámetros son submilimétricos, que pueden variar entre 0.06 mm hasta 1 mm, con porcentajes de perforación variables entre el 1 y 30%, lo que comportaría en muchas ocasiones cientos de perforaciones por decímetro cuadrado, o bien en el caso de láminas flexibles, la necesidad de utilizar una cubierta protectora a su vez también perforada.

En la actualidad el uso de paneles microperforados se ha limitado a paneles para confeccionar falsos techos con propiedades acústicas absorbentes, que entre sus ventajas incluyen: disminución de riesgos en recintos con altas condiciones de salubridad; posibilidades de limpieza; sensibilidad mecánica durante el montaje e instalación; efectos fisiológicos debidos a la abrasión y dispersión de las fibras, etc.

En este sentido, sólo hemos encontrado las siguientes patentes en la oficina de patentes de EEUU.:

1.

Pat. N° 6.617.002 Microperforated polymeric film for sound absorption and sound absorber using same.

2.

Pat. N° 6.598.701 Shaped microperforated polymeric film sound absorbers and methods of manufacturing the same

3.

Pat. N° 5.740.649 False ceiling (1998), Fuchs et al.

En todas ellas se trata de las características absorbentes de falsos techos realizados a partir de películas plásticas muy delgadas microperforadas, mostrando su idoneidad como materiales acústicos absorbentes de banda ancha carentes de materiales fibrosos (lanas minerales, etc.) que son perjudiciales para la salud.

4.

Patente internacional WO 02/03375 Al (10.01.2002) "Shaped microperforated polymeric film sound absorbers and methods of manufacturing the same" de K.B. Word y P.A. Martinson, en la que se describen las propiedades acústicas absorbentes de una película fina de plástico y el proceso para su fabricación. La patente incluye las gráficas de los espectros de absorción acústica obtenibles con este procedimiento.

En todas ellas, las películas son del orden de las 100 \mum, lo que realmente constituye un handicap frente a su resistencia a agentes exteriores (fácil ruptura, manejo delicado dificultad de limpieza dado que estos poros se colmatan rápidamente con el polvo ambiental, etc.), además de su fragilidad mecánica.

Se debe hacer notar que las curvas de absorción acústica en función de la frecuencia que se obtienen con el procedimiento reivindicado en la presente patente son perfectamente equivalentes a las propugnadas por los mencionados autores.

Descripción de la invención Breve descripción de la invención

El principio de funcionamiento de un panel acústico microperforado consiste en obtener una resistividad al flujo de aire adecuada a través de un determinado número de perforaciones con diámetros inferiores a 1 mm. y porcentajes de perforación en el orden del 1-10%. Detrás del panel se debe disponer de una cavidad de aire que actúa en estas condiciones como un sistema vibrante masa - muelle capaz de absorber una banda relativamente ancha de frecuencias de la energía acústica incidente. Dicha banda de frecuencias puede ampliarse convenientemente sin más que disponer en paralelo de varios paneles con espacios intermedios de aire calculados ad hoc. También pueden obtenerse una ampliación de la banda de frecuencias a absorber sin más que curvar suavemente el panel microperforado o la pared que constituye la cavidad de aire.

En particular, la selección de la configuración de los agujeros (diámetro y número) no solo determina el margen de frecuencias a absorber sino también la eficacia de los absorbentes en ese rango.

Los paneles pueden ser rígidos, en cuyo caso se debe aplicar las teorías de Maa; pero también pueden ser flexibles, debiendo tener en cuenta esta situación en el cálculo de vibraciones inducidas por membranas, que dan lugar a una absorción suplementaria.

En todas estas situaciones se requiere disponer de sofisticadas tecnologías para perforar los paneles de los más variadas constituciones, operaciones que resultan caras dado que se trata de situaciones muy específicas y que en el caso de estos agujeros submilimétricos deben recurrirse a perforadoras especiales, láser, chorros de agua a presión etc., que dependerán del tipo de material a taladrar.

La situación anterior quizá es la responsable del uso restringido de este tipo de materiales.

Parecería muy conveniente reemplazar esta complicada tecnología por un sistema de sencilla aplicación que facilite la realización a priori del material de partida, o bien acondicionar a posteriori el tratamiento de superficies ya implementadas, en aras de un incremento controlado de su absorción acústica.

El presente invento consiste en el diseño y construcción de unos pequeños dispositivos mecánicos (MIUs) que pueden insertarse de manera muy fácil y cómoda en cualquier panel que recubra una superficie mas o menos reflectante (separado de la misma un cierto espacio) de tal forma que permita su transformación en un dispositivo absorbente al sonido incidente sobre el mismo.

Este tipo de paneles, así tratados, son de aplicación tanto en recintos de uso público o privado (acústica de la edificación, salas de conferencias y conciertos, ...); también pueden ser de gran aplicación en vehículos (techos de automóviles, cabinas de aviones, ...), en recintos donde la limpieza juega un papel fundamental (habitaciones hospitalarias, quirófanos, salas de preparación de alimentos, cámaras blancas de investigación microelectrónica, ...), etc, ya que pueden limpiarse con detergentes u otros medios antibacterianos

Presenta la ventaja de su escaso peso y volumen frente a materiales fibrosos, lo que permite desarrollar dispositivos CAR de reducidos espesores, de vital importancia en donde la utilización del volumen y espacio juega un papel primordial en el diseño de un recinto, habitáculo, etc.

En los paneles microperforados clásicos, normalmente la distribución de las perforaciones se realiza de forma regular sobre la totalidad de la superficie considerada hasta alcanzar el porcentaje de perforación adecuado al diámetro de los agujeros, espacio de aire posterior y amplitud y frecuencia de la banda central del espectro a absorber.

Por el contrario, y según los estudios realizados por los autores, la distribución regular de perforaciones submilimétricas puede sustituirse por pequeñas distribuciones de perforaciones concentradas y separadas entre sí en mayores intervalos, de forma que el resultado de los espectros de absorción sean exactamente equivalentes en ambos casos.

Los films realizados con polímeros perforados, de perforaciones del orden de 4 a 20 mils (100 \mum – 0.5 mm) pueden colmatarse con la suciedad, polvo etc. especialmente para los diámetros menores, y dada la extrema delgadez del film (50 \mum típica) su limpieza resulta altamente dificultosa, en el caso que pueda efectuarse.

Otro aspecto a destacar es que en los MPP la máxima eficacia de los mismos se obtiene cuando el espesor del panel es idéntico al diámetro de las perforaciones, mientras que en los MIU propuestos la absorción total no varia fundamentalmente aunque el espesor del panel se incremente en un factor diez, lo que permite la inserción de los dispositivos en casi cualquier tipo de panel o cubierta.

La invención es susceptible de varias modificaciones y formas alternativas por lo que los dibujos y explicaciones que se incluyen en esta patente son a guisa de ejemplo. Se debe entender que la intención de éstos, no se limita a los ejemplos descritos, sino todo lo contrario; la intención es cubrir todas las modificaciones, equivalencias y alternativas que concuerdan con el espíritu y propósito de la invención como se define en las reivindicaciones.

Descripción detallada de la invención

El objeto del presente invento consiste en simplificar y abaratar los sistemas acústicos absorbentes alternativos basados en la utilización de superficies conformadas con poros submilimétricos.

También permite sustituir el mallado de perforaciones requerido (conjunto de perforaciones generalmente formando una cuadrícula), al objeto de tener el coeficiente de perforación necesario (usualmente menor del 10%), sobre toda la superficie absorbente, por otro mallado de celda unitaria de dimensiones notablemente mayores, en las que en sus nudos se concentraría un conjunto de poros submilimétricos, calculados de forma tal que su porcentaje de perforación resultante sea equivalente al anterior.

Ello se consigue sustituyendo el complicado proceso de perforación submilimétrica de múltiples perforaciones, (que requiere en general de una sofisticada alta tecnología), por un número mucho menor de perforaciones con diámetros dentro del rango de los milímetros o centímetros; perforaciones que posteriormente se cubren con mallas submilimétricas de fácil adquisición (y coste reducido) en el mercado industrial.

Existen mallados que van desde las 25 \mum hasta e 1 mm de luz, y con ellos pueden conformarse dispositivos como los de las figuras 1 y 2 con los que se cubrirán los agujeros perforados sobre el material de partida, o bien sobre los recubrimientos existentes como sucede con los falsos techos de escayola, paneles laterales o perimetrales en recintos y capotajes para el aislamiento al ruido en maquinarias, paneles en aviones y vehículos automotores (coches camiones, etc), separaciones transparentes (al modo de paramentos de vidrio) en recintos, en los que se desee mantener una distribución paisajista.

En el terreno industrial, estos dispositivos pueden disponerse en el interior de silenciadores y reductores del nivel sonoro.

La figura 3 esquematiza el principio de funcionamiento del invento: se trata fundamentalmente de sustituir el panel perforado de la izquierda (fig. 3a) de numerosas perforaciones submilimétricas, de costosa y sofisticada tecnología cuando éste deba ser metálico, cerámico, de vidrio etc., por el de la derecha (fig. 3b) en el que un reducido número de grandes perforaciones cubiertas con una malla (metálica, plástica, etc.) cuya luz sea equivalente al diámetro de las perforaciones de la fig. 3a y de forma que el porcentaje de perforación proporcionado por la totalidad de estas "unidades de inserción microperforadas" (MIU - Microperforated Insertion Units) equivalga al de la primera situación (figura 3a).

Las figuras 1 y 2 muestran ejemplos de fijación de las mallas a las placas o superficies a tratar.

La disposición de la figura 1b es idónea cuando la superficie a acondicionar acústicamente es de reducidos espesores, como es el caso de una plancha metálica de espesor inferior al milímetro, o bien cubiertas premoldeadas de tejidos o plásticos impermeables al flujo de aire utilizados en cabinas de vehículos, etc. El caso de la figura 1c está especialmente diseñado cuando la superficie a tratar es flácida como por ejemplo telas plásticas de recubrimiento de interiores. En estos casos la malla submilimétrica va adherida a una corona circular adhesiva que puede pegarse sobre los agujeros practicados en la cubierta.

La disposición de la figura 2 es aplicable al caso de paneles de espesores apreciables, como falsos techos de escayola, paneles verticales de separación parcial de recintos, mamparas pantallas etc., en los que el cuello de la "MIU" queda embutido en los alojamientos de las perforaciones realizadas previamente en los paneles. En este caso la longitud de la cavidad puede regularse mediante el cilindro inferior que tiene cerrado una de sus bases, lo que permite sintonizar la frecuencia de resonancia del sistema. Distintas longitudes permitirán conformar espectros de anchura de banda controlada, a través de una adecuada selección de las respectivas frecuencias de resonan-
cia.

Eventualmente, las "MIUs" de la figura 1 pueden ser instaladas en paneles delgados o muy delgados, si se dispone de un dispositivo remachador, al modo y forma de los utilizados en los cierres automáticos de prendas de vestir, en donde el extremo inferior del cilindro se abre y pliega sobre el panel o tejido.

Merece la pena insistir en que la figura 2 presenta el caso en el que las MIUs se instalan en espacios cuyas cavidades sean de gran magnitud (falsos techos, paneles verticales de separación parcial, etc.) y dificulten la sintonización de la banda de frecuencias deseada. El cilindro cerrado móvil puede desplazarse de forma que se pueda ajustar la cavidad de aire posterior al valor deseado. El ancho de banda total de absorción puede incrementarse notablemente y adaptarlo a las distintas condiciones de ruido ambiente a paliar, sin más que sintonizar por grupos los distintos MIUs, variando adecuadamente la longitud de los cilindros que conforman las cavidades.

Descripción detallada de las figuras

Figura 1a-1. Planta de un MIU sobre una placa portante en la que se ha practicado una perforación que se recubre con una malla submilimétrica.

Figura 1a-2. Corte de un MIU sobre una placa portante en la que se ha practicado una perforación que se recubre con una malla submilimétrica.

Figura 1b. Piezas de fijación de la malla submilimétrica (a intercalar entre ambas) en modo de un "automático" en la perforación practicada en la placa portante.

Figura 1c. Cuando la placa portante es muy delgada puede ser adecuado fijar la malla mediante una corona circular adhesiva.

Figura 2. MIU cuyo máximo de absorción de frecuencias del espectro puede sintonizarse variando la longitud de la cavidad mediante el adecuado desplazamiento del tubo cerrado.

Figura 3a. Panel microperforado por cientos de agujeros o miles de perforaciones submilimétricas.

Figura 3b. MIU con espectro de absorción equivalente al conseguido según el modelo 3a.

Figura 4.- En trazo continuo se presenta la variación del coeficiente de absorción acústica en función de la frecuencia, obtenido experimentalmente en un tubo de ondas estacionarias, de un MIU formado por una placa de 0.5 mm de espesor y 30 mm de diámetro con un agujero de 5 mm de diámetro cubierto con una malla de 100 \mum de luz, dando como resultado un coeficiente de perforación de 0.81%. Cavidad de 5 cm de aire entre el MIU y el fondo rígido del tubo de ondas estacionarias.

En línea de trazos se presenta el espectro de absorción calculado teóricamente para los parámetros del MIU descritos anteriormente.

En línea de puntos se presenta el resultado teórico correspondiente a un microperforado tradicional con un espectro de absorción equivalente que se conseguiría a partir de un microperforado con 6 agujeros por cm^{2} con un diámetro de 0.25 mm y un espesor de panel de 0.2 mm sobre la misma cavidad de 5 cm.

Figura 5.- En trazo continuo se presenta la variación del coeficiente de absorción acústica en función de la frecuencia, obtenido experimentalmente en un tubo de ondas estacionarias, de un MIU formado por una placa de 0.5 mm de espesor y 100 mm de diámetro con 28 agujeros de 6 mm de diámetro cubiertos con una malla de 35 \mum de luz, dando como resultado un coeficiente de perforación de 1.31%. Cavidad de 20 cm de aire entre el MIU y el fondo rígido del tubo de ondas estacionarias.

En línea de puntos se presenta el espectro de absorción calculado teóricamente para los parámetros del MIU descritos anteriormente.

En línea de trazos se presenta el resultado teórico correspondiente a un microperforado tradicional con un espectro de absorción equivalente que se conseguiría a partir de un microperforado con 13712 agujeros por cm^{2} con un diámetro de 35 \mum y un espesor de panel de 35 \mum sobre la misma cavidad de 20 cm.

Ejemplo de realización de la invención

En los siguientes ejemplos (figuras 4, 5) se presentan los espectros de absorción obtenidos con diferentes dispositivos medidos experimentalmente en un tubo de impedancias (tubo de Kundt), según el procedimiento normalizado en la Norma ISO 10534 Part. 1 / 2 "Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes".

La absorción así medida, corresponde a incidencia acústica normal sobre la superficie de la muestra, cuyos resultados mostrarán un espectro de absorción con un máximo (que depende de las características del material microperforado, y de la cavidad de aire entre éste y la pared rígida del tubo) seguido de un mínimo repitiéndose esta secuencia para frecuencias superiores de la señal de excitación.

Típicamente se desea que la campana del primer máximo de absorción sea lo más amplia posible, que su valor máximo alcance valores del coeficiente de absorción \alpha\approx1 y que en las frecuencias inferiores y superiores a la correspondiente \alpha\approx1 en los que el coeficiente de absorción toma valores de 0.4, estén separados en el mayor intervalo posible, como ocurre en el caso de la figura 5.

Hemos desarrollado una serie de algoritmos matemáticos de predicción de resultados de la absorción a conseguir (magnitud y espectro en frecuencia) que deben utilizarse para el diseño de los MIUs ante una situación de ruido determinada.

En las figuras se muestra en trazo continuo los resultados experimentales medidos en tubo de impedancias, en línea de puntos los valores teóricos calculados con la teoría desarrollada para este propósito, y en línea de trazos la absorción acústica correspondiente al MPP de realización tradicional.

Claims (5)

1. Una unidad de inserción microperforada, MIU, para su uso como absorbente acústico, compuesto por un dispositivo portante adhesivo, del tipo film, que sujeta una malla con una luz submilimétrica con un número determinado de hilos por unidad de superficie y cuyas superficies abiertas (luces) varían entre 25 \mum y 0.5 mm.

Estas unidades especialmente diseñadas para paneles ligeros o muy delgados, normalmente presentan un perímetro circular, pero pueden presentar superficies cuadradas o de cualquier tipo. Normalmente el porcentaje de perforación de la totalidad de las MIUs dispuestas sobre la superficie a tratar debe alcanzar valores entre el 0.5 y 10% y en las que el espectro de absorción acústica total resultante puede calcularse a través de los procedimientos conocidos de la técnica (ver artículo de D.Y. Maa, por ejemplo), en función del espesor de la cavidad de aire, luz de la malla, espesor de la misma y porcentaje de perforación.

2. Un MIU con las características y funciones de la reivindicación 1, realizada a partir de dispositivos tubulares como los de la figura 2, capaces de ser insertados en paneles gruesos (yesos, maderas, chapas metálicas, ...). Estos dispositivos pueden tener cualquier otra sección (cuadrada, hexagonal, ...) que se adapte a la estética del emplazamiento.

3. Ídem de la reivindicación 2, pero pueden insertarse en una superficie delgada (tejidos, chapas finas, películas delgadas, etc.) por remachado de la superficie tubular libre (extremo opuesto al que contiene la malla).

4. Ídem de las 1, 2 y 3, con las mallas que pueden ser: metálicas, de nylon, o cualquier otro material que cumpla las funciones y finalidades necesarias incluyendo colores para el caso de tener en cuenta aspectos decorativos.

5. La utilización de estos dispositivos en los sistemas de control activo CAR, con los que se permite una notable absorción acústica en el rango de muy bajas frecuencias con espesores totales muy reducidos frente a los necesarios cuando se emplean materiales absorbentes tradicionales en los que se utilizan materiales porosos.