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Proyecto de optimización paramétrica de silenciador de motores

El objetivo del proyecto consiste en rediseñar un silenciador reactivo-disipativo de motores para optimizar la atenuación global del mismo en un rango de frecuencias de 16 a 2000 Hz. Dado que los silenciadores suelen presentar un máximo de atenuación a altas frecuencias impuesto por consideraciones acústicas, y dicho máximo se puede alcanzar si la disposición y la cantidad de material absorbente es la adecuada, los estudios realizados en este proyecto priorizarán la mejora de atenuación a bajas frecuencias.

El equipo a optimizar es un silenciador del tipo reactivo-disipativo, utilizado para atenuar el ruido generado por los gases de un motor de combustión. Se trata por tanto de un silenciador pensado para trabajar a altas temperaturas (200-500 ºC) y velocidades de gas moderadas (15-40 m/s). La geometría del silenciador es cilíndrica, la cual suele funcionar bastante bien para este tipo de aplicaciones.

Este silenciador consta de una parte reactiva (donde las discontinuidades geométricas producen la interferencia de unas ondas con otras) y otra parte disipativa (en la cual se usa material absorbente a través del cual la energía acústica se convierte en energía calorífica). Las cámaras reactivas son efectivas para atenuar el ruido de baja frecuencia, en tanto que las cámaras disipativas funcionan mejor para eliminar el ruido de alta frecuencia.

Concretamente, el silenciador que se va a mejorar cuenta con cinco cámaras, de las cuales cuatro son reactivas y una disipativa. Cabe destacar que todo el silenciador está construido en acero, a excepción del material absorbente, que es lana de roca. El modelo se parametriza según sus dimensiones principales.

Diámetro de entrada/salida
Diámetro núcleo
Diámetro interno/externo bafles
Diámetro interno/externo absorbente
Longitud de entrada/salida
Longitud cámara 1
Longitud cámara 2
Longitud cámara intermedia
Longitud cámara 3
Longitud cámara 4

La modificación optima de todas las realizadas en la cámara de expansión consistió en prolongar la tubería de entrada hacia el interior de la propia cámara. Esto introduce una nueva superficie de choque para las ondas sonoras dentro de esta cámara. Tras el análisis de resultados de esta modificación, se comprobó que ofrecía mayores valores de atenuación. En concreto, con la longitud de prolongación óptima, se mejoró la atenuación a baja frecuencia, aumentando el pico de máxima atenuación y desplazándose este ligeramente hacia una frecuencia inferior (desde la banda de 1000 hasta la de 500 Hz). En todas las bandas de octava analizadas se observó un comportamiento similar o mejor del modelo modificado, a excepción de la banda de 1000 Hz, motivado por el desplazamiento del pico de máxima atenuación. No obstante, esta disminución es claramente compensada con el correspondiente aumento a 500 Hz.

También se modificó la cámara reactiva, de forma que se sustituyeron las coronas perforadas por cinco conductos prolongados, perforados y lisos. Comparando el comportamiento acústico de estas modificaciones con el modelo original, se observó que el uso de tubos lisos presentaba una gran mejora en la atenuación a baja frecuencia, pero perjudicaba de manera importante la atenuación a alta frecuencia. La utilización de tubos perforados permitía alcanzar atenuaciones mucho mayores o similares a altas frecuencias, no obstante, reducía la atenuación en los valores de frecuencia más bajos.

Tras simular el modelo global del silenciador, se comprobó que el uso de tubos perforados era bastante más beneficioso que el uso de tubos lisos, pues las bajadas de atenuación que las perforaciones provocaban eran claramente compensadas con el resto del silenciador.

Finalmente se logra diseñar un silenciador que mejora la atenuación en todo el rango de baja frecuencia, manteniendo los valores máximos de disminución de ruido a alta frecuencia. Además, como en todo momento se ha mantenido el área de paso de aire a través de los conductos internos del equipo, la pérdida de carga apenas se ve afectada, presentando un valor muy similar al del modelo original.