Modelos numéricos de sistemas mecánicos para la mejora de la detectabilidad sonora de los vehículos silenciosos

Abstract

Los vehículos modernos reducen de forma progresiva sus emisiones sonoras, llegando a ser prácticamente silenciosos, como ocurre en el caso de los vehículos de tracción eléctrica. Esta ausencia de sonido, deseada a priori, ha provocado un aumento en el número de atropellos en comparación con los vehículos de combustión interna. Para solucionar la falta de detección sufrida por los diferentes usuarios de la vía, han surgido los Sistemas de Alerta Acústica de Vehículos (conocidos como AVAS). Estos sistemas están formados por diferentes distribuciones de altavoces montados sobre el vehículo, que emiten sonidos de advertencia para alertar a los peatones y ciclistas. Sin embargo, el uso indiscriminado de estos sonidos puede ser excesivo y molesto, por lo que no constituye una solución óptima para el problema. Ante esta situación, la presente Tesis Doctoral se ha desarrollado con el fin de mejorar la detectabilidad de la circulación de los vehículos silenciosos mediante alternativas a los sistemas existentes a través de la generación de herramientas de simulación sonora. En primer lugar, se ha establecido un modelo de predicción acústica capaz de simular el sonido producido por un par de engranajes cilíndricos rectos, que puede ser empleado como Sistema de Alerta Acústica Mecánica para Vehículos (nombrado como MAVAS). Esta propuesta trata de reproducir un sonido más cercano al sonido mecánico generado por un vehículo convencional. El modelo se ha validado en un banco de ensayos y se ha verificado la adecuación sonora de una combinación concreta de engranajes respecto a la legislación vigente. El segundo enfoque planteado consiste en estudiar a los vehículos silenciosos como una fuente generadora de ruido, que pueda ser empleada para garantizar la detectabilidad acústica a través de dispositivos externos situados sobre la calzada, en lugar de encontrarse embarcados sobre el propio vehículo. Inicialmente, se ha considerado únicamente el efecto reflectante de elementos con la tipología de resaltos reductores de velocidad sobre el ruido de rodadura. Para ello, se ha determinado la fuente sonora correspondiente a partir del modelo CNOSSOS, mientras que la propagación acústica y las reflexiones producidas sobre los resaltos se han analizado mediante el Método de los Elementos de Contorno (BEM). Sin embargo, los resultados obtenidos han indicado que no se puede modelizar acústicamente la circulación de un vehículo sobre un resalto teniendo en cuenta únicamente el efecto de la reflexión sonora. A continuación, se desarrolló un modelo de predicción sonora del ruido de impacto de un neumático al circular sobre una irregularidad de la calzada. Este modelo se compone de dos partes consecutivas y debidamente enlazadas: En primer lugar, se realiza un análisis dinámico en el dominio temporal mediante el Método de los Elementos Finitos (FEM) que permite obtener la vibración de la superficie del neumático. En segundo lugar, la vibración se utiliza como fuente sonora en un análisis de propagación en el dominio de la frecuencia mediante BEM. El punto de partida de dicho modelo consistió en establecer una situación más sencilla para determinar el ruido de impacto de un conjunto de neumático y llanta contra una superficie plana y reflectiva. Este modelo ha sido validado a partir de ensayos de caída libre de un neumático contra un firme rígido y liso. Para realizar estos ensayos, se utilizó una grúa adaptada para elevar el neumático y un array de micrófonos alojados en una estructura metálica ligera para registrar la señal sonora generada por el choque contra el suelo. Tras la comprobación del correcto funcionamiento del modelo reducido, este se extendió para adaptar su funcionalidad a condiciones de circulación de un vehículo sobre irregularidades. Para ello, se modelizó un cuarto de vehículo como un sistema de masa suspendida conectado al neumático a través de un sistema resorte ¿ amortiguador. Este modelo permitió analizar el ruido generado al impactar contra un bache o un resalto. Finalmente, se realizaron ensayos con un vehículo eléctrico real a diferentes velocidades de circulación sobre resaltos para cuantificar el nivel de presión sonora alcanzado. Durante los ensayos se utilizó una cámara acústica como instrumentación, lo que permitió localizar el mecanismo de generación sonora de ruido de impacto y validar de forma satisfactoria el modelo numérico de predicción.