Composites con reciclados para la mejora del aislamiento acústico

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA ESCUELA POLITECNICA SUPERIOR DE GANDIA Master en Ingeniería Acústica “COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO” TESIS DE MASTER Autor: Miguel Iglesias Ortiz-Quintana Director/es: D. Jesús Alba Fernández Romina Mª Del Rey Tormos GANDIA, 2010  Autor: Miguel Iglesias Ortiz-Quintana email: [email protected]pv.es Fecha de entrega: 03/12/2010 RESUMEN Los materiales tipo composite, son una fuente de grandes avances en nuestros días, a su vez pueden llegar a ser una gran herramienta para mejorar el medio ambiente, debido a que gracias a ellos se pueden buscar maneras de reciclar desechos derivados de las cadenas de producción de diferentes tipos de industrias como pueden ser la industria plástica, textil o maderera, consiguiendo nuevos materiales con mejores comportamientos y características acústicas, a la vez que se disminuye el coste económico de las materias primas debido a la procedencia de las mismas. El ahorro aún es mayor si se consigue la transformación de un residuo industrial en un material útil para la sociedad y a su vez se elimina el gasto energético y económico que conlleva la destrucción de dichos residuos y los perjuicios que ello conlleva sobre el medio ambiente. Toda la investigación se desarrolla para estudiar el comportamiento acústico de tres familias de materiales desde diferentes puntos de vista; como elementos aislantes acústicos de una sola capa, como elementos aislantes acústicos de doble sola capa y como combinación de absorbente acústico (panel perforado) - aislante acústico. ABSTRACT Composite materials are a source of great advances in our days, in turn they can become a great tool for improving the environment, cause with them we can find ways to recycle wastes from the production lines of different industries types such as plastic, textile and wood, obtaining new materials with improved acoustical behaviour, while decreasing the economic costs of materials due to the origin of them. The savings are even greater if you get the transformation of industrial waste into useful materials for society and in turn eliminate the economic and energy expenditure leading who involve the destruction of such wastes and the damage implied to the environment. All research is developed to study the acoustical behavior of three materials families from different points of view; as elements of a single acoustic insulating layer, as insulating of a double layer acoustic element and as a combination of acoustic absorber (pegboard) - acoustic insulation. _____________________________________________________________ Palabras clave: Aislamiento acústico, absorbente acústico, aislante acústico, fibra de vidrio, fibra de poliéster, polipropileno, composite, reciclado. Keywords: Sound insulation, sound absorption, sound insulation, glass fiber, polyester fiber, polypropylene, composite, recycled.  Autor: Miguel Iglesias Ortiz-Quintana email: [email protected]pv.es Fecha de entrega: 03/12/2010 AGRADECIMIENTOS En esta memoria de Tesina final de master quiero agradecer el esfuerzo, comprensión y apoyo que he tenido por parte de todos los compañeros implicados durante las diferentes fases del proceso de investigación. Quiero agradecer en primer lugar a Jesús Alba, mi director de Tesis, el haberme introducido en el campo de los materiales reciclados para su uso en el mundo de la Acústica, el haberme transmitidos tantos conocimientos teóricos en dicha materia y el haberme guiado en los momentos en los que no veía el final del camino. A Romina Mª Del Rey Tormos, por su labor realizando las mediciones en laboratorio con rigurosa transparencia y buenas prácticas. Al grupo de investigación de Girona por la fabricación de las diferentes muestras sin las cuales no habría sido posible este trabajo. Al Departamento de Física Aplicada, por estar siempre dispuestos a resolver tanto dudas docentes como guiarte en el mundo laboral. A mis compañeros de la Escuela Politécnica Superior de Gandia, darles las gracias por haber creado esa gran familia que somos. Y por último y no menos importante a mi familia por todo el apoyo y confianza prestado durante este tiempo.  ÍNDICE I.- OBJETO Y ANTECEDENTES....................................................................................1 I.1.- INTRODUCCIÓN................................................................................................1 I.2.- OBJETIVOS........................................................................................................3 I.3.- ESTRUCTURA DE LA TESINA..........................................................................4 II.- INTRODUCCIÓN TEÓRICA......................................................................................5 II.1.- TÉCNICAS.........................................................................................................5 II.2.- MODELO DE SIMULACIÓN............................................................................17 II.2.1.- MODELO DE OKURA & SAITO PARA ATENUACIÓN EN PAREDES MÚLTIPLES, COINCIDENCIA ALEATORIA. ........................................17 III.- DESARROLLO.......................................................................................................22 III.1.- FÍSICA ACÚSTICA: ABSORCIÓN, IMPEDANCIA Y RESISTENCIA [1][2]....22 III.2.- FÍSICA MECÁNICA: MODULO DE YOUNG, POISSON................................26 III.3.- AISLAMIENTO ACÚSTICO ............................................................................27 III.4.- REGRESIÓN ..................................................................................................37 IV.- CONCLUSIONES ..................................................................................................38 V.- FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN ..............................................................40 REFERENCIAS ............................................................................................................41 ANEXO I .......................................................................................................................43 RESUMEN......................................................................................................................3 ABSTRACT.....................................................................................................................3 AGRADECIMIENTOS.....................................................................................................5 COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 1 I.- OBJETO Y ANTECEDENTES I.1.- INTRODUCCIÓN El aislamiento acústico es uno de los grandes problemas que en la actualidad se plantean en la edificación. Las fuentes de ruido son cada vez más numerosas y generan niveles mayores de ruido tanto en el interior como en el exterior de las edificaciones. El número de estas fuentes de ruido en el interior de los edificios se ha incrementado debido a la aparición de nuevas tecnologías como pueden ser: los electrodomésticos tipo lavavajillas, lavadoras, sistemas de extracción de humos. Algunos de los cuales directamente disponen de salidas al exterior de las viviendas, lo cual contribuye a aumentar la contaminación acústica hacia los ambientes exteriores de las edificaciones. A la par, cada vez son más utilizados los equipos de reproducción sonora tipo mini cadenas musicales y televisores, los cuales han aumentado en tamaño, calidad y en consecuencia en potencia acústica emitida, además no debemos olvidar los sistemas de aire acondicionado tan comúnmente utilizados en nuestros días, los cuales disponen de maquinaria ruidosa ubicada en el exterior de las edificaciones, etc. Al mismo tiempo que han ido evolucionando e incrementándose las fuentes de ruido en el interior y exterior de las edificaciones, se han aumentado las exigencias de confort del ciudadano, mediante el desarrollo legislativo que se ha llevado a cabo en los últimos años, con la publicación del Reglamento de la Ley del Ruido y el Documento Básico de Protección Frente al Ruido del Código Técnico de la Edificación. Esta normativa trata de reducir el nivel máximo de inmisión en las edificaciones, para de esta manera, reducir el efecto del ruido en la salud de las personas. Dichas normativas han evolucionado y han incorporado elementos o herramientas que permiten distinguir entre diferentes tipos de recintos, para dotar de un mayor nivel de protección a aquellos utilizados como estancias de descanso o de trabajo, por dicho motivo se deben diseñar diferentes tipos de soluciones que permitan optimizar el confort según su uso. El objetivo general de este trabajo, que se presenta para su evaluación como tesina final de master, es el estudio de la mejora del aislamiento acústico a ruido aéreo de nuevos materiales tipo Composite, mediante la incorporación de tres tipos de fibras textiles; fibra de vidrio, fibra de poliéster y polipropileno, sobre un elemento base compuesto por plástico, consiguiendo un refuerzo del material y una mejora en su elasticidad. A su vez, se realizaron estudios para determinar la mejora que se conseguía utilizando un elemento compatibilizante que optimizara la unión y la respuesta mecánica entre el elemento base y las fibras. 8 Fig. 4: Imagen altavoz y caja envolvente en laboratorio. El generador y procesador de señales, deben cumplir con las siguientes especificaciones: ‐ Estos instrumentos son necesarios para poder producir la señal y obtener los resultados. Para la realización de este proyecto se ha utilizado el symphonie que realiza ambas funciones. ‐ El generador debe emitir una señal estacionaria con densidad espectral plana. ‐ El procesador debe medir presión acústica en dos posiciones de micro y tener la opción de calcular la función de transferencia. La muestra de ensayo se monta en uno de los extremos de un tubo de impedancia recto, rígido, liso y estanco. Se generan ondas planas en el tubo mediante una fuente sonora (aleatoria, de secuencia pseudo-aleatoria o de trinos), y se miden las presiones acústicas en dos posiciones cercanas a la muestra. Se determina la función de transferencia acústica compleja de las señales en los dos micrófonos, que se usa para calcular el coeficiente de reflexión complejo para incidencia normal, el coeficiente de absorción para incidencia normal, y la impedancia normalizada del material en ensayo. Las magnitudes se determinan como funciones de la frecuencia, con una resolución en frecuencia condicionada por la frecuencia de muestreo y la longitud de la señal del sistema digital de análisis de frecuencia usado para las mediciones. El rango de frecuencia útil depende del ancho del tubo y de la distancia entre las dos posiciones microfónicas. Se puede obtener un rango de frecuencia extendido combinando las mediciones con diferentes anchos y espaciados. Las mediciones pueden realizarse usando una de las dos técnicas: 1: método de los dos micrófonos (usando dos micrófonos en posiciones fijas); COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 9 2: método de un micrófono (usando un micrófono sucesivamente en dos posiciones). Técnica 1: Necesita un procedimiento de corrección previo o simultáneo al ensayo para minimizar las diferencias en las características de amplitud y fase entre los dos micrófonos; no obstante combina rapidez, gran precisión y sencillez de implementación. Se recomiendo esta técnica para fines generales. Técnica 2: Requiere generación y procesado particulares y puede implicar más tiempo, no obstante elimina las diferencias de fase entre los micrófonos y permite un posicionado óptimo a cualquier frecuencia. En este caso se han realizado las mediciones en laboratorio siguiendo la técnica 1. A continuación se detallan los cálculos previos al montaje y medición. La normativa especifica la distancia que deben guardar entre si mismos los micrófonos. Esta dependerá de la frecuencia de trabajo más alta del tubo, que a su vez depende del diámetro interior d y de la velocidad del sonido c0. A continuación se muestran las fórmulas para obtener estas distancias. La condición para fu es: 0 58,0;58,0 cdfd uu < ⋅ < λ (II.1_1) Donde: fu (Hz): es la frecuencia de trabajo más alta del tubo, es importante su elección para que así no se produzcan modos de propagación de ondas no planas. d (m): es el diámetro interior del tubo. Una vez se tiene fu, es hora de sacar la distancia entre micros (s), en metros, de la siguiente manera: 0 45,0 csfu<⋅ (II.1_2) Otra de las distancias que se deben calcular será la distancia que existe entre el micro más cercano a la muestra y esta. Esta distancia dependerá básicamente del tipo de muestra a ensayar: - si no hay elementos de estructura: 1/2diámetro o 1/2dimensión lateral máxima - si la estructura es semilateral: 1 diámetro o 1 dimensión lateral máxima - si es fuertemente asimétrica: 2diámetros o 2 veces la dimensión lateral máxima La distancia entre el altavoz y los micros, como se ha nombrado antes, tiene que ser solo lo suficiente larga para que las ondas que lleguen a los micros sean planas. Cumpliendo las distancias el montaje se verá de la siguiente manera: 10 Fig. 5: Método de montaje (Técnica 1) A continuación se muestra un diagrama explicativo de la conexión realizada con los instrumentos nombrados anteriormente: Fig. 6: diagrama de conexionado (Norma ISO 10534-2) Comprobaciones previas según anexo A de la norma 10534-2: Estas mediciones y ensayos preliminares se realizan para eliminar fuentes de error y poder satisfacer las exigencias mínimas. ‐ El altavoz debe encenderse diez minutos antes de empezar a medir para que las ondas se estabilicen. ‐ Los micrófonos deben calibrarse al inicio, se debe repetir varias veces su calibración si se van a realizar varias mediciones, para determinar su centro acústico y realizar las correspondientes correcciones por atenuación. ‐ Se debe tomar registro de la temperatura a la que está el tubo para asegurar constancia mientras se realizan las medidas. COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 11 ‐ Durante el montaje se debe cuidar la colocación de la muestra, no debe estar abombada y su cara anterior debe estar en el plano normal al eje del tubo. ‐ Se deben utilizar como mínimo dos muestras diferentes de cada material que se desee ensayar o un número mayor si la muestra no es uniforme ‐ Todos los ensayos deben realizarse bajo las mismas condiciones. En las mediciones llevadas a cabo para esta tesina se han realizado los ensayo con tres muestras para asegurar óptimos resultados, o en conclusión, tenga menor probabilidad de error. ‐ Al comienzo de las mediciones se debe especificar el plano de referencia, que normalmente debe coincidir con la superficie de la muestra. ‐ Determinar la velocidad del sonido, la longitud de onda y la impedancia característica. ‐ Se debe especificar la amplitud de la señal de entrada, que debe elegirse por lo menos 10dB mayor que el ruido de fondo. ‐ Se debe elegir el número de promediados necesario, el cual dependerá del material que se este midiendo y de la precisión requerida para el cálculo de la función de transferencia. ‐ Uno de los puntos más importantes es la corrección por desajuste entre los micrófonos, el cual se debe tener en cuenta durante todo el ensayo. Al utilizar el método de los dos micrófonos (técnica 1) para el ensayo, se puede usar alguno de los siguientes procedimientos: 1.- Medición repetida con los micrófonos intercambiados: Consistente en el intercambio de los canales para cada medida, es decir, para cada muestra se realizan dos medidas, una con los micrófonos en una posición y otra intercambiándolos. Así obtendremos dos funciones de transferencia H12 y H21. NOTA: Al intercambiar los micrófonos, estos no deben ser desconectados ni del preamplificador ni del analizador de señal. Leyenda: 1 Micrófono A 2 Micrófono B 3 Muestra en ensayo 4 Posición 1 5 Posición 2 12 Leyenda: 1 Micrófono B 2 Micrófono A 3 Muestra en ensayo 4 Posición 1 5 Posición 2 Fig. 7 y 8: Montaje micrófonos normal e intercambiados (Norma ISO 10534-2) Factor de calibración predeterminado: Este procedimiento emplea una muestra de calibración especial y su corrección es válida para todas las mediciones que se realicen posteriormente. Este factor de calibración Hc se calculará una vez se hayan medido las funciones de transferencia H12 y H21 con la siguiente ecuación: () c j cc eHHHH φ == 2 1 2112 / (II.1_3) Una vez realizada la medición de Hc se colocan los micrófonos en la primera posición y se medirá la función de transferencia para las muestras de ensayo: H ∧ 12 =H ∧ 12 ej φ ∧ (II.1_4) Donde 12 ∧ H es la función de transferencia sin corregir; ∧ φ es el ángulo de fase sin corregir Finalmente para corregir el desajuste entre los micrófonos: H12 =H12 ej φ =H ∧ 12 Hc (II.1_5) A partir de las funciones de transferencias medidas, se obtienen todas las variables necesarias a partir de las siguientes fórmulas. Para determinar el coeficiente de reflexión a incidencia normal se utilizará: r=(|r|ej φ r)rr+jri= H 12 − H 1 HR−H12 e2jk0x1 (II.1_6) COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 13 Donde: rr es la componente real; ri es la componente imaginaria; x1 es la distancia entre la muestra y la posición última del micrófono; Φr es el ángulo de fase del coeficiente de reflexión a incidencia normal; H1 es la función de transferencia para la onda incidente sola; HR es la función de transferencia para la onda reflejada sola; k0 es el número de onda de campo libre. El equipo de medición dará como resultado los valores de H’12 y H’21 y partir de ellos se calcula H12 siguiendo los cálculos explicados, y las demás incógnitas a través de las fórmulas ofrecidas en el anexo D de esta norma. Las cuales se detallan a continuación: Función de transferencia para la onda incidente, H1: H1 = e − jk0S (II.1_7) Función de transferencia para la onda incidente reflejada, HR: HR = ejk0S (II.1_8) En ambos casos S es la separación que existe entre los dos micrófonos, nombrada anteriormente. Con el coeficiente de reflexión ya se puede conseguir el coeficiente de absorción acústica, y a partir de este la impedancia o admitancia acústica específica. Para ello se utilizarán las siguientes fórmulas: Coeficiente de absorción acústica: α = 1 − |r|2 = 1 − r r 2 − ri 2 (II.1_9) Impedancia acústica específica: Z / ρ c0= R / ρ c0 + j X / ρ c0 = (1 + r )/(1 − r ) (II.1_10) Donde R es la componente real; X es la componente imaginaria; ρc0 es la impedancia característica. Admitancia acústica específica: G ρ c0 = g ρ c0 − jb ρ c0 = ρ c0 / Z (II.1_11) 14 Donde g es la componente real; b es la componente imaginaria. - Mecánico-elásticos Se prepararon materiales compuestos de origen plástico reforzados al 20, 30, 40 y 50% en peso del refuerzo, sin y con agente de acoplamiento. Para evaluar estas alternativas se han medido las propiedades a tracción, flexión e impacto y se ha podido constatar que, mientras que la resistencia a tracción presenta valores similares para ambos tipos de refuerzo, los módulos de Young de los materiales reforzados con fibras recicladas textiles son un 10-30% superiores a los del material sin refuerzo. Como material de refuerzo, en este trabajo se utilizaron fibras de vidrio, fibras de poliéster y polipropileno. 0 20 40 60 80 0 102030405060 % reinforcement σ t (MPa) GF MP Gráfica 1: Comparativa de resistencia máxima a la tracción entre el elemento reforzado con fibra de vidrio (GF) y reforzado por fibra de poliéster (MP) Como agente de acoplamiento y promotor de la adhesión entre la matriz polimérica y el refuerzo celulósico se utilizó un polipropileno modificado con anhídrido maleico (MAPP). Se prepararon materiales compuestos reforzados con 20, 30, 40 y 50% en peso. Para cada cantidad de refuerzo se prepararon materiales sin acoplar y acoplados con un 2, 4, 6 y 8% en peso de MAPP respecto al contenido de fibras. La mezcla de los componentes de los materiales compuestos se realizó en una mezcladora Brabender. El proceso de mezcla tuvo lugar a 180ºC, 80 rpm de velocidad de giro de las paletas, durante un tiempo total de 10 minutos. Seguidamente, los materiales compuestos obtenidos se pelletizaron en un molino de cuchillas suministrado por AGRIMSA, equipado con una rejilla de 10 mm de paso de luz. Finalmente, la granza se secó a 80ºC durante 2 horas en una estufa antes de alimentar una máquina de moldeo por inyección de termoplásticos Mateu & Solé de 35 toneladas. El proceso de inyección se llevó COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 15 a cabo con un perfil de temperaturas desde la zona de carga hasta la boquilla de 175ºC/175ºC/190ºC respectivamente. La presión de inyección utilizada fue de 120 kg/cm2 mientras que la presión de mantenimiento fue de 25 kg/cm2. De este modo, se obtuvieron probetas estandarizadas según la norma ASTM D3641 [3] para los ensayos mecánicos de tracción, flexión e impacto. Antes de los ensayos, las muestras se acondicionaron de acuerdo con la norma ASTM D618 [4]. 0 20 40 60 80 100 120 0510 % MAPP σ t (MPa) 20%GF 30%GF 40%GF 10%GF Gráfica 2: resistencia máxima a la tracción de la familia de materiales reforzados con fibras de vidrio con agente compatibilizante Los ensayos a tracción y flexión se realizaron con una máquina universal de ensayos mecánicos INSTRON 1122. Las mediciones se tomaron siguiendo las normas ISO 527 [5] para el ensayo de tracción e ISO 178 para el correspondiente ensayo de flexión. Se determinaron también las propiedades a impacto en probetas sin entalla utilizando un péndulo Charpy equipado con un martillo de 2.074 kg de peso y una longitud de 382 mm; para este último ensayo se siguió la norma ISO 178 [6]. 3,3 4,4 4,9 6,3 4,5 5,9 7,4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 20 30 40 50 % reinforcement E t (GPa) PM FV Gráfica 3: Modulo de Young según % de refuerzo y tipo de familia 16 El tamaño promedio de las fibras en el material compuesto, se midió a partir de fibras recuperadas del material compuesto. La extracción se efectuó mediante un soxhlet en xileno. La determinación de los diámetros promedio de las fibras y filamentos fue llevada a cabo a través de microscopia óptica y las imágenes obtenidas fueron tratadas mediante el programa Sigma Scan Pro 5. La longitud de las mismas determinó en un analizador Kajaani FS-100 (Kajaani Electronics Ltd, Finlandia). El peso específico de los materiales compuestos se determinó mediante picnometría. COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 17 II.2.- MODELO DE SIMULACIÓN II.2.1.- MODELO DE OKURA & SAITO PARA ATENUACIÓN EN PAREDES MÚLTIPLES, COINCIDENCIA ALEATORIA [7]. En este modelo se desarrolla un método de transferencia de impedancias. Se obtienen las expresiones del índice de debilitamiento para paredes múltiples construidas con varias combinaciones de capas impermeables, cámaras de aire y materiales absorbentes acústicos. El modelo considera una estructura general de paredes múltiples infinitas, tal y como se observa en la figura 11. Dicha estructura está construida con N elementos y cada uno de estos elementos puede ser una capa impermeable, una cámara de aire o un material absorbente acústico. Se denomina pi a la onda de presión incidente y pr a la onda de presión reflejada. Se supone que una onda plana incide sobre la cara izquierda del elemento N-ésimo con un ángulo de incidencia q. La onda que incide por la parte izquierda continuará propagándose a través de la estructura y radiará por la cara derecha del primer elemento como una onda plana de presión pt hacia un campo libre con un ángulo de transmisión qt. En el análisis se numera con el subíndice i=1, 2,..., n cada uno de los parámetros físicos del iésimo elemento, y se utiliza un segundo subíndice para indicar un parámetro de la cara izquierda del elemento (un 2) y la cara derecha (un 1), tal y como se aprecia en la figura 11. Fig. 11: Modelo multicapa El cociente entre la presión en la superficie de incidencia pN2 y la presión incidente pi es la siguiente: p N2 pi = p i + p r pi =2 Z N2 ZN2+ ρ c cos θ (II.2.1_1) 24 30 % de Fibra de Vidrio con cámara de aire de 11,5 cm. 30 % de Fibra de Vidrio con cámara de aire de 15,5 cm. 30 % de Fibra de Vidrio con cámara de aire de 15,5 cm. y material absorbente acústico en el interior 30 % de Fibra de Vidrio mezclada mediante agente acoplador 30 % de Fibra de Vidrio mezclada mediante agente acoplador con cámara de aire de 15,5 cm. y material absorbente acústico en el interior 30 % de Fibra de Poliéster 30 % de Fibra de Poliéster con agente acoplador PM 30 30 % de Fibra de Poliéster con cámara de aire de 15,5 cm. y absorbente acústico en el interior COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 25 30 % de Fibra de Poliéster con agente acoplador, cámara de aire de 15,5 cm. y absorbente acústico en el interior PP070 70 % de Polipropileno con cámara de aire de 15,5 cm. y absorbente en el interior Tabla 1: Comparativa del coeficiente de absorción acústico entre familias. Con ello queda evidenciado que se trata de un material acústicamente impermeable, el cual dispone de un alto grado de resistencia al flujo de aire y un grado mínimo de absorción acústica para cualquiera de las configuraciones ensayadas. Por lo tanto, a partir de este punto, se estudiará su comportamiento acústico desde el concepto de elemento constructivo, para de esta manera, evaluar el grado de aislamiento acústico de las diferentes configuraciones y la posibilidad de su uso como material perforado con absorbente acústico en su interior, bajo la configuración de Resonador de Helmholtz, para su posible uso como divisorio entre estancias virtuales dentro de una misma estancia (p.ej: oficinas y despachos). 26 III.2.- FÍSICA MECÁNICA: MODULO DE YOUNG, POISSON Se determinaron mediante ensayos en laboratorio el módulo de Young para cada familia de materiales. En la gráfica 4 podemos ver los resultados obtenidos en los ensayos llevados a cabo en laboratorio. 3,3 4,4 4,9 6,3 4,5 5,9 7,4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 20 30 40 50 % reinforcement E t (GPa) PM FV Gráfica 4: Modulo de Young según % de refuerzo y tipo de familia Con este dato y el espesor del material ensayado se obtuvo el módulo de Poisson para cada familia. Tras ello se realizó el estudio de optimización de la solución, en función de la frecuencia crítica deseada y el espesor necesario u óptimo para la utilización de estas soluciones como elemento aislante acústico para edificación. En la tabla 2, se listan los resultados obtenidos: FAMILIA COMPOSICIÓN MODULO DE YOUNG (E) MÓDULO DE POISSON (B) e (mm) MASA (Kg./m2 ) FRECUENCIA CRÍTICA (Hz) FV 20 20 % Fibra de Vidrio 4,5 GPa 1278,4 15 20,5 2371 FV 30 30 % Fibra de Vidrio 5,9 GPa 1676,1 15 20,5 2071 FV 40 40 % Fibra de Vidrio 7,4 GPa 2102,3 15 20,5 1845 PM 20 20 % Fibra de Poliéster 3,3 GPa 937,5 15 18 2595 PM 30 30 % Fibra de Poliéster 4,4 GPa 1250 15 18 2247 PM 40 40 % Fibra de Poliéster 4,9 GPa 1392,1 15 18 2141 PM 50 50 % Fibra de Poliéster 6,3 GPa 1789,8 15 18 1883 PP070 70 % Polipropileno 2,7 GPa 767,1 15 16 2704 Tabla 2: Comparativa de variables según familias. COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 27 III.3.- AISLAMIENTO ACÚSTICO Mediante el software de la EPSG-UPV Aisla 3.0 (una aplicación informática realizada para la predicción del aislamiento acústico tomando como punto de partida el modelo de Ookura & Saito [7]). Con esta teoría se puede programar cualquier tipo de estructura, del número de capas que se desee, ya que trabaja tanto con placas o materiales impermeables, así como con cámaras de aire y absorbentes acústicos. Además, tiene en cuenta la incidencia aleatoria. También debe tenerse en cuenta que el método está muy estructurado, de manera que es relativamente fácil escribir un algoritmo sin demasiados bucles anidados. En lo referido a modelos de caracterización de materiales absorbentes acústicos, el programa da la opción de elegir entre 3 métodos de caracterización de estos materiales: el de Delany & Bazley, el de Miki o el de Allard & Champoux [8][9][10]. Si se selecciona el método de Delany & Bazley o el de Miki [8][9][10], en la pantalla y en el informe de resultados, aparecerá el ancho de banda que es válido para esa determinada estructura, ya que, como se indicó en el capítulo 2, el rango de validez de estos modelos está limitado. Se incorporaron los datos obtenidos en laboratorio sobre las diferentes muestras de materiales y con ello se determinó el aislamiento acústico de cada muestra ensayada para la obtención de unos datos estadísticos de las muestras con los que se procedió a la determinación de la regresión de dichos resultados. La configuración utilizada para la realización de los cálculos de aislamiento acústico mediante el software y los parámetros de integración utilizados, fueron: Temperatura = 18 °C Presión = 101300 Pa Densidad del aire = 1.21 (Kg./m3) Velocidad de propagación del aire = 342.4 (m/s) Ángulo límite de incidencia = 78° Paso de integración = 1000 (bajo método de los Rectángulos) Factor de perdidas = 0,02 (según norma) 28 DIVISORIO SIMPLE A BASE DE PLACA SIMPLE: Frecuencia FV 20 % FV 30 % FV 40 % PM 20 % PM 30 % PM 40 % PM 50 % PP 70 % PYL (15mm) 50 13,1 13,1 13,1 12,1 12,1 12,1 12,1 11,2 9,7 63 15 15 15 13,9 13,9 13,9 13,9 13 11,4 80 16,9 16,9 16,9 15,8 15,8 15,8 15,8 14,8 13,2 100 18,8 18,8 18,8 17,7 17,7 17,7 17,7 16,7 15 125 20,8 20,8 20,8 19,7 19,7 19,7 19,7 18,7 16,9 160 22,7 22,7 22,7 21,6 21,6 21,6 21,6 20,6 18,9 200 24,6 24,6 24,6 23,5 23,5 23,5 23,5 22,5 20,7 250 26,6 26,6 26,6 25,5 25,5 25,5 25,5 24,5 22,7 315 28,6 28,6 28,5 27,5 27,4 27,4 27,4 26,5 24,6 400 30,5 30,5 30,4 29,4 29,4 29,4 29,3 28,4 26,6 500 32,5 32,4 32,3 31,4 31,3 31,3 31,2 30,4 28,5 630 34,3 34,2 34,1 33,3 33,2 33,1 33 32,3 30,3 800 36,1 35,9 35,7 35,1 34,9 34,9 34,6 34,1 32,1 1000 37,7 37,4 37 36,8 36,5 36,4 35,9 35,8 33,6 1250 39,1 38,4 37,6 38,2 37,7 37,5 36,6 37,3 34,8 1600 39,8 38,4 36,3 39,3 38,2 37,6 35,6 38,5 35,2 2000 38,7 34,6 29,4 39,1 36,3 34,8 29,2 38,5 33,1 2500 31 27,3 29,3 35,1 26,5 25,7 28 35,8 23,5 3150 30,8 32,7 33,9 28,2 30,6 31,2 32,7 26,5 28,2 4000 35,6 36,9 37,8 33,6 35,1 35,5 36,6 32,1 32,6 5000 39,6 40,6 41,4 37,8 38,9 39,3 40,2 36,4 36,4 Rw(C;Ctr) 35(-2;-4;-2;-6) 34(-2;-3;-2;-5) 34(-2;-4;-2;-5) 34(-2;-4;-2;-6) 33(-2;-3;-1;-5) 33(-2;-3;-2;-5) 33(-2;-4;-2;-5) 33(-2;-4;-2;-6) 30(-2;-3;-1;-5) Rg (dBA) 32,9 31,8 31,7 32,1 30,9 30,6 30,8 31 28 R (dB) Tabla 3: Resultados de aislamiento acústico obtenidos ordenados por familia y porcentaje de fibras incorporadas al elemento base. A continuación se grafican las soluciones de aislamiento acústico como placa única impermeable en función del índice de porcentaje de fibras incorporadas al elemento base: FV 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 100 1000 10000 Frecuencia TL (dB) Gráfica 5: Comparativa para familia Fibra de Vidrio. En Azul refuerzo del 20%, en Rosa refuerzo del 30% y en punteado Negro 40%. COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 29 PM 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 100 1000 10000 Frecuencia TL (dB) Gráfica 6: Comparativa para familia Fibra de Poliéster. En Azul refuerzo del 20%, en Rosa refuerzo del 30%, en punteado Rojo 40% y en punteado Negro 50%. PP 70 % 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 100 1000 10000 Frecuencia TL (dB) Gráfica 7: Comparativa para familia Polipropileno. En Azul refuerzo del 70%. Comparando los resultados de las diferentes familias, solo para los casos de 20 % de refuerzo (debido a ser las más eficientes), con el de una placa de yeso laminado de igual espesor con una frecuencia crítica de 2211,9 Hz, se puede observar como mejora el aislamiento acústico de dichas soluciones tipo composite: 30 COMPOSITE vs PYL 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 100 1000 10000 Frecuencia TL (dB) Gráfica 8: Comparativa de placa simple para las diferentes familias de Composites frente a Placa de Yeso Laminado. En Rosa refuerzo de Fibra de Vidrio del 20%, en Azul Fibra de Poliéster del 20%, en línea punteada Rosa Polipropileno 70% y en Rojo Placa de Yeso Laminada. Se puede observar como cualquiera de las soluciones consistentes en tipos composites, consiguen un aumento de entre 3 y 5 dBA, en función de la familia de composite utilizada. COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 31 DIVISORIO DOBLE A BASE DE PLACA SIMPLE Y DIVISORIO DOBLE A BASE DE PLACA DOBLE: Ahora tratemos de ver como se comportan estas soluciones cuando las incorporamos a una solución de tabiquería doble con material absorbente acústico en su interior. Tomando las diferentes soluciones utilizadas anteriormente con configuraciones tipo: 1 x placa impermeable de 15 mm + lana de poliéster (RC) de 40 mm y 24,6 Kg/m3 + 1 x placa impermeable de 15 mm y otra consistente en: 2 x placa impermeable de 15 mm + lana de poliéster (RC) de 40 mm y 24,6 Kg/m3 + 2 x placa impermeable de 15 mm, se obtienen los siguientes resultados: Frecuencia FV 20 % + RC + FV 20 % 2 x FV 20 % + RC + 2 x FV 20 % PM 20 % + RC + PM 20 % 2 x PM 20 % + RC + 2 x PM 20 % PP 70 % + RC + PP 70 % 2 x PP 70 % + RC + 2 x PP 70 % PYL + RC + PYL 2 x PYL + RC + 2 x PYL 50 15,5 15,8 14,9 16,4 14,3 16,5 13,1 16,3 63 14,9 11 14,8 10,1 14,5 11,8 13,7 14,3 80 10,5 24,6 12,1 20,6 13 16,7 13,3 9,9 100 15,2 33,9 11,2 30,8 8,7 27,9 9,5 22,3 125 25,8 41,3 22,4 38,6 19,3 36,1 13,5 31,5 160 33,9 47,9 31 45,4 28,4 43,1 23,4 38,9 200 40,6 53,8 38 51,4 35,5 49,2 31,1 45,2 250 46,8 59,7 44,4 57,4 42,1 55,2 38 51,3 315 52,8 65,4 50,4 63,1 48,2 61 44,2 57,2 400 58,4 70,9 56,1 68,6 54 66,6 50 62,8 500 63,8 76,3 61,6 74,1 59,5 72 55,5 68,2 630 68,9 81,6 66,8 79,3 64,8 77,3 60,7 73,5 800 73,7 86,6 71,7 84,5 69,8 82,5 65,5 78,5 1000 78,1 91,5 76,2 89,4 74,4 87,4 69,7 83,3 1250 81,6 95,9 80,1 94 78,3 92 72,8 87,6 1600 83,3 99,7 82,6 98 81,2 96,2 73,8 91,2 2000 81 101,9 82,2 100,7 81,4 99,1 69,3 93 2500 66,3 102,3 74,7 102,3 75,8 101 44,7 92,1 3150 56,7 95,7 52,8 99,1 49,9 99 50,7 81,5 4000 61,8 77,3 59 81,4 56,8 85,7 55 71,1 5000 63,5 81,6 60,7 79 58,6 76,7 57,2 74 Rw(C;Ctr) 51 (-8;-16;-10;-22) 66(-5;-13;-19;-33) 48(-9;-17;-9;-20) 64(-6;-14;-18;-32) 45(-8;-17;-8;-18) 61(-6;-14;-15;-29) 41(-6;-13;-5;-15) 56(-6;-14;-14;-27) Rg (dBA) 43,4 61 39,5 58,1 37 55,3 35,6 50,1 R (dB) Tabla 4: Resultados de aislamiento acústico de tabiquería doble obtenidos ordenados por familia y porcentaje de fibras incorporadas al elemento base. 1 x COMPOSITE vs 1 x PYL 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1000 10000 Frecuencia TL (dB) Gráfica 9: Comparativa para familia Composites frente a Placa de Yeso Laminado mediante 1 x placa simple + material absorbente acústico + 1 x placa simple. En Azul refuerzo de Fibra de Vidrio del 20%, en línea discontinua Negra Fibra de Poliéster del 20%, en línea punteada Negra Polipropileno 70% y en Rojo Placa de Yeso Laminada. 32 En este caso, se aprecia como la tendencia sigue siendo la misma, la solución tipo composite presenta un comportamiento aislante acústico mejor que la placa de yeso laminado, siendo las diferencia en este caso de entre 2 y 8 dBA de mejora. Para el caso de realizar la misma comparativa mediante la utilización de doble placa impermeable, se obtuvieron los siguientes resultados: 2 x COMPOSITES vs 2 x PYL 0 20 40 60 80 100 120 100 1000 10000 Frecuencia TL (dB) Gráfica 10: Comparativa para familia Composites frente a Placa de Yeso Laminado mediante 1 x placa simple + material absorbente acústico + 1 x placa simple. En Azul refuerzo de Fibra de Vidrio del 20%, en línea discontinua Negra Fibra de Poliéster del 20%, en línea punteada Negra Polipropileno 70% y en Rojo Placa de Yeso Laminada. Donde se observa una mejora considerable del aislamiento acústico para ambos tipos de soluciones de tabiquería doble implementando los composites como capa impermeable frente a los mismos realizados mediante placa de yeso laminado, entre 5 y 10 dBA de mejora. DIVISORIO DOBLE DESINTONIZANDO LAS FRECUENCIAS CRÍTICAS: Para tratar de conseguir mejores resultados, se ensayaron diferentes soluciones con variaciones en el porcentaje de refuerzo de fibras, de manera que las frecuencias críticas de los materiales no quedaran sintonizadas a la misma frecuencia. Para ello se llegó a la conclusión de realizar el estudio solo para la familia de composite de mayor poder aislante acústico y con las soluciones de diferencia de porcentaje de fibras más alta posible para resintonizar la frecuencia crítica lo máximo posible. El estudio se realizó tanto para divisorio simple mediante placa simple como para divisorio doble mediante placa doble, siempre frente a la misma solución con placa de yeso laminado. COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 33 Frecuencia FV 40 + RC + FV 40 FV 20 % + RC + FV 40 % FV 20 % + RC + FV 20 % FV 40 % + RC + PYL PYL + RC + PYL 2 x FV 20 % + RC + 2 x PYL 2 x FV 20 % + RC + 2 x FV 40 % 2 x FV 20 % + RC + 2 x FV 20 % 50 15,5 15,5 15,5 14,6 13,1 17 15,8 15,8 63 14,9 14,9 14,9 14,9 13,7 12,4 11 11 80 10,5 10,5 10,5 13,5 13,3 17 24,6 24,6 100 15,2 15,2 15,2 9,2 9,5 28,2 33,9 33,9 125 25,7 25,7 25,8 19,6 13,5 36,4 41,3 41,3 160 33,8 33,9 33,9 28,6 23,4 43,4 47,9 47,9 200 40,5 40,5 40,6 35,8 31,1 49,5 53,8 53,8 250 46,8 46,8 46,8 42,4 38 55,5 59,7 59,7 315 52,6 52,7 52,8 48,4 44,2 61,3 65,3 65,4 400 58,2 58,3 58,4 54,1 50 66,8 70,9 70,9 500 63,4 63,6 63,8 59,5 55,5 72,3 76,2 76,3 630 68,3 68,6 68,9 64,5 60,7 77,5 81,4 81,6 800 72,7 73,2 73,7 69,1 65,5 82,6 86,4 86,6 1000 76,2 77,1 78,1 72,9 69,7 87,4 91,1 91,5 1250 77,9 79,7 81,6 75,4 72,8 91,8 95,2 95,9 1600 75 79,1 83,3 74,3 73,8 95,4 98,4 99,7 2000 64,3 70,4 81 65,1 69,3 97,4 99,3 101,9 2500 53,5 71,5 66,3 65,4 44,7 97,2 95,4 102,3 3150 60,2 79,6 56,7 73,5 50,7 88,5 89,4 95,7 4000 62,9 83,3 61,8 77 55 80 95,1 77,3 5000 66,6 86 63,5 79,9 57,2 83,5 97,5 81,6 Rw(C;Ctr) 50(-7;-15;-9;-21) 51 (-8;-16;-10;-22) 51(-8;-16;-10;-22) 45(-8;-16;-7;-18) 41(-6;-13;-5;-15) 61 (-6;-14;-15;-28) 66(-5;-13;-19;-33) 66(-5;-13;-19;-33) Rg(dBA) 43,3 43,4 43,4 37,4 35,6 55,6 61 61 R(dB) Tabla 5: Comparativa de resultados de aislamiento acústico de tabiquería doble obtenidos ordenados para la familia de refuerzo mediante fibra de vidrio, intercalando placas de diferente porcentaje de refuerzo de fibras. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 100 1000 10000 Frecuencia TL (dB) Gráfica 11: Comparativa para familia Composites de Fibra de Vidrio mediante 1 x placa simple + material absorbente acústico + 1 x placa simple. En Azul, placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20% combinada con placa reforzada de Fibra de Vidrio del 40%, en Rosa, placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20% combinada con placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20% y en línea punteada Rosa, placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20% combinada con placa reforzada de Fibra de Vidrio del 20%. 40 V.- FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Se deja abierta la última parte de la investigación mediante la cual se evalúa la posibilidad de utilización de los elementos como placas perforadas, de manera que pudieran ser utilizadas como pantallas acústicas tanto en interior de industrias u oficinas, como en ambientes exteriores. A su vez se deja abierta la posibilidad de estudio para el uso como bafles acústicos para el acondicionamiento acústico de recintos especiales. COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 41 REFERENCIAS [1]- UNE-EN ISO 10534-1:2002: Determinación del coeficiente de absorción acústica y de la impedancia acústica en tubos de impedancia. Parte 1: Método del rango de onda estacionaria. [2]- UNE-EN ISO 10534-2:2002: Determinación del coeficiente de absorción acústica y de la impedancia acústica en tubos de impedancia. Parte 2: Método de la función de transferencia. [3]- ASTM D3641 - 10 Standard Practice for Injection Molding Test Specimens of Thermoplastic Molding and Extrusion Materials. [4]- ASTM D618 - 08 Standard Practice for Conditioning Plastics for Testing. [5]- ISO 527-5:1997; Plastics -- Determination of tensile properties -- Part 5: Test conditions for unidirectional fibre-reinforced plastic composites. [6]- ISO 178:2001 Plastics; Determination of flexural properties. [7]- OOKURA K., SAITO Y. (1978). “Transmission loss of multiple panels containing sound absorbing materials in a random incidence field”, Internoise 78, 637-642. [8]- Delany M. E., Bazley E. N. (1970), Acoustical properties of fibrous absorbent materials, Applied Acoustics, 3, 2, 105 -116. [9]- Miki Y. (1990a), Acoustical properties of porous materials – modifications of Delany-Bazley models-, Journal of the Acoustical Society Jpn (E), 11, 1, 19-24. [10]- Allard J. F., Champoux Y. (1992). New empirical equations for sound propagation in rigid frame fibrous materials, Journal of the Acoustical Society of America 91, 6, 3346-3353. [11]- Alba Fernández, J. Ramis Soriano, J. Comparativa de distintos algoritmos de simulación de particiones multicapa para aislamiento acústico a ruido aéreo. Departamento de Física Aplicada; Escuela Politécnica Superior de Gandia; Universidad Politécnica de Valencia. PACS: 44.55.Rg. [12]- Blanes, M., Marco, B., Alba, J., del Rey, M., Escuder, E. Combinación de estructuras sándwich con materiales poliméricos para la mejora de la absorción acústica. V Congreso Ibérico de Acústica, XXXIX Congreso Español de Acústica TECNIACÚSTICA 2008, Simposio Europeo de Acústica, Coimbra (Portugal), 20-22 Octubre 2008. [13]- Alba Fernández, J.; Ramis Soriano, J.; Sanchís Rico, V. Coeficiente de absorción en incidencia normal de materiales multicapa basados en lanas de poliéster. TecniAcústica, Gandia, 2006. 42 [14]- Recuero López, M. Sistemas para aislamiento acústico, Brüel & Kjaer. [15]- Alba Fernández, J.; Ramis Soriano, J., Llinares Galiana, J. Departamento de Física Aplicada. Universidad Politécnica de Valencia. Escuela Politécnica Superior de Gandia. Caracterización de capas impermeables a partir de medidas de aislamiento acústico. PACS: 43.55.n. Tecniacústica Madrid 2000. [16]- Recuero Lopez, M. (1992) “Acústica arquitectónica –soluciones prácticas”, Editorial Paraninfo. COMPOSITES CON RECICLADOS PARA LA MEJORA DEL AISLAMIENTO ACÚSTICO 43 ANEXO I function TL=capao(m,D,mu,frec,anglim,N) % TL=capao(m,D,mu,frec,anglim,N) % m=masa (Kg) % D=Densidad (Kg/m3) % mu=¿coeficiente de Poisson ó Perdidas? % frec=[50,] % anglim=89º (ángulo límite de incidencia) % N=pasos % General: Realiza cálculos generales y ajusta la integración c0=343; r0=1.21; paso=anglim/N; Angulo=[0:paso:anglim]*pi/180; w = 2.*pi.*frec; anglim*pi/180; Deno = sin(anglim*pi/180)^2 / 2; fc=c0^2*sqrt(m/D)/(2*pi) % Frecuencia critica % calculo: Barrido frecuencial for con1=1:length(frec) % barrido angular FrTL(con1) = 0; % acumulador for con2=1:length(Angulo) Zm=mu*w(con1)*m*(frec(con1)/fc).^2*(sin(Angulo(con2))^4)+j*w(con1)*m*(1- (frec(con1)/fc)^2*(sin(Angulo(con2))^4)); Z11=r0*c0/cos(Angulo(con2)); Z12=Z11+Zm; C01112=abs(Z11/Z12)^2; CO12I=4*abs(Z12/(Z12+Z11))^2; EcuacionImp = C01112*CO12I*cos(Angulo(con2))*sin(Angulo(con2)); FrTL(con1)= FrTL(con1) + EcuacionImp; end FrTL(con1) = (FrTL(con1)/Deno)*paso*pi/180; TL(con1) = -10*log10(FrTL(con1)); end figure(2) semilogx(frec,TL) texto=['TL segun Ookura & Saito. Capa impermeable. fc = ' num2str(fc) ' Hz']; title(texto) xlabel('f (Hz)') ylabel('TL (dB)') grid