Acústica Medioambiental Vol. II - Novedades · 13.1. Métodos de predicción de ruido de tráfico...

Acústica Medioambiental

Vol. II

Dr. Robert Barti Domingo

Acústica Medioambiental vol II

© Dr. Robert Barti Domingo

ISBN: 978-84-9948-021-3Depósito legal: A–921-2010

Edita: Editorial Club Universitario. Telf.: 96 567 61 33C/ Cottolengo, 25 – San Vicente (Alicante)www.ecu.fm

Printed in SpainImprime: Imprenta Gamma. Telf.: 965 67 19 87C/ Cottolengo, 25 – San Vicente (Alicante)[email protected]

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ÍNDICE

Capítulo 9RUIDO DE FERROCARRIL .............................................................. 2879.1. Fuentes sonoras en trenes .............................................................. 2879.2. Tipo de propulsor. Elementos de tracción ..................................... 2889.3. Ruido generado por máquinas eléctricas ....................................... 2909.4. Ejemplo de tren 100% eléctrico .................................................... 2939.5. Fuentes dependientes del movimiento .......................................... 2959.6. Predicción del ruido de trenes ....................................................... 3049.7. Tren de alta velocidad (TAV) ........................................................ 3209.8. Tranvías ......................................................................................... 323

Capítulo 10RUIDO DE AERONAVES .................................................................. 33110.1. Introducción ................................................................................ 33110.2. Fuentes de ruido en aeronaves .................................................... 33210.3. Reducción de ruido en aeronaves ................................................ 34010.4. Huella acústica ............................................................................ 34310.5. Parámetros de medida ................................................................. 34410.6. Índices de exposición al ruido de aeronaves ............................... 35110.7. Predicción del impacto sonoro-INM ........................................... 35710.8. Normativa internacional .............................................................. 36210.9. Aeronaves con dispositivo “Hushkit” ......................................... 36810.10. Ejemplos de fichas de homologación de aeronaves actuales .... 37010.11. Actuaciones en las proximidades de los aeropuertos ................ 37310.12. El futuro de la aviación civil ..................................................... 381

Capítulo 11RUIDO DE ACTIVIDADES ............................................................... 38511.1. Introducción ................................................................................. 38511.2. Niveles sonoros y molestia percibida .......................................... 38611.3. Actividades cerradas .................................................................... 38611.4. Actividades abiertas ..................................................................... 387

11.5. Ruido de actividades musicales ................................................... 38811.6. Evaluación de impacto ambiental ................................................ 39011.7. Problemática de las actividades ................................................... 39111.8. Limitaciones de la legislación actual sobre medida y control del ruido ................................................................................................ 39311.9. Nivel sonoro interior ................................................................... 39511.10. Diagnosis acústica de actividades musicales ............................. 39611.11. Control del nivel sonoro interior ............................................... 40411.12. Control del nivel sonoro en exteriores de fiestas populares ...... 42411.13. Ruido en las aulas ...................................................................... 42911.14. Actividades de restauración ....................................................... 43111.15. Supermercados y grandes superficies ........................................ 43211.16. Calles comerciales ..................................................................... 43311.17. Recogida de residuos ................................................................. 434

Capítulo 12ACÚSTICA URBANA ........................................................................ 44912.1. Introducción ................................................................................ 44912.2. Variabilidad temporal .................................................................. 45212.3. Mapas estratégicos de ruido ........................................................ 45712.4. Mapas de ruido ............................................................................ 45912.4. Resumen del ruido urbano en España ......................................... 47412.5. Acciones correctoras del ruido de tráfico en ciudades ................ 47812.6. Nivel de ruido exterior en zonas urbanas .................................... 484

Capítulo 13MODELOS DE PREDICCIÓN DEL RUIDO DE TRÁFICO............. 48913.1. Métodos de predicción de ruido de tráfico .................................. 48913.2. Teorías sobre la generación y propagación del ruido de tráfico .. 49013.3. Estudio de variaciones temporales de tráfico .............................. 49513.4. Factores que afectan a la generación del ruido de tráfico ........... 49713.5. Métodos de predicción ................................................................ 50113.6. Factores que afectan a la propagación del ruido de tráfico ......... 524

Capítulo 14BARRERAS ACÚSTICAS .................................................................. 52914.1. Introducción ................................................................................ 52914.2. Principios de funcionamiento de una barrera acústica ................ 53114.3. Difracción de la barrera ............................................................... 534

14.4. Tipo de barreras ........................................................................... 53614.5. Influencia de la vegetación .......................................................... 54214.6. Norma DIN 18005 ...................................................................... 54414.7. Diseño de una barrera acústica .................................................... 54714.8. Ejemplos de barreras ................................................................... 55614.9. Estado del arte en barreras acústicas ........................................... 55814.10. Estudios sobre barreras acústicas .............................................. 565

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................. 567

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Capítulo 9 RUIDO DE FERROCARRIL

9.1. Fuentes sonoras en trenes.Tal como se ha comentado anteriormente con el tráfico rodado, para

comprender mejor la metodología de predicción y mediciones de mejora del impacto sonoro, es fundamental conocer cuales son las fuentes sonoras presentes en un tren y su orden de importancia dentro del ruido generado.

En una primera división se pueden considerar dos tipo de fuentes: aquellas que no dependen del movimiento del tren, y aquellas que dependen de su movimiento. Así mismo las fuentes de ruido con el tren estático son bien predecibles y se concentran básicamente en el motor, que en algunos casos siempre funciona, y en los equipos auxiliares encargados de suministrar tensión a los circuitos eléctricos del tren y a los equipos de acondicionamiento del aire y ventilación. Las principales fuentes de ruido de un tren son:

a. Ruido de tracción. Se considera ruido de tracción, aquel procedente de la máquina tractora. Estos utilizan diferentes propulsores, el más utilizado es el motor diésel, pero también hay eléctricos, a vapor y con levitación magnética, que no deja de ser un motor eléctrico lineal. Para las máquinas con motor diésel, la principal fuente de ruido son las salidas de escape de los gases del motor y también las vibraciones generadas por éste. Las máquinas eléctricas son mucho más silenciosas. En estas la principal fuente de ruido procede generalmente del control electrónico del motor, del propio motor, y de los ventiladores auxiliares. El pantógrafo es una fuente de ruido importante para altas velocidades en este tipo de propulsor.

b. Ruido de rodadura. Este ruido se produce por el contacto entre las ruedas del tren y las vías. Los pequeños desajustes y el desgaste irregular de la rueda y la vía causan la aparición de vibraciones que a su vez incrementan los desajustes y vibraciones, siendo necesario un mantenimiento que asegure la planitud de la vía y la circunferencia de las ruedas. Los movimientos de la vía también suelen ser motivo de la aparición de ruidos al paso de un convoy.

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Ruido de ferrocarril

c. Ruido de equipamiento auxiliar. Formado por ventiladores, compre-sores y los sistemas de frenado. También se incluye los correspondientes a los sistemas de ventilación del pasaje. Aunque el ruido de la ventilación afecta tanto a la parte interna como externa del tren, hay que destacar que se conside-ra únicamente el ruido externo. La componente principal suele estar formada por los compresores tanto de la parte de climatización como de los sistemas de frenado.

d. Ruido aerodinámico. Producido por el paso del tren en contacto con el aire. Este ruido es importante para altas velocidades.

9.2. Tipo de propulsor. Elementos de tracción.Los modelos más usuales de locomotora en cualquier parte de nuestro país,

incluyen únicamente dos tipos: aquellas propulsadas por motores diésel y las eléctricas. Las locomotoras diésel, pueden ser de dos tipos diferentes: en algu-nos casos el mismo propulsor diésel es el que impulsa la locomotora. En otras el motor diésel hace girar un alternador que da energía a los motores eléctricos, que son los que realmente impulsan la máquina. La mayoría de locomotoras especialmente de largo recorrido son diésel, las cuales desgraciadamente resul-tan ser las más ruidosas. La facilidad de control de los motores eléctricos me-diante circuitos electrónicos de potencia, permite regular la aceleración y pues-ta en marcha del tren de forma suave. No se precisa de sistemas de embrague pesados y de gran volumen. En la figura 9.1. se muestran los principales com-ponentes de una unidad que lleva un motor diésel para hacer girar un alternador el cual alimenta los motores eléctricos que impulsan la máquina. La ventaja de los motores eléctricos es que son mucho más silenciosos, disponen de un eleva-do par motor que permite iniciar el desplazamiento de grandes masas, y elimina los problemas de embrague, ya que empiezan a girar desde 0 revoluciones, cosa que no puede hacer un motor de combustión interna.

Fig. 9.1. Principales componentes de una máquina de tren eléctrica - híbrida.

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Acústica medioambiental vol. II

Como los motores eléctricos son mucho más pequeños se montan direc-tamente a la rueda del tren. Otra ventaja de la tracción eléctrica, es que ésta se puede producir en diferentes vagones del tren, de manera que la tracción queda repartida por diferentes puntos de la vía, mejorando la tracción del convoy. La figura 9.2. muestra el diagrama interior de una máquina 100% eléctrica con el pantógrafo de conexión exterior. La tensión alterna llega a la máquina a través del pantógrafo y vuelve a la central por la vía. Esta tensión alterna es rectificada y posteriormente “chopeada” por el inversor principal y los circuitos auxiliares los cuales alimentan los motores eléctricos.

Fig. 9.2. Diagrama de bloques de una máquina de tren 100% eléctrica.

La figura 9.3. muestra un diagrama de bloques de la conexión interna de una locomotora eléctrica. De hecho existen diferentes posibilidades en función del tipo de motor empleado. Los motores trifásicos no llevan sistemas de contactos, en cambio los antiguos de continua sí, y para controlarlos se hacía mediante redes de resistencias de elevada potencia y conmutadores mecánicos. Actualmente se pueden encontrar en el mercado motores “brushless” que llevan su propio control electrónico, y que permiten obtener unas prestaciones mecánicas en cuanto a potencia entregada, muy superiores a los convencionales. Entre otras ventajas el control electrónico puede variar la velocidad de rotación, desde cero, lo que permite a la locomotora iniciar la marcha sin brusquedades.

Fig. 9.3. Esquema simplificado de una máquina de tren 100% eléctrica.

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Hay que destacar que la tensión que llega por el pantógrafo es alterna. El bloque del inversor corresponde al control electrónico del motor y permite regular su velocidad y sentido de giro. El transformador es necesario ya que todos los circuitos electrónicos tienen sus terminales aislados del chasis del tren. El bloque inversor está formado por componentes electrónicos de estado sólido. Estos controlan la corriente enviada a las bobinas del motor pero usando una frecuencia elevada para aumentar su rendimiento. Las bobinas tanto del motor como del controlador pueden generar ruido al recibir este tipo de señales.

9.3. Ruido generado por máquinas eléctricas.Resulta evidente que las ventajas que la tracción con motores eléctricos

ofrece para los trenes es muy atractiva. Ahora bien, la forma de obtener la energía eléctrica necesaria define dos posibilidades:

La máquina es la que genera su propia energía y por tanto no se conecta 1. a ninguna red eléctrica externa.

La máquina tiene que conectarse a la red eléctrica. 2.

Los propulsores eléctricos pueden ser los mismos con las mismas carac-terísticas y generar el mismo ruido en ambas configuraciones. La diferencia entre ambas está en que las máquinas híbridas, llevan un motor de combustión interna que hace girar a los alternadores. Este motor genera unos niveles de ruido elevados a baja frecuencia y prácticamente independientes de la veloci-dad del tren. En definitiva pues, el tren 100% eléctrico es “a priori” más silen-cioso. Así mismo el desgaste de las diferentes partes mecánicas puede hacer variar estos niveles, tendiendo siempre a aumentar sus niveles. La figura 9.4. muestra el espectrograma correspondiente a un tren híbrido. En esta figura se observa el paso de la locomotora a los 5,5 segundos aproximadamente con un mayor nivel de ruido.

La figura 9.5. muestra la huella acústica (espectrograma) de un tren 100% eléctrico. En este caso el nivel de ruido es menor, pero no se detecta la pre-sencia de locomotora. Comparadas las dos huellas acústicas, se aprecia la simetría de esta última. La menor duración de la señal es debida a una mayor longitud del tren con locomotora híbrida y una mayor velocidad del tren eléc-trico. El tren híbrido iba a una velocidad de 85 Km/h, mientras que el eléc-trico iba a una velocidad de 105 Km/h. La energía radiada por el tren híbrido es notablemente superior al eléctrico.

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Fig. 9.4. Espectrograma de un tren híbrido. Se observa claramente la posición destacada de la máquina con un mayor contenido espectral y nivel más elevado.

Fig. 9.5. Espectrograma de un tren 100% eléctrico. El registro es prácticamente simétrico debido a que los motores se encuentran distribuidos.

9.3.1. Ejemplo de tren híbrido.La potencia total de los propulsores es de 0,96 MW, su velocidad

máxima es de 140 Km/h, pesa 87 Tm y tiene una longitud total de 55,6 m.

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Se han medido un total de 12 trenes de este tipo. La figura 9.6. muestra una imagen de este tren. Las mediciones se han realizado siguiendo el estándar ISO 3095. Los niveles de ruido generados por esta unidad con locomotora diésel suelen estar entre los 85-95 dB(A) a 10 metros de distancia. El motor diésel gira entre 750-1.500 r.p.m., generando ruido con una componente muy importante de bajas frecuencias. Estas bajas frecuencias se transmiten con mucha más facilidad al interior de los edificios cercanos, que las frecuencias altas. La figura 9.6. muestra el nivel global de un tren con propulsión diésel. Las mediciones se han realizado a 10 m. de distancia y a una altura de 1,5 m.

Fig. 9.6. Nivel de ruido global ponderado A generado por un tren diésel moderno en campo libre, a 10 m. de distancia y a diferentes velocidades.

La figura 9.6. muestra el ruido generado por el mismo tipo de tren a diferentes velocidades. La curva de regresión lineal ofrece un valor bastante aceptable (R2 = 0,9132). Las variaciones observadas son debidas a las diferencias con el número de pasajeros dentro del tren y con el tramo de vía escogido para realizar las mediciones, ya que la mayor o menor velocidad del tren se consigue alejándose más de la estación. Nótese que con este tipo de tren el nivel de ruido aumenta “linealmente” con la velocidad. El espectro generado lo podemos ver en la figura 9.7. Como se puede observar la componente que más destaca es la banda de 125 Hz, que corresponde al motor. Nótese que los niveles de ruido en esta banda presentan unas variaciones pequeñas con la velocidad, mientras que para las bandas superiores estas variaciones son mayores.

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La explicación está en que el motor diésel gira prácticamente a las mismas revoluciones independientemente de la velocidad del tren. A partir de la banda de 500 Hz los ruidos de rodadura, chasis y otras componentes con marcado carácter aleatorio aumentan con la velocidad, incrementando la dispersión de niveles sonoros.

Fig. 9.7. Espectro de ruido generado por un tren diésel moderno en campo libre, a 10 m. de distancia y a diferentes velocidades.

9.4. Ejemplo de tren 100% eléctrico.El modelo medido tiene una potencia de 1,59 MW, tiene una velocidad

máxima de 180 Km/h, pesa 180 Tm y tiene una longitud total de 53,9 m. La figura 9.8. muestra una imagen de este tren. Se han medido un total de 47 trenes de este tipo a diferentes velocidades. Como en el caso anterior, se trata de un tren moderno para el transporte de pasajeros en trayectos de corto recorrido (cercanías).

Los niveles de ruido generados por estas unidades modernas con locomotora eléctrica, suelen estar entre los 90-105 dB(A) a 10 metros de distancia. El tren eléctrico no dispone de una máquina tan diferenciada como en el caso de los trenes con propulsor diésel. Cada vagón tiene su propio motor o motores de propulsión. Mecánicamente la tracción es mejor, pero el ruido generado por los motores aparece en toda la longitud del convoy. El nivel global de ruido para distintas velocidades se muestra en la figura 9.8.

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Fig. 9.8. Nivel de ruido global ponderado A medido a 10m. de distancia de un tren con propulsión eléctrica.

Nótese que las variaciones de nivel sonoro respecto de la curva de regresión pueden ser debidas a las variaciones en la conducción, y especialmente de la carga. El valor de regresión obtenido es de R2 = 0,8446.

Se observa una mayor pendiente de la curva de regresión respecto del tren de propulsión híbrida mostrada anteriormente.

Fig. 9.9. Espectro de ruido generado por un tren eléctrico moderno medido en campo libre, a 10 m. de distancia y a diferentes velocidades.

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La figura 9.9. muestra el espectro de ruido. Se observa que la mayor contribución al ruido es en la banda de 1 KHz. El ruido medido no tiene la componente de baja frecuencia tan acusada como en el caso de la máquina diésel. Esto supone una ventaja de las máquinas eléctricas respecto de las diésel, ya que será más fácil eliminar estas componentes de ruido mediante tratamientos específicos. Sin embargo el ruido de la interacción entre las ruedas y la vía, requiere acciones correctoras externas al convoy. En los ejemplos mostrados, se destaca el mayor nivel de ruido generado por los trenes eléctricos, especialmente a las banda de 1 KHz. Esto pone en evidencia que aunque teóricamente las máquinas o trenes 100% eléctricos son más silenciosos, el mantenimiento y buena conservación de las partes móviles (ruedas y vías) son de crucial importancia.

9.5. Fuentes dependientes del movimiento.Dentro de las fuentes sonoras dependientes del movimiento del tren,

podemos considerar aquellas debidas en la interacción rueda / raíl, al ruido aerodinámico, y también cabe distinguir entre desplazamiento en línea recta o en curva.

La figura 9.10. muestra la contribución de los diferentes elementos al ruido de rodadura del tren. Uno de los ruidos que adquiere más importancia se produce en el contacto entre la rueda y la vía, especialmente cuando ésta presenta irregularidades o trayectorias curvas.

Fig.9.10. Generación del ruido de rodadura en un tren.

La figura 9.11. muestra la contribución individual de los diferentes tipos de ruido al nivel global generado por un tren. Como se puede comprobar el ruido de rodadura es bastante importante a velocidades elevadas. La figura ilustra con dos máquinas diferentes los extremos de este gráfico. A la izquierda, los trenes de baja velocidad donde el propulsor tiene una contribución importante

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sobre el nivel de ruido total. A la derecha los trenes de alta velocidad donde prácticamente toda la contribución queda repartida entre la rodadura y el ruido aerodinámico. Cabe remarcar que este ruido aerodinámico no es solamente el propio del cuerpo del tren sino de algunos elementos externos, como por ejemplo el pantógrafo.

9.11. Nivel global de presión acústica en función de la velocidad del tren. Contribución de las diferentes fuentes de ruido.

9.5.1. Ruido producido por el desplazamiento del tren.Dentro del ruido generado cuanto el tren se desplaza en línea recta

por la interacción rueda / raíl se engloban en un gran número de procesos generadores de ruido, que por su importancia deben ser estudiados de forma independiente. De forma general podemos pensar que el ruido se produce por la vibración de la rueda y el raíl, al rodar una sobre otra. La radiación de este ruido afecta tanto al propio tren (ruido interior) como al ruido exterior. El tren al no disponer de sistemas de dirección, es dirigido por acción de las pestañas de las ruedas, de manera que si bien en línea recta no aparecen en principio ruidos, es en las curvas donde el rozamiento de la pestaña con la parte interna del raíl, la que genera el conocido “squeal noise” o ruido de ululación. Cuando la vía presenta irregularidades en su trazado debido a alteraciones del terreno por donde pasa, el tren tiende a hacer pequeños movimientos laterales, y las pestañas de las ruedas hacen su papel de guía evitando que el tren se salga de su camino. Además de los fenómenos de rozamiento de las ruedas con la vía, las imperfecciones o irregularidades en ésta favorecen la aparición de

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excentricidades en las ruedas. Los fenómenos de rozamiento ocasionan un desgaste bastante irregular de las vías y ruedas, y en consecuencia la aparición de vibraciones. A pesar de no ser golpes o choques con obstáculos que la rueda puede encontrar sobre la vía que producirían unas marcas mucho más acusadas, aparecen fenómenos de corrugación, que se van acentuando con el paso de los trenes. Por otro lado la superficie de contacto entre la rueda y la vía no siempre es la misma, como muestra la figura 9.12.

Fig. 9.12. Banda de rodadura real de dos trenes distintos. Se observa como la superficie de contacto entre la vía y la rueda no siempre es la misma. Se observa a la derecha un ancho

de 4 cm. mientras que a la izquierda el ancho es sólo de 2 cm.

9.5.1.1. Efectos de la corrugación.El sistema de frenada de algunos trenes se basa en la colocación de bloques

de acero (zapatas) situadas de forma diametral, que cuando se accionan hacen contacto sobre la superficie de rodadura de la rueda (la que entra en contacto con el raíl), presionando ésta y reduciendo así su velocidad. La figura 9.12 izquierda muestra la zapata de freno de una de las ruedas. Este sistema se utiliza en trenes con velocidades inferiores a los 160 Km/h. Para velocidades más elevadas, el sistema puede causar un daño por efecto térmico importante sobre las ruedas, que se traduce en la aparición de irregularidades. El roce entre la zapata de freno y la rueda genera una gran cantidad de calor que puede llegar a deformar la rueda. Una rueda con pequeñas deformaciones al girar sobre la vía genera a su vez más imperfecciones y el proceso se traduce finalmente en un incremento paulatino de las vibraciones.

El fenómeno de corrugación lo podemos entender como la aparición de ondulaciones superficiales, tanto en la rueda como en el raíl. Estas irregularidades presentan ondulaciones longitudinales con picos espaciados

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cada 50 mm o más, y con una profundidad de varias décimas de milímetro, como muestra la figura 9.13. Para evitar este fenómeno deben mantenerse en perfecto estado las ruedas de los trenes. Esto requiere un mantenimiento preventivo, debiéndose rectificar periódicamente las ruedas.

Fig. 9.13. Detalle del fenómeno de corrugación sobre las vías y las ruedas de un tren. Se observa la ondulación longitudinal.

La presencia de estas irregularidades puede generar aumentos de hasta 20 dB(A), en función del grado de importancia del fenómeno. Las irregularidades aparecen al hacer uso del freno de pinza que puede desgastar más una parte de la rueda, rompiendo de esta manera su circunferencia. Estas irregularidades sobre la vía abarcan desde los 20 mm a los 200 mm de manera que con una velocidad de 100 Km/h se generan unas frecuencias de 1.400 Hz y de 140 Hz respectivamente. A partir de este momento el defecto va aumentando.

También el funcionamiento del tren introduce pequeñas oscilaciones de la caja del tren que son absorbidas por el sistema de suspensión, pero que poco a poco van “castigando” el conjunto rueda – vía. Este fenómeno no puede evitarse ya que siempre se producen pequeñas irregularidades en la base de la vía, que aparecen por pequeños movimientos del terreno. Hay que tener en cuenta que son desplazamientos de pocos milímetros los que pueden provocar estos fenómenos de corrugación. Evidentemente una de las formas de evitarlo es tener un sistema de mantenimiento continuo de ruedas y raíl. El mantenimiento consiste en tornear las ruedas una por una, lo cual significa dejar al convoy un tiempo en vía muerta. Además del coste económico, el tiempo en que la máquina o vagón están parados hace muy cara la solución. Este es un sistema conceptualmente sencillo, pero poco práctico por su coste. El segundo método para disminuir al máximo el efecto, es utilizar un sistema de frenado diferente. Desde hace un tiempo se instalan en los trenes de pasajeros con velocidades cercanas a 160 Km/h o superiores, sistemas de frenado de disco. Estos sistemas no afectan de forma directa la superficie de rodadura de la rueda, y disminuyen el

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efecto de corrugación. El freno de disco es similar al utilizado por la mayoría de coches del mercado. Se basa en un disco solidario al eje de la rueda, y mediante unas pastillas de freno de forma adecuada, se pinza con más o menos fuerza el disco, produciendo el efecto de frenado deseado. La ventaja de este método es que no desgasta la banda de rodadura de las ruedas del tren. La figura 9.14. muestra la evolución 3D del espectro del fenómeno de corrugación en función del tiempo. Se destaca un pico en la banda de los 500 Hz aproximadamente que se produce durante el paso del tren por la vía.

Fig. 9.14. Ruido producido por el fenómeno de corrugación.

Fig. 9.15. Corrección del fenómeno de corrugación observado en la figura 9.14.

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La figura 9.15. muestra el mismo tren sin el defecto de corrugación en la vía y en las ruedas. Nótese que en este caso desaparece el pico característico en la banda de los 500 Hz, aunque se intuye otro fenómeno parecido que se comenta más adelante en el apartado 9.6.2, y que se manifiesta con unos picos menos pronunciados situados en las bandas centrales del espectro.

9.5.1.2. Ruido de impacto.Este se produce por dos motivos:

Ruedas que presentan alguna parte plana debido a alguna incidencia. •Las juntas o cambios de vía que podemos encontrar en el recorrido. •

Las juntas entre los diferentes tramos de vía, hoy en día están muy bien resueltas y ya no ofrecen aquellos golpeteos característicos. De hecho los raíles están perfectamente unidos. La diferencia entre ambos fenómenos tiene características muy similares. Presencia fuerte de componentes impulsivas, que en el caso de tener su origen en las juntas de la vía, tiene una cadencia inferior. La figura 9.16. muestra este fenómeno en el caso de ser las ruedas el origen del problema. Se observa un espectro de banda ancha, con un cuadriculado de los picos de nivel sonoro sobre el plano frecuencia – tiempo producidos por la cadencia del paso de la rueda o ruedas deficientes.

Fig. 9.16. La presencia de ruedas con planitudes aumenta considerablemente los niveles de ruido emitidos por el paso del tren.

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9.5.2. Ruido en curvas.Las ruedas del tren, como en cualquier otro vehículo, van montadas sobre

un eje de forma que quedan paralelas. Este tipo de montaje no ofrece ningún problema siempre que la trayectoria sobre la cual se desplaza el convoy sea paralela al eje de las ruedas, es decir en línea recta, pero se generan problemas cuanto el tren sigue una curva. Al no disponer de un sistema de dirección o guiado como los vehículos a motor, el giro del tren se hace en base a la existencia de una pestaña sobre la rueda que va guiando esta para que no se salga de la vía. Esta fricción del conjunto propicia la aparición de un ruido característico formado por componentes tonales puras y con elevados niveles de ruido, que son fácilmente perceptibles por el oído y que generan mucha molestia.

Este ruido tiene su origen en tres posibles causas:

Arrastre lateral de la rueda sobre la vía. Son pequeñas oscilaciones 1. laterales del convoy que propician este movimiento.Rozamiento entre la pestaña de la rueda y la parte interior de la vía. 2. Fenómeno no evitable al no poseer dirección el convoy.Arrastre de la rueda sobre la vía, si están montadas solidarias sobre 3. el mismo eje. Normalmente este fenómeno se produce sobre la rueda exterior de la curva.

En este fenómeno se generan unos niveles de vibración en la rueda y ésta emite un ruido característico. Como la rueda es un elemento mecánicamente muy duro, de paredes gruesas, presenta muy poco amortiguamiento. La componente espectral de este ruido es muy característica, y se centra en las bandas altas. Se conoce con el nombre de “squeal noise” (ruido de grito, también mal llamado ululación). Evidentemente, cuanto más cerrada sea la curva más grande será el esfuerzo mecánico que deben hacer las pestañas de la rueda que deslizan sobre el raíl, y por tanto, más elevado será el nivel sonoro. El fenómeno se produce en la fricción entre la parte interior de la rueda sobre la parte interior del raíl, cosa que evita que el tren descarrile. Este rozamiento hace entrar en vibración a la rueda y también en menor medida a la vía.

El arrastre de la rueda sobre la vía representa la mayor contribución al “squeal noise”. En la trayectoria curva del tren se pueden producir dos tipos de ruido, el llamado “squeal noise” (ruido de grito) y el “howl noise” (ruido de ulular). El primero se produce por el rozamiento de la pestaña con la vía. Se puede minimizar amortiguando la rueda o bien también poniendo algún elemento líquido que lubrica la superficie de fricción. Este segundo método

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es uno de los más empleados por su sencillez, pero la presencia del líquido, puede producir problemas a los vehículos de dos ruedas que encontraran una superficie más deslizante y peligrosa.

Fig. 9.17. A la izquierda las ruedas del tren no pueden girar. A la derecha la deformación exagerada de una rueda en dos de sus modos de vibración.

La figura 9.18. muestra un espectrograma del fenómeno de “squeal noise”. Se trata del paso en curva a baja velocidad de un convoy. Nótese que el nivel es bastante irregular debido al fenómeno altamente no lineal de roce entre la pestaña interior y la vía.

Fig. 9.18. Espectrograma del ruido de “squeal noise”. Se observa un pico destacado en la banda de los 4 KHz característico de este fenómeno.

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Amortiguando las ruedas se puede minimizar este defecto como muestra la figura 9.19.

Fig. 9.19. Amortiguando las ruedas del tren, el pico que destacaba a 4 KHz de la figura 9.18 ha desaparecido.

Un efecto similar se consigue interponiendo un elemento líquido entre la rueda y la vía. Amortiguar la vía como se ha hecho recientemente en el trazado del tranvía en Barcelona será poco efectivo, ya que el elemento que radia ruido principalmente es la rueda y no la vía, que además en este caso está completamente enterrada. Se da la circunstancia de que a pesar de la gran inversión en materiales efectuada, el fenómeno se produce igualmente.

En el proceso de girar del tren se produce otro fenómeno, el “howl noise” o ruido de ulular. Este ruido se puede confundir con el ruido de corrugación en línea recta, pero este último presenta dos picos. De hecho este efecto es el causante de la aparición del fenómeno de corrugación en las curvas de la vía.

Se produce por la excitación de la rueda, a sus frecuencias naturales. Como muestra la figura 9.20. el ruido de ulular es similar al “squeal noise” por la presencia de componentes tonales puras, pero éste presenta unas bandas de ruido inferiores (500 Hz y 1 KHz). En la figura 9.18. se pueden observar los modos de vibración con una simulación numérica que corresponde a este fenómeno.

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Fig. 9.20. Ruido de ulular (howl noise).

El proyecto InfraStar enmarcado dentro del 5º Programa Europeo de Investigación iniciado el año 2000, tenía por objetivo desarrollar una superficie sobre la vía que minimizara los ruidos de “squeal y howl”.

Fig. 9.21. Soluciones técnicas a los ruidos “squeal y howl”.

9.6. Predicción del ruido de trenes.Existen diferentes métodos de predicción de ruido de trenes. Estos métodos

están basados en muchas experimentaciones con datos reales. Se aplican técnicas de propagación acústica y se tienen en cuenta todos los fenómenos de difracción, refracción, etc., así como las condiciones meteorológicas que son muy importantes en la propagación exterior del sonido.

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9.6.1. Modelo francés (SNCF).El nivel sonoro máximo percibido por un receptor situado en campo libre,

puede ser calculado a partir de la ecuación:

(9.1)

Donde: L0 es el nivel sonoro de referencia generado por un tren de un tipo

determinado, circulando a una velocidad v0, a una distancia d0, y a una altura normalizada.

k es el cociente que controla la atenuación con la distancia. d es la distancia del receptor al eje de la vía. v es la velocidad en Km/h . kd es la corrección por directividad.

Esta ecuación podemos considerarla válida hasta distancias de 250 m. desde el centro de la vía, para velocidades comprendidas entre 40 y 200 Km/h, propagación en campo libre y configuraciones clásicas de raíl y fijaciones.

9.6.1.1. Nivel de referencia L0.Como hemos visto anteriormente, existe un gran número de parámetros que

influyen en el ruido generado por un tren. Entre estos, los más significativos pueden ser aquellos que hacen referencia al estado de conservación del conjunto ruedas / raíl y la maquinaria. En diversos ensayos se han llegado a obtener dispersiones de ± 5 dB(A), en los niveles generados por unidades idénticas, circulando a la misma velocidad. Respecto del material del tren, el ruido depende no únicamente del tipo de ruedas, sino también de su uso y su estado de conservación. Respecto a la infraestructura, el ruido dependerá del tipo de soporte de la vía, tipo de fijación y estado de conservación de la superficie del raíl.

Siendo conscientes de esta dispersión, se muestran unos resultados procedentes de los estudios de impacto acústico generado por el tráfico de ferrocarril. Estos datos han sido obtenidos después de un gran número de mediciones de trenes realizados por los técnicos de la Societé Nationale de Chemins de Fer (S.N.C.F.). En la tabla 9.1. se presentan los valores L0 de referencia para diferentes trenes, a diferentes distancias d y a diferentes velocidades.

306


Tipo de tren Velocidad Km/h Nivel de referencia L0 dB(A)d = 7,5 m d = 15 m d = 25 m

Tren corto y metro 60 79 75 72Tren pasajeros

Rápidos•Expresos•

200140

10497

10094

9792

Tren mercancíasLentos•Rápidos•

80100

9396

8992

8689

LocomotorasAutoraíl•ETG o RTG•

120155

9296

8891

8589

Tabla 9.1. Ruido de trenes para diversas velocidades.

9.6.1.2. Atenuación con la distancia.Para estudiar la atenuación geométrica de un tren, podemos considerar

el tren como una línea de dipolos incoherentes. Este modelo propone que el nivel sonoro recibido por un observador, en una posición perpendicular al eje de las vías viene dado por la expresión 9.2.

(9.2)

Donde: Lmax es el nivel sonoro máximo. W es la potencia por unidad de longitud (Watios/m). ρc es la impedancia del aire (Ns/m3). L es la longitud de la fuente. d es la distancia desde la fuente al punto de observación.

La atenuación del nivel sonoro respecto del nivel sonoro a 25 metros viene expresada por la ecuación 9.3.

(9.3)

Donde: D0 = 25 / L y D = d / L, y d es la distancia desde la fuente al observador.

307


Si se conoce el nivel Lmax para un determinado tren de longitud l0 y a una distancia d, y necesitamos conocer el nivel Lmax para un tren de otra longitud y a la misma distancia, podemos calcular la diferencia de niveles mediante la expresión 9.4.

(9.4)

Donde: L0 es la longitud del tren del cual se conoce el nivel. L es la nueva longitud del tren. d es la distancia desde la fuente al observador.

Como es conocido, la atenuación debida a la absorción del aire depende de la frecuencia del sonido, y de la temperatura y humedad relativa del medio (aire). Aplicando los valores típicos de absorción aérea a un espectro medio de ruido de trenes, podemos considerar atenuaciones para ruido de vagones de entre 0,5 -1 dB(A) por cada 100 metros de distancia recorrida, mientras que para el ruido de locomotora será de 0,5 dB(A) por cada 100 metros de distancia recorrida.

De igual forma, la atenuación debida al terreno depende del tipo de superficie presente en el entorno. Esta atenuación “extra” únicamente tiene efecto a poca altura (2-5 metros). Para simplificar el cálculo de este efecto, y después de muchas mediciones, podemos considerar que la atenuación para ruido de vagones es de 4 dB(A)/100 m, mientras que para el ruido de locomotora es de 1,5 dB(A)/100m. Para simplificar todos estos cálculos, los elementos geométricos (longitud y tipo de tren), los efectos debidos a absorción del aire y del tipo de terreno, han estado integrados en un único coeficiente. Esta simplificación lleva a considerar que la atenuación con la distancia viene determinada por la ecuación 9.5.

'

00 k

ddlogkL)d(L +−= (9.5)

Donde: L(d) y L0 son los niveles sonoros a las distancias d y d0 respectivamente. k’ es un parámetro que depende de la velocidad y directividad. k es el parámetro que controlará la atenuación con la distancia del tren.

308


El parámetro k adoptará valores en función del tipo de tren. Para entender el porqué de esta dependencia, es suficiente con estudiar la propagación con la distancia de las fuentes puntuales y de las fuentes lineales. Para fuentes puntuales k = 20 (6dB/doble distancia), mientras que para fuentes lineales k = 10 (3dB/doble distancia). El valor de k se resume en la tabla 9.2.

Tipo de tren Valor k Atenuación(dB/doble distancia)

Trenes largos 12 3,6Trenes medianos 15 4,5Metro largo 14 - 16 4,2 – 4,8Metro corto 16 4,8Trenes cortos/ETG-RTG 17 5,1Locomotoras 20 6

Tabla 9.2. Valor de k para diversos trenes.

9.6.1.3. Efecto de la velocidad.La velocidad, como sucedía con el tráfico rodado, es una variable fundamental

para determinar el nivel sonoro generado por el tren. La dependencia que se obtiene con la velocidad presenta la forma de la expresión 9.6.

''

00 k

vvlogkL)d(L ++= (9.6)

Donde: k controla la dependencia con la velocidad. L0 es el nivel sonoro generado por el tren a una velocidad v0. k’’ depende de la distancia y la directividad del tren.

Aunque en diferentes ensayos se han registrado valores para k que varían entre 20 y 40, a efectos de predicción se asume un valor k = 30, esto significa un incremento de 9 dB(A) cada vez que se dobla la velocidad.

9.6.1.4. Directividad del ruido de trenes.Un tren en movimiento se comporta como una fuente compleja. En la

práctica podemos considerar que un tren se comporta como un dipolo acústico, que emite de forma direccional en un ángulo de 60º de abertura, como se representa en la figura 9.22. Se diferencian dos directividades:

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Directividad horizontal. Para la evaluación del nivel La. den, no tiene ninguna influencia.Directividad vertical. Tiene su importancia en función de la altura del b. punto receptor. Situación especialmente importante en propagación a larga distancia. Pero sobre todo lo más importante es la aplicación de barreras u obstáculos cercanos (edificios, etc.).

Fig. 9.22. Directividad vertical de un tren.

El cálculo de la atenuación debida en la directividad vertical, se puede realizar utilizando la ecuación empírica 9.7.

BA +α=α∆ (9.7)

Donde: ∆α es la atenuación en dB(A) asignada a un ángulo α (superior a 30º). A y B son coeficientes, el valor de los cuales después de muchas mediciones

es de A = 0,15 y B = - 4,5.

La atenuación suplementaria obtenida Kd se muestra en la tabla 9.3.

α 10º 20º 30º 40º 50º 60º 70º 80º 90ºKd dB(A) 0 0 0 1,5 3 4,5 6 7,5 9

Tabla 9.3. Valores de atenuación suplementaria (superiores a 30°) en la radiación vertical.

Hay que considerar también la directividad horizontal, pero como los estudios se realizan en términos de nivel equivalente Leq, y el tiempo de integración es mucho más grande que el tiempo de paso del tren, no es necesario considerarla.

Acústica Medioambiental Vol. II - Novedades · 13.1. Métodos de predicción de ruido de tráfico...

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