Desarrollo de herramientas experimentales para la caracterización acústica de silenciadores en presencia de flujo medio

Abstract

[EN] The main objective of this Thesis is the development, design and implementation of an experimental test rig to obtain the acoustic characterization of mufflers and other elements of the exhaust line of internal combustion engines in the presence of mean flow. It has also been carried out a review of the models typically found in the literature for characterizing absorbent materials and perforated surfaces. Next, it has been studied the different indices representing the acoustic response of mufflers, and has been selected as most suitable index the transmission loss. First, a theoretical study of the governing equations of the acoustic phenomenon in ducts in the presence of mean flow has been carried out. Also, a review of the typical models found in the literature for characterizing absorbent materials and perforated surfaces has been achieved. Next, several indexes that represent the acoustic behavior of exhausts mufflers has been studied and the transmission loss has been selected as the most suitable. The matrix representation has been introduced through the plane wave model. It provides the acoustic characterization of the devices on the exhaust line. This representation allows obtaining the acoustic characterization of the complete exhaust line by multiplying the matrices that represent each element. Due to the limitation on frequency range of the one-dimensional theory, the numerical solution of the classical convective wave equation, that governs the acoustic phenomenon, has been obtained by means of the finite element method. The method has been particularized for axisymmetric geometries as the prototypes used. It has also been studied how to apply different boundary conditions to force acoustic velocity, the modeling of a perforated surface or an anechoic termination. The numerical solution obtained by the finite element method has been used to compare with experimental measurements. Furthermore, a detailed study of experimental techniques frequently used in the measurement of acoustic parameters has been carried out and an assessment of each indicating its suitability has been done for its use in the presence of mean flow analyzing advantages and disadvantages. As conclusion of the analysis it has been determined that the most interesting technique is the two microphones method. The original procedure contains some aspects associated which imply difficulties in the implementation in the presence of mean flow, such as the installation of an anechoic termination for the direct determination of the transmission loss and the excess time requirement for obtaining the same parameter using the alternative procedure which involves performing two separate tests. The experimental technique developed, based on the two microphones method, allows to carry out the two independent tests required simultaneously removing the need of an anechoic termination and reducing test time significantly. This aspect is especially critical in the presence mean flow because the environmental variables can change quickly. Finally, it has been implemented the experimental set-up designed and equipped it of the required instrumentation to measure environmental parameters and the acoustical signals. The validation of the developed technique has been carried out by obtaining the poles of the transfer matrix of a straight duct with uniform cross section that are available in the bibliography, with different values of mean flow. It has obtained the transmission loss for different types of exhaust mufflers, achieving in all cases satisfactory results.

[ES] El objetivo principal de esta Tesis es el desarrollo, diseño e implementación de un sistema experimental que permita obtener la caracterización acústica de silenciadores y otros elementos de la línea escape de motores de combustión en presencia de flujo medio. Para ello, en primer lugar, se ha hecho un estudio teórico de las ecuaciones que gobiernan el fenómeno acústico en conductos en presencia de flujo medio. También se ha llevado a cabo una revisión de los modelos que habitualmente se encuentran en la literatura para la caracterización de superficies perforadas y materiales absorbentes. A continuación, se han estudiado los diferentes índices que representan la respuesta acústica de silenciadores de escape, y se ha seleccionado como más conveniente el índice de pérdidas de transmisión. A través del modelo de onda plana se ha introducido la representación matricial que proporciona la caracterización acústica de los dispositivos presentes en la línea de escape. Dicha representación permite obtener la caracterización acústica de la línea de escape completa por multiplicación de las matrices que representan cada elemento. Debido a la limitación en frecuencia de la teoría unidimensional, se presenta el método de elementos finitos para la resolución numérica de la ecuación de ondas convectiva clásica que gobierna el fenómeno acústico. Se ha particularizado para geometrías con simetría de revolución como son los prototipos ensayados. También se ha abordado la aplicación de distintas condiciones de contorno para forzar una condición de velocidad acústica determinada, la modelización de una superficie perforada o de un extremo final anecoico. La solución numérica obtenida mediante el método de elementos finitos se ha empleado para comparar las medidas experimentales. Además, se ha llevado a cabo un estudio pormenorizado de las técnicas experimentales habitualmente empleadas en la medida de parámetros acústicos y se ha hecho una valoración de cada una de ellas indicando su idoneidad para la aplicación en presencia de flujo medio, analizando ventajas e inconvenientes. Del análisis llevado a cabo se ha determinado que la técnica más interesante es el método de los dos micrófonos. Dicha técnica lleva asociados aspectos que suponen una dificultad para su implementación en presencia de flujo medio, en concreto, la necesidad de disponer de un final anecoico para la obtención directa del índice de pérdidas de transmisión y el exceso de tiempo necesario para obtener el mismo parámetro mediante dos ensayos independientes. La técnica experimental desarrollada, basada en el método de los dos micrófonos, permite llevar a cabo los dos ensayos independientes necesarios de forma simultánea eliminando la necesidad de disponer de un final anecoico y reduciendo considerablemente el tiempo de ensayo. Esta ventaja está especialmente indicada en presencia de flujo medio debido a que las variables ambientales pueden cambiar con rapidez. Finalmente, se ha implementado el dispositivo experimental diseñado y se ha dotado la línea de la instrumentación necesaria para la medida de parámetros ambientales y el registro de señales acústicas. La validación de la técnica desarrollada se ha llevado a cabo en base a la obtención de los polos de la matriz de transferencia de un conducto de sección uniforme, disponibles en la bibliografía, con distintos valores de flujo medio. Con este montaje, se ha obtenido el índice de pérdidas de transmisión para distintas tipologías de silenciadores de escape, logrando en todos los casos resultados satisfactorios.

[CA] L'objectiu principal d'esta Tesi és el desenvolupament, disseny i implementació d'un sistema experimental que permeta obtindre la caracterització acústica de silenciadors i altres elements de la línia d'escapament de motors de combustió en presència de flux mig. Per això, en primer lloc, s'ha fet un estudi teòric de les equacions que governen el fenomen acústic en conductes amb presència de flux mig. També s'ha dut a terme una revisió dels models que habitualment es troben en la literatura per a la caracterització de superfícies perforades i materials absorbents. A continuació, s'han estudiat els diferents índexs que representen la resposta acústica de silenciadors d'escapament i s'ha seleccionat com més convenient l'índex de pèrdues de transmissió. A través del model d'ona plana s'ha introduït la representació matricial que proporciona la caracterització acústica dels dispositius presents en la línia d'escapament. Tal representació permet obtindre la caracterització acústica de la línia d'escapament completa per multiplicació de les matrius que representen cada element. A causa de la limitació en freqüència de la teoria unidimensional, es presenta el mètode d'elements finits per a la resolució numèrica de l'equació d'ones convectiva clàssica que governa el fenomen acústic. S'ha particularitzat per a geometries amb simetria de revolució com són els prototips assajats. També s'ha abordat l'aplicació de distintes condicions de contorn per a forçar una condició de velocitat acústica determinada, la modelització d'una superfície perforada o d'un extrem final anecoic. La solució numèrica obtinguda per mitjà del mètode d'elements finits s'ha empleat per a comparar les mesures experimentals. A més, s'ha dut a terme un estudi detallat de les tècniques experimentals habitualment empleades en la mesura de paràmetres acústics i s'ha fet una valoració de cada una d'elles indicant la seua idoneïtat per a l'aplicació en presència de flux mig, analitzant avantatges i inconvenients. De l'anàlisi dut a terme s'ha determinat que la tècnica més interessant és el mètode dels dos micròfons. Tal tècnica porta associats aspectes que suposen una dificultat per a la seua implementació en presència de flux mig, en concret, la necessitat de disposar d'un final anecoic per a l'obtenció directa de l'índex de pèrdues de transmissió i l'excés de temps necessari per a obtindre el mateix paràmetre per mitjà de dos assajos independents. La tècnica experimental desenvolupada, basada en el mètode dels dos micròfons, permet dur a terme els dos assajos independents necessaris de forma simultània eliminant la necessitat de disposar d'un final anecoic i reduint considerablement el temps d'assaig. Este avantatge està especialment indicat amb presència de flux mig pel fet que les variables ambientals poden canviar amb rapidesa. Finalment, s'ha implementat el dispositiu experimental dissenyat i s'ha dotat la línia de la instrumentació necessària per a la mesura de paràmetres ambientals i el registre de senyals acústics. La validació de la tècnica desenvolupada s'ha dut a terme basant-se en l'obtenció dels pols de la matriu de transferència d'un conducte de secció uniforme, disponibles en la bibliografia, amb distints valors de flux mig. S'ha obtingut l'índex de pèrdues de transmissió per a distintes tipologies de silenciadors d'escapament, aconseguint en tots els casos resultats satisfactoris.