Caracterización morfológica y geométrica de curvas tipo para diseño de pantallas acústicas tubulares y su aplicación al campo de la protección ambiental en la ingeniería civil

El desarrollo económico y social, a veces excesivamente rápido, que se ha producido en las últimas décadas ha generado una serie de problemas medioambientales generalmente más acuciantes en el entorno de las grandes ciudades. Dentro de este contexto y debido a este desarrollo exponencial de las actividades humanas, la contaminación acústica se ha convertido en uno de los problemas de peor solución, tanto a nivel de reducción como de atenuación, por lo que el diseño de pantallas acústicas está siendo uno de los objetivos prioritarios en la lucha contra la contaminación sonora. La expresión más extendida para designar a las barreras acústicas es la de pantallas acústicas, entendiéndose por éstas, muros de espesor relativamente pequeño concebidos como barreras acústicas. Hasta la fecha los avances en el diseño de estas pantallas han sido notables y ya se cuentan por cientos los kilómetros de las mismas que han sido construidas e instaladas, sobre todo en la periferia de las grandes ciudades cerca de las llamadas vías de tráfico rápido. Estos avances se han centrado sobre todo en el diseño de materiales de gran poder de absorción de las ondas, como método principal de atenuación, o bien en la forma geométrica de la superficie expuesta al tráfico, formas que por medio de reflexiones son capaces de anular o mitigar parte de la energía transportada por las ondas sonoras. A la vista de estos resultados las actuales pantallas acústicas reducen el nivel sonoro por atenuación, pero no son capaces de anular la onda incidente. Por otro lado, los últimos estudios de la tecnología japonesa en estos temas es el análisis del problema de borde, ya que este fenómeno de difracción es uno de los causantes principales del nivel sonoro en el trasdós de la pantalla. Pese a que es imposible anular este efecto de borde los estudios se han encauzado a intentar obtener una forma de la sección de la pantalla en su parte superior que sea capaz de mitigar este efecto, bien por interferencia entre las ondas incidentes o bien por superposición de diversos fenómenos de difracciones. En este orden de cosas entra a escena el concepto de pantalla tubular, como una nueva pantalla perforada que anula ondas sonoras basándose en el efecto físico de los tubos de Kundt. Su funcionamiento es debido a la propiedad de las ondas sonoras de producir resonancias al transmitirse dentro de cavidades de diferentes secciones tipo. Este tipo de pantallas se olvida del concepto clásico de pantalla acústica y su forma de atenuar el sonido y pasa al cálculo de la atenuación por eliminación de frecuencias. Esta tesis ofrece una nueva visión de este tipo de pantallas tubulares, optimizando su funcionamiento en función de la longitud de las cavidades tubulares, que han de ser diseñadas no de forma rectilínea, sino según directrices de curvas conocidas. El método operativo consistirá en aplicar las propiedades morfológicas de estas curvas a la propagación de ondas dentro de cavidades curvilíneas, obteniendo una serie de funciones de onda transmitidas y otras anuladas, lo que permite evaluar el porcentaje de energía que es capaz de anular cada tipo de curva para un espesor prefijado de pantalla. Este planteamiento nos permite elaborar un método de diseño y optimización por consideraciones exclusivamente geométricas, en función de un número muy reducido de parámetros, entre los que destaca la frecuencia que se presenta con mayor asiduidad, que es la principal causante del nivel sonoro. Asimismo, el método está apoyado en gran manera en un soporte gráfico, lo que le hace de sencilla aplicación incluso entre técnicos no excesivamente acostumbrados a trabajar con ondas sonoras. Como resumen final, las aportaciones más relevantes que incorpora esta tesis son las siguientes: Desarrollo práctico de la teoría global de pantallas acústicas tubulares ; Aplicación de la geometría clásica, en el concepto de longitudes de curvas tipo, a las técnicas de ingeniería del medio ambiente lo que representa un avance cualitativo notable ya que hasta la fecha no se había planteado la interacción de dos disciplinas en apariencia tan dispares y de conceptos tan heterogéneos ; Desarrollo de un método secuencial que es capaz de engarzar el análisis acústico de un cierto flujo de tráfico vehicular con el análisis geométrico de curvas tipo y dotar así al futuro diseñador de pantallas acústicas de una poderosa herramienta que le permita variar la tipología y forma de la pantalla en función de parámetros que pueden variar de manera aleatoria.

Instalación para el estudio de la propagación de ondas de presión en conductos y su aplicación en túneles para trenes de alta velocidad

Se ha construido una instalación experimental de bajo coste para realizar ensayos a escala de la onda de compresión que se generan en el interior de un túnel al introducirse en él un tren a alta velocidad, con el fin de estudiar posibles configuraciones para reducir la presión de la onda reflejada en la salida. El coeficiente de reflexión de varias terminaciones ha sido medido y la influencia de la porosidad en la salida ha sido evaluada utilizando el método de la pulsoreflectometría acústica A low-cost experimental facility has been built to perform scale measurements of the pressure waves generated by a high speed train entering inside a tunnel, in order to study possible configurations to reduce the pressure reflected back at the tunnel exit. The reflection coefficient of some tunnel terminations has been measured and the influence of the porosity at the exit has been evaluated by using the Acoustic Pulse Reflectometry method (APR).

Campo Acústico en Recintos de Planta en I En L y en U. Aplicación al Diseño Acústico en Restauración

Este trabajo aborda el estudio de la calidad acústica de restaurantes y propone la inteligibilidad como magnitud adecuada para su valoración. La conversación en el entorno de cada mesa se considera como señal de interés para quienes la ocupan, mientras que las conversaciones de los comensales de las restantes mesas se consideran ruido perturbador junto con el procedente de otras fuentes interiores o exteriores, ruido este que por otra parte suele estar limitado por ordenanzas o reglamentaciones ad hoc, a niveles muy por debajo del nivel de conversación medio y se suele tratar como un ruido estacionario homogéneamente distribuido en todo el restaurante. Las condiciones de inteligibilidad en cada mesa del restaurante deben ser equivalentes. La relación señal-ruido juega un papel primordial en todos los modelos objetivos de predicción de la inteligibilidad en recintos comúnmente aceptados en la actualidad. La calificación de la inteligibilidad de un recinto de restauración requiere un mapa de inteligibilidad en una retícula suficientemente fina que cubra la zona de público, en cuyos puntos se necesita calcular los niveles de señal y de ruido, así como el tiempo de reverberación u otro parámetro relacionado con la señal recibida en el tiempo de integración auditiva. Esto conlleva una cantidad ingente de potencia computacional tanto en memoria como en tiempo. Si se dispone de ecuaciones sencillas y fiables de distribución del nivel sonoro en función de la distancia a la fuente sonora los enormes requerimientos de cálculo mencionados podrían reducirse en un factor importante. La teoría estadística clásica de recintos presenta justamente este escenario, pero trabajos relativamente recientes de Barron y colaboradores indican la mejor adecuación de ecuaciones empíricas algo más complejas, dentro de la sencillez, las cuales a su vez han sido cuestionadas en parte por otros autores. La importancia de estas ecuaciones ha condicionado que en esta tesis se haya planeado un programa de exploraciones experimentales ambicioso, a la par que lo mas simplificado posible, para obtener distribuciones de campos sonoros en recintos prismáticos de plantas en forma de I, L y U; en donde se exploran trayectorias axiales y diagonales. En paralelo se exploro el tiempo de reverberación y se completo con estudios análogos en recintos acoplados formados a partir del recinto de planta en U, por su utilidad actual en recintos de interés arquitectónico rehabilitados para restaurantes. Por su facilidad operativa la experimentación se planteo en maquetas a escala reducida asegurando el cumplimiento de los requisitos en este tipo de estudios. Los resultados experimentales directos se corrigieron de los efectos alineales derivados de las descargas eléctricas usadas como señales de excitación, tanto en el tiempo de reverberación como en la distribución de niveles. Con este fin se desarrollaron ecuaciones de corrección de ambas magnitudes en función del parámetro de alinealidad en el rango de débil alinealidad. También se aplicaron correcciones del exceso de absorción sonora en el seno del aire a los valores de humedad relativa, temperatura y presión atmosféricas reinantes en el interior de las maquetas durante la experimentación, para las frecuencias transpuestas por el factor de escala, en relación con la escala real. Como resultado se obtuvo un paquete de archivos de datos experimentales correspondientes a condiciones lineales. Se ha mostrado que una generalización de la ecuación de Barron consigue un buen ajuste a los valores experimentales en todos los casos considerados, lo que apoya el gran fundamento de esta ecuación tipo. El conjunto de ecuaciones empíricas que ajusta cada caso particular solamente difiere en el valor de una de las tres constantes del tipo funcional: el factor ligado al término exponencial. Un valor de esta constante cercano al valor medio de la serie de casos estudiados se ha usado en el cálculo de los mapas de inteligibilidad en recintos prismáticos que se comentaran más adelante Los resultados experimentales del nivel sonoro a lo largo de trayectorias axiales y diagonales comparados a los calculados numéricamente con las ecuaciones empíricas presentan disminuciones justamente detrás de las esquinas de los recintos con plantas en forma de L y de U. Las aéreas de estas zonas afónicas son función de la frecuencia de manera bastante coincidente con las encontradas en las barreras de ruido por efecto de la difracción. A distancias superiores los valores experimentales caen de nuevo sobre las curvas empíricas. Se ha estudiado la influencia en los mapas de inteligibilidad del ruido de fondo, de la absorción sonora, de la distribución de las mesas, de la densidad de mesas por unidad de superficie, del porcentaje de ocupación y su distribución espacial así como de la posición de la mesa de señal. El ruido conversacional resulta ser el factor más adverso a la inteligibilidad. Al aumentar la densidad de mesas (ocupadas) la valoración de la inteligibilidad disminuye e inversamente. La influencia negativa de las mesas de ruido conversacional disminuye rápidamente al aumentar la distancia a la mesa de señal: pudiendo afirmarse que las 4 a 8 mesas mas próximas a la de señal, junto con la absorción total del recinto, constituyen los dos factores que condicionan la inteligibilidad influyendo negativamente el primero y positivamente el segundo. Este resultado difiere del ofrecido por la teoría geométrico estadística clásica donde todas las mesas tienen la misma influencia con independencia del sitio que ocupen en el recinto, y también con la teoría derivada de la ecuación de Barron, que ocupa una posición intermedia. Mayor absorción y menor densidad de mesas (ocupadas) mejoran la inteligibilidad en todos los casos pero la absorción no siempre puede neutralizar el efecto adverso de la densidad de mesas de la cual parece existir un valor frontera imposible de neutralizar en la práctica con incrementos de absorción. El grado de inteligibilidad en torno a la mesa de señal es poco sensible a la posición de esta dentro del recinto, resultado que simplifica el enunciado de criterios de calidad acústica de utilidad práctica tanto en diseño como en reglamentaciones de control. La influencia del ruido de fondo estacionario y homogéneo resulta de escasa o nula influencia en la inteligibilidad para niveles de hasta 50-55 dB, si se admite que los niveles normales de conversación se sitúan de 65 a 70 dB. La subdivisión del restaurante en subespacios menores mediante septa de separación parcial media y alta, presenta ventajas ya que dentro de cada subespacio la inteligibilidad no depende más que de las características de este

Mejora de los datos de entrada en la realización de un mapa de ruido y sus efectos en la incertidumbre

Debido a la existencia de recomendaciones europeas que establecen valores por defecto ante la ausencia de datos en el proceso de realización de un mapa de ruido [1], se ha evaluado la influencia de aplicar dichos valores en un caso concreto como es el mapa estratégico de ruido de Palma de Mallorca. Se compararon los resultados de la simulación tras aplicar dichos valores por defecto con niveles de ruido obtenidos mediante medidas experimentales y se analizaron las desviaciones para determinar la calidad del modelo. Después de obtener un primer resultado de calidad inaceptable, se ha cuantificado la mejora de los resultados tras la utilización de datos de entrada de mayor calidad al modelo acústico. Este análisis demuestra que el uso de datos por defecto, en ausencia de datos de entrada de mayor calidad, genera unos resultados con desviaciones superiores a los 9 dB. Consecuentemente, se obtuvieron nuevos datos de entrada al modelo con mayor calidad, analizando su efecto en la reducción de la incertidumbre del resultado final del mapa de ruido. El proceso de obtención de dichos datos consistió en el desarrollo de una actualización de los datos de tráfico con mayor número de datos de flujo; la implementación de una nueva categorización viaria; y la utilización de técnicas novedosas para la adquisición de composición y velocidad de tráfico

Efectos de los dispositivos de protección solar en el aislamiento acústico a ruido aéreo de las fachadas de los recintos. Estudio de casos

La fachada es la parte visible de un edificio que en general consta de diferentes sistemas constructivos. El índice de reducción acústica del cerramiento del hueco de la fachada de un recinto es determinante en el aislamiento acústico a ruido aéreo de la fachada del mismo. Una ventana es la parte transparente de la fachada y para mejorar su comportamiento térmico y controlar la radiación solar, se ha equipado con diferentes protecciones externas o internas, como por ejemplo las contraventanas, celosías, persianas, etc. En este trabajo se muestran los resultados experimentales de varias decenas de ensayos realizados, de las mediciones in situ del aislamiento acústico a ruido aéreo de las fachadas de recintos mediante la aplicación de la Norma UNE-EN ISO 140-5:1999. En cada uno de los recintos, los ensayos acústicos se han realizado en dos situaciones, con y sin protección solar. Posteriormente se ha analizado el comportamiento acústico de cada una de las protecciones solares.

Efectos de la vibración de la pared sobre la desviación estándar de L2 en ensayos UNE EN ISO 140-4 y 140-5

En los ensayos de aislamiento acústico según normas UNE EN ISO 140-4 y 140-5 el valor de L2 es un promedio espacio-temporal de los niveles de presión sonora medidos en diferentes posiciones de la sala receptora. La desviación estándar de estos valores se puede considerar como una medida de la uniformidad del campo sonoro en el recinto. Se analiza este parámetro en función de la frecuencia y se propone un cálculo teórico del mismo como una incertidumbre combinada de la desviación estándar derivada de modelos teóricos centrados en la geometría del recinto y la desviación estándar asociada a la vibración de la pared separadora

Coeficiente de absorción a incidencia normal de espumas de aluminio de poro abierto fabricadas mediante el método de infiltración

Dependiendo de la conexión entre sus poros, las espumas metálicas se clasifican en espumas de poro abierto o poro cerrado. La mayoría de las espumas que se comercializan actualmente son espumas de poro cerrado. Sin embargo, para algunas aplicaciones son más apropiadas las espumas de poro abierto. En este trabajo, se estudia el coeficiente de absorción en tubo de impedancia de espumas de aluminio de poro abierto fabricadas mediante el proceso de infiltración. Estas espumas se caracterizan por una estructura muy homogénea y por un elevado valor del coeficiente de absorción a bajas frecuencias cuando se combinan con una cámara de aire

Arquitectura y música. Policoralidad en la Capilla del Alcázar de Madrid

Esta tesis es un trabajo de investigación que profundiza en la concepción de la música en las capillas reales a lo largo de dos siglos de historia, su percepción y los rituales asociados. La Tesis persigue profundizar en todos los aspectos que relacionan la música y el espacio, así como aquéllos otros aspectos asociados a los diferentes protocolos y a la liturgia, con especial incidencia a la existencia de la policoralidad en la Corte de Madrid y su referencia espacial. El trabajo se centra en la Capilla Real del Alcázar de Madrid. Se ha realizado una exhaustiva labor de archivo, que ha permitido realizar una reconstrucción de la misma, teniendo en consideración las diferentes fases constructivas por las que fue evolucionando dicha Capilla. Se ha completado el estudio con la realización de un modelo 3D realizado por ordenador, que ha permitido comprobar las condiciones acústicas de la misma; También, se han analizado los instrumentos y voces que intervenían, y su ubicación física en el espacio, así como los materiales que recubrían los diferentes paramentos y que modulaban la percepción acústica del espacio. Tras la investigación se ha obtenido un nuevo marco documental sobre la Capilla del Alcázar, más exhaustivo que el existente, especialmente en los aspectos histórico y gráfico; y se han obtenido conclusiones novedosas sobre la relación existente entre música y arquitectura, destacando entre ellas la gran dependencia de aspectos de la vida de Corte, como la música y liturgia, de las Etiquetas que regían la Corte de Madrid.

Aportaciones a los sistemas de discriminación de fuentes sonoras en la medida de ruido en aeropuertos

La contaminación acústica se ha convertido en uno de los principales problemas en materia medioambiental de nuestra sociedad. La creciente preocupación ha propiciado la aparición de legislación, en los distintos ámbitos de la administración, cuyo objetivo consiste en gestionar y reducir la contaminación acústica y sus efectos sobre las personas y el medio ambiente. En este sentido, en relación a las infraestructuras del transporte, y de modo muy especial en los aeropuertos, el monitorado del ruido se convierte en una herramienta de suma importancia para la gestión del ruido, la planificación del territorio y la adopción de medidas correctoras (planes de acción). Los terminales de monitorado de ruido ambiental, que se utilizan fundamentalmente en los aeropuertos, realizan una medición del nivel de ruido ambiental, y evalúan la contaminación que generan las aeronaves al ambiente sonoro general. Para ello, deben ser capaces de medir la evolución temporal del ruido y discriminar aquellos eventos sonoros que se correspondan con el paso de un avión frente al ruido de fondo. Los requisitos aplicables a las unidades de medida, así como los procedimientos de medida implicados han sido descritos recientemente en normas internacionales, como la ISO 20906 o la ARP 4721. Es precisamente en el aspecto relacionado con la discriminación del origen del ruido, donde los sistemas existentes presentan las principales carencias, ya que, un sistema básico de monitorado de ruido realiza la detección de eventos a partir de las medidas de nivel sonoro, evaluando los incrementos de nivel mediante la utilización de umbrales. Dichos umbrales relacionan nivel sonoro y tiempo, de forma que se efectúa el marcado de eventos cuando el nivel de presión sonora, Lp(t), supera un valor determinado durante, al menos, un determinado intervalo temporal. Uno de los principales objetivos de esta tesis se centra en el análisis de los sistemas que existen para la discriminación de ruido de aeronaves, y en el análisis de las contribuciones de estos sistemas sobre la incertidumbre de la medida y el reporte de resultados. Para la consecución de dicho objetivo, se ha definido un modelo de incertidumbre que permite evaluar los diferentes factores de influencia y realizar una cuantificación de la incertidumbre para diferentes escenarios. Durante este proceso se han definido y analizado los conceptos de incertidumbre de detección e incertidumbre de identificación, ambos derivados del diagrama de bloques que propone la norma ISO 20906 para la discriminación del ruido producido por los aviones y el procesado de datos. Asimismo, se pretende abordar el problema de la discriminación de aeronaves con un enfoque novedoso, que permita mejorar el rendimiento de los sistemas y reducir la incertidumbre. Mediante un sistema basado en reconocimiento de patrones uniclase, se aborda esta tarea en base al análisis de la semejanza entre la señal sonora registrada y el sonido que producen los aviones, dejando al margen la magnitud del sonido. Las técnicas de reconocimiento de patrones, y reconocimiento automático de habla, han sido aplicadas previamente al reconocimiento de fuentes de ruido ambiental. Algunos de estos proyectos se han centrado en el ruido de aviones, pero la novedad en esta tesis radica en la aplicación de clasificadores uniclase en un sistema que detecta eventos sonoros gracias a la clasificación de los fragmentos que lo componen. Actualmente los sistemas de gestión de ruido aeroportuario enlazan los datos de ruido proporcionados por las estaciones de monitorado con los datos procedentes del sistema seguimiento de los vuelos de los aviones mediante radar. Este tipo de sistemas es el que ha presentado mayor aceptación y ha sido implantado en los sistemas de monitorado de ruido de los principales aeropuertos internacionales. Sin embargo, este enfoque requiere de equipamiento que permita realizar el seguimiento de la posición de avión, y, dado que únicamente utilizan los niveles sonoros medidos para enlazarlos con el avión que los origina, no será capaz de detectar errores derivados de la presencia de una fuente sonora secundaria cuando existe un avión en la zona. El sistema que se plantea con la realización de esta tesis supone un avance debido a que permite eliminar del proceso de discriminación los umbrales de nivel sonoro, analizando única y exclusivamente la semejanza entre las señales comparadas. De esta manera se pretende mejorar las tasas de error en la identificación, e incluir umbrales de semejanza que permitan eliminar los umbrales de nivel sonoro en el proceso de detección. La implementación del sistema complementando al resto de sistemas del aeropuerto, permitirá la ampliación de las capacidades en el monitorado y la reducción de los costes en las campañas de medición desatendida. Al tiempo que se introducen las técnicas de reconocimiento de patrones en los sistemas de discriminación de los monitores de ruido, se pretende sacar partido de las posibilidades abiertas para dotar al sistema de capacidades adicionales, como es el caso de la detección del ruido de reversa, que se produce tras el aterrizaje de los aviones. La reversa se activa tras el contacto con tierra por parte de los aviones, para reducir la velocidad y acortar la distancia de frenado de los aviones. Esta práctica se usa de forma habitual en los aterrizajes, especialmente en los casos en los que la salida que debe tomar el avión rumbo al terminal se encuentra demasiado próxima al punto de aterrizaje. El empuje inverso se debe a una alteración en el flujo normal de aire que atraviesa los motores, que produce un violento choque contra la carcasa del motor, originando vibraciones y flujo turbulento que se convierte en ruido. El ruido de reversa puede alcanzar unos niveles mucho mayores que el propio aterrizaje, y sus características dinámicas y espectrales lo convierten en especialmente molesto. Por este motivo la utilización injustificada (salvo por motivos de seguridad) está prohibida o es desaconsejada en un gran número de aeropuertos, a nivel internacional (especialmente durante el período nocturno). Sin embargo, las autoridades aeroportuarias carecen de herramientas eficientes y fiables que permitan detectar la utilización de reversa, siendo este punto uno de los aspectos tratados en esta investigación.

Rehabilitación sostenible del hueco en fachada como sistema especializado de baja tecnología para la regulación del ambiente interior en edificios residenciales de Andalucía (España)

El Proyecto Integrado de Desarrollo Tecnológico "Rehabilitación Sostenible" (RS) aprobado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial (CDTI) investiga sobre un sisitema integrado para la rehabilitación sostenible de edificios existentes, teniendo como objetivo prioritario la mejora de su eficiencia energética. Además de ese objetivo principal se persiguen otros como es mejorar las condiciones de habitabilidad de las viviendas. Este Trabajo Fin de Máster y su continuación en Tesis Doctoral se enmarcan en este proyecto. El Proyecto RS tiene entre sus objetivos encontrar maneras de aplicar soluciones constructivas bioclimáticas, pasivas o de acondicionamiento ambiental en los edificios residenciales existentes. En ellas el elemento hueco desempeña funciones fundamentales tanto en los sistemas pasivos de calefacción como de refrigeración. Este trabajo presenta una visión global del hueco en fachada como sistema especializado de baja tecnología que regula el ambiente interior de los edificios atendiendo a sus funciones diferenciadas con el objetivo de maximizar la contribución de este elemento constructivo a la eficiencia energética en edificios residenciales de Andalucía. Este objetivo se enfoca desde la perspectiva más amplia de la sostenibilidad que considera aspectos sociales y económicos además de medioambientales. Desde el punto de vista social, la investigación se plantea, centrando la atención en el usuario y en la importancia de su implicación para el éxito de una rehabilitación energética. El análisis de las posibilidades de mejora del hueco persigue aportar al usuario soluciones que le ofrezcan algo más que lo estrictamente energético: salud y confort. Desde lo económico, se buscan soluciones de baja tecnología, que tengan una buena relación coste-beneficio, soluciones homologadas por la experiencia que, en la actualidad, necesitan ser revisadas y cuantificadas en términos de ahorro energético y de reducción de emisiones de CO2 para que su contribución pueda ser valorada adecuadamente. La integración de métodos tradicionales con tecnología contemporánea y la interacción del usuario se presentan como punto de partida necesario para el diseño de soluciones de huecos en fachada de edificios residenciales que sean sostenibles. En primer lugar, la investigación aborda las propiedades del hueco en fachada relacionadas con la energía. A partir de ahí se revisan otras funciones del hueco más allá de la de filtro de frío y de calor, calidad de aire interior, refrigeración natural, iluminación natural, protección acústica, seguridad, visión del exterior, protección de la intimidad y función estética. Cada función se relaciona con la normativa española de obligado cumplimiento que le afecta y con los criterios de la herramienta de evaluación medioambiental VERDE que las recoge. La investigación se complementa con el Caso de Estudio de uno de los pilotos demostradores del proyecto RS (bloque de 140 viviendas en Av Jacinto Benavente 40, Málaga) en el que se evalúa el comportamiento energético de los huecos de su fachada principal considerando la mejora de las condiciones de habitabilidad como un aspecto social fundamental de la rehabilitación.

Amplificador de señal analógico basado en conceptos biomiméticos. Desarrollo de modelos computacionales y validación experimental

La presente tesis doctoral estudia las características de un transductor acústico bioinspirado en la estructura del maxilar inferior de un Zifio de Couvier (Ziphius cavirostris). El mecanismo de funcionamiento del sensor se basa en las características de un sistema acoplado formado por los distintos componentes acústicos identificados en el maxilar. Para analizar las características del sensor se propone un modelo simplificado 2D que consta de una cavidad cerrada con forma de bocina acoplada a una lengüeta. Una parte de la lengüeta se encuentra dentro de la cavidad y otra en el exterior. Dicha lengüeta detecta los cambios de presión acústica y las vibraciones generadas por el sonido y las transmite con ondas de flexión al interior de la cavidad. La excitación prolongada sobre la placa puede provocar la activación de los modos propios del sistema acoplado. Dichos modos se caracterizan porque presentan un máximo de presión en el cono de la bocina la cual a su vez actúa como un amplificador acústico. Mediante el Método de los elementos Finitos se analizan las características acústicas del sensor y se construye un prototipo experimental para validar los resultados evaluados en el modelo numérico. Se propone una metodología numérica que permite desarrollar y validar un elemento tetraédrico para caracterizar el comportamiento isotrópico de los medios porosos. La metodología permite construir elementos de línea y bidimensionales. A partir de esta metodología se desarrolla un elemento plano ortotrópico. Se realiza un modelo de la cavidad en el que una de las paredes de la bocina está constituida por material poroso y se une la parte exterior de la lengüeta a dicho material para que constituya una viga sobre un apoyo elástico. Se calcula la respuesta modal y se discuten los efectos del material poroso en la eficiencia del transductor y las posibles mejoras a introducir en el mismo. SUMMARY This Thesis studies the characteristics of an acoustic transducer bioinspired by the structure of the lower maxilla of an odontoceto. In this case a Cuvier’s beaked whale (Ziphius cavirostris). The transducer working mechanism is based in a coupled system, with components identified in the maxilla. To analyze the transducer a simplified 2D model composed by a horn shaped closed cavity is modeled. The cavity is coupled with a flat belt. The belt has one part inside the cavity and the other part outside of it. The belt traverses the cavity wall and it is in charge to pick the vibrations from outside and introduce it inside the cavity. The transmission is obtained through the belt bending. A sustained external load with the right frequency contents will allow the system to reach a stationary pressure intensity distribution inside the cavity. Frequencies with modal shapes that show an important intensity increase at the horn tip are of special interest because of the signal amplification. A finite element model is constructed to study the transducer coupled modes and a prototype is constructed to validate the numerical results. A numerical methodology to construct and validate a tetrahedral finite element for isotropic porous materials is presented. The methodology allows constructing linear and 2D elements. It is extended to model orthotropic porous materials behavior. At the end, one of the horn walls is made of an orthotropic material and the external belt is glued to it in order to configure a belt over an elastic foundation. Modal response is evaluated and the porous material effects in the transducer efficiency and further improvements are discussed.

Análisis y clasificación de maderas mediante técnicas no invasivas de baja energía

El estudio de materiales, especialmente biológicos, por medios no destructivos está adquiriendo una importancia creciente tanto en las aplicaciones científicas como industriales. Las ventajas económicas de los métodos no destructivos son múltiples. Existen numerosos procedimientos físicos capaces de extraer información detallada de las superficie de la madera con escaso o nulo tratamiento previo y mínima intrusión en el material. Entre los diversos métodos destacan las técnicas ópticas y las acústicas por su gran versatilidad, relativa sencillez y bajo coste. Esta tesis pretende establecer desde la aplicación de principios simples de física, de medición directa y superficial, a través del desarrollo de los algoritmos de decisión mas adecuados basados en la estadística, unas soluciones tecnológicas simples y en esencia, de coste mínimo, para su posible aplicación en la determinación de la especie y los defectos superficiales de la madera de cada muestra tratando, en la medida de lo posible, no alterar su geometría de trabajo. Los análisis desarrollados han sido los tres siguientes: El primer método óptico utiliza las propiedades de la luz dispersada por la superficie de la madera cuando es iluminada por un laser difuso. Esta dispersión produce un moteado luminoso (speckle) cuyas propiedades estadísticas permiten extraer propiedades muy precisas de la estructura tanto microscópica como macroscópica de la madera. El análisis de las propiedades espectrales de la luz laser dispersada genera ciertos patrones mas o menos regulares relacionados con la estructura anatómica, composición, procesado y textura superficial de la madera bajo estudio que ponen de manifiesto características del material o de la calidad de los procesos a los que ha sido sometido. El uso de este tipo de láseres implica también la posibilidad de realizar monitorizaciones de procesos industriales en tiempo real y a distancia sin interferir con otros sensores. La segunda técnica óptica que emplearemos hace uso del estudio estadístico y matemático de las propiedades de las imágenes digitales obtenidas de la superficie de la madera a través de un sistema de scanner de alta resolución. Después de aislar los detalles mas relevantes de las imágenes, diversos algoritmos de clasificacion automatica se encargan de generar bases de datos con las diversas especies de maderas a las que pertenecían las imágenes, junto con los márgenes de error de tales clasificaciones. Una parte fundamental de las herramientas de clasificacion se basa en el estudio preciso de las bandas de color de las diversas maderas. Finalmente, numerosas técnicas acústicas, tales como el análisis de pulsos por impacto acústico, permiten complementar y afinar los resultados obtenidos con los métodos ópticos descritos, identificando estructuras superficiales y profundas en la madera así como patologías o deformaciones, aspectos de especial utilidad en usos de la madera en estructuras. La utilidad de estas técnicas esta mas que demostrada en el campo industrial aun cuando su aplicación carece de la suficiente expansión debido a sus altos costes y falta de normalización de los procesos, lo cual hace que cada análisis no sea comparable con su teórico equivalente de mercado. En la actualidad gran parte de los esfuerzos de investigación tienden a dar por supuesto que la diferenciación entre especies es un mecanismo de reconocimiento propio del ser humano y concentran las tecnologías en la definición de parámetros físicos (módulos de elasticidad, conductividad eléctrica o acústica, etc.), utilizando aparatos muy costosos y en muchos casos complejos en su aplicación de campo. Abstract The study of materials, especially the biological ones, by non-destructive techniques is becoming increasingly important in both scientific and industrial applications. The economic advantages of non-destructive methods are multiple and clear due to the related costs and resources necessaries. There are many physical processes capable of extracting detailed information on the wood surface with little or no previous treatment and minimal intrusion into the material. Among the various methods stand out acoustic and optical techniques for their great versatility, relative simplicity and low cost. This thesis aims to establish from the application of simple principles of physics, surface direct measurement and through the development of the more appropriate decision algorithms based on statistics, a simple technological solutions with the minimum cost for possible application in determining the species and the wood surface defects of each sample. Looking for a reasonable accuracy without altering their work-location or properties is the main objetive. There are three different work lines: Empirical characterization of wood surfaces by means of iterative autocorrelation of laser speckle patterns: A simple and inexpensive method for the qualitative characterization of wood surfaces is presented. it is based on the iterative autocorrelation of laser speckle patterns produced by diffuse laser illumination of the wood surfaces. The method exploits the high spatial frequency content of speckle images. A similar approach with raw conventional photographs taken with ordinary light would be very difficult. A few iterations of the algorithm are necessary, typically three or four, in order to visualize the most important periodic features of the surface. The processed patterns help in the study of surface parameters, to design new scattering models and to classify the wood species. Fractal-based image enhancement techniques inspired by differential interference contrast microscopy: Differential interference contrast microscopy is a very powerful optical technique for microscopic imaging. Inspired by the physics of this type of microscope, we have developed a series of image processing algorithms aimed at the magnification, noise reduction, contrast enhancement and tissue analysis of biological samples. These algorithms use fractal convolution schemes which provide fast and accurate results with a performance comparable to the best present image enhancement algorithms. These techniques can be used as post processing tools for advanced microscopy or as a means to improve the performance of less expensive visualization instruments. Several examples of the use of these algorithms to visualize microscopic images of raw pine wood samples with a simple desktop scanner are provided. Wood species identification using stress-wave analysis in the audible range: Stress-wave analysis is a powerful and flexible technique to study mechanical properties of many materials. We present a simple technique to obtain information about the species of wood samples using stress-wave sounds in the audible range generated by collision with a small pendulum. Stress-wave analysis has been used for flaw detection and quality control for decades, but its use for material identification and classification is less cited in the literature. Accurate wood species identification is a time consuming task for highly trained human experts. For this reason, the development of cost effective techniques for automatic wood classification is a desirable goal. Our proposed approach is fully non-invasive and non-destructive, reducing significantly the cost and complexity of the identification and classification process.

Acoustic properties of microperforated panels and their optimizatión by simulated annealing

This thesis investigates the acoustic properties of microperforated panels as an alternative to passive noise control. The first chapters are devoted to the review of analytical models to obtain the acoustic impedance and absorption coefficient of perforated panels. The use of panels perforated with circular holes or with slits is discussed. The theoretical models are presented and some modifications are proposed to improve the modeling of the physical phenomena occurring at the perforations of the panels. The absorption band is widened through the use of multiple layer microperforated panels and/or the combination of a millimetric panel with a porous layer that can be a fibrous material or a nylon mesh. A commercial micrometric mesh downstream a millimetric panel is proposed as a very efficient and low cost solution for controlling noise in reduced spaces. The simulated annealing algorithm is used in order to optimize the panel construction to provide a maximum of absorption in a determined wide band frequency range. Experiments are carried out at normal sound incidence and plane waves. One example is shown for a double layer microperforated panel subjected to grazing flow. A good agreement is achieved between the theory and the experiments. RESUMEN En esta tesis se investigan las propiedades acústicas de paneles micro perforados como una alternativa al control pasivo del ruido. Los primeros capítulos están dedicados a la revisión de los modelos de análisis para obtener la impedancia acústica y el coeficiente de absorción de los paneles perforados. El uso de paneles perforados con agujeros circulares o con ranuras es discutido. Se presentan diferentes modelos y se proponen algunas modificaciones para mejorar la modelización de los fenómenos físicos que ocurren en las perforaciones. La banda de absorción se ensancha a través del uso de capas múltiples de paneles micro perforados y/o la combinación de un panel de perforaciones milimétricas combinado con una capa porosa que puede ser un material fibroso o una malla de nylon. Se propone el uso de una malla micrométrica detrás de un panel milimétrico como una solución económica y eficiente para el control del ruido en espacios reducidos. El algoritmo de recocido simulado se utiliza con el fin de optimizar la construcción de paneles micro perforados para proporcionar un máximo de absorción en una banda determinada frecuencias. Los experimentos se llevan a cabo en la incidencia normal de sonido y ondas planas. Se muestra un ejemplo de panel micro perforado de doble capa sometido a flujo rasante. Se consigue un buen acuerdo entre la teoría y los experimentos.

Curing, defects and mechanical performance of fiber-reinforced composites

Tradicionalmente, la fabricación de materiales compuestos de altas prestaciones se lleva a cabo en autoclave mediante la consolidación de preimpregnados a través de la aplicación simultánea de altas presiones y temperatura. Las elevadas presiones empleadas en autoclave reducen la porosidad de los componentes garantizando unas buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, este sistema de fabricación conlleva tiempos de producción largos y grandes inversiones en equipamiento lo que restringe su aplicación a otros sectores alejados del sector aeronáutico. Este hecho ha generado una creciente demanda de sistemas de fabricación alternativos al autoclave. Aunque estos sistemas son capaces de reducir los tiempos de producción y el gasto energético, por lo general, dan lugar a materiales con menores prestaciones mecánicas debido a que se reduce la compactación del material al aplicar presiones mas bajas y, por tanto, la fracción volumétrica de fibras, y disminuye el control de la porosidad durante el proceso. Los modelos numéricos existentes permiten conocer los fundamentos de los mecanismos de crecimiento de poros durante la fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica mediante autoclave. Dichos modelos analizan el comportamiento de pequeños poros esféricos embebidos en una resina viscosa. Su validez no ha sido probada, sin embargo, para la morfología típica observada en materiales compuestos fabricados fuera de autoclave, consistente en poros cilíndricos y alargados embebidos en resina y rodeados de fibras continuas. Por otro lado, aunque existe una clara evidencia experimental del efecto pernicioso de la porosidad en las prestaciones mecánicas de los materiales compuestos, no existe información detallada sobre la influencia de las condiciones de procesado en la forma, fracción volumétrica y distribución espacial de los poros en los materiales compuestos. Las técnicas de análisis convencionales para la caracterización microestructural de los materiales compuestos proporcionan información en dos dimensiones (2D) (microscopía óptica y electrónica, radiografía de rayos X, ultrasonidos, emisión acústica) y sólo algunas son adecuadas para el análisis de la porosidad. En esta tesis, se ha analizado el efecto de ciclo de curado en el desarrollo de los poros durante la consolidación de preimpregnados Hexply AS4/8552 a bajas presiones mediante moldeo por compresión, en paneles unidireccionales y multiaxiales utilizando tres ciclos de curado diferentes. Dichos ciclos fueron cuidadosamente diseñados de acuerdo a la caracterización térmica y reológica de los preimpregnados. La fracción volumétrica de poros, su forma y distribución espacial se analizaron en detalle mediante tomografía de rayos X. Esta técnica no destructiva ha demostrado su capacidad para analizar la microestructura de materiales compuestos. Se observó, que la porosidad depende en gran medida de la evolución de la viscosidad dinámica a lo largo del ciclo y que la mayoría de la porosidad inicial procedía del aire atrapado durante el apilamiento de las láminas de preimpregnado. En el caso de los laminados multiaxiales, la porosidad también se vio afectada por la secuencia de apilamiento. En general, los poros tenían forma cilíndrica y se estaban orientados en la dirección de las fibras. Además, la proyección de la población de poros a lo largo de la dirección de la fibra reveló la existencia de una estructura celular de un diámetro aproximado de 1 mm. Las paredes de las celdas correspondían con regiones con mayor densidad de fibra mientras que los poros se concentraban en el interior de las celdas. Esta distribución de la porosidad es el resultado de una consolidación no homogenea. Toda esta información es crítica a la hora de optimizar las condiciones de procesado y proporcionar datos de partida para desarrollar herramientas de simulación de los procesos de fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Adicionalmente, se determinaron ciertas propiedades mecánicas dependientes de la matriz termoestable con objeto de establecer la relación entre condiciones de procesado y las prestaciones mecánicas. En el caso de los laminados unidireccionales, la resistencia interlaminar depende de la porosidad para fracciones volumétricas de poros superiores 1%. Las mismas tendencias se observaron en el caso de GIIc mientras GIc no se vio afectada por la porosidad. En el caso de los laminados multiaxiales se evaluó la influencia de la porosidad en la resistencia a compresión, la resistencia a impacto a baja velocidad y la resistencia a copresión después de impacto. La resistencia a compresión se redujo con el contenido en poros, pero éste no influyó significativamente en la resistencia a compresión despues de impacto ya que quedó enmascarada por otros factores como la secuencia de apilamiento o la magnitud del daño generado tras el impacto. Finalmente, el efecto de las condiciones de fabricación en el proceso de compactación mediante moldeo por compresión en laminados unidireccionales fue simulado mediante el método de los elementos finitos en una primera aproximación para simular la fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Los parámetros del modelo se obtuvieron mediante experimentos térmicos y reológicos del preimpregnado Hexply AS4/8552. Los resultados obtenidos en la predicción de la reducción de espesor durante el proceso de consolidación concordaron razonablemente con los resultados experimentales. Manufacturing of high performance polymer-matrix composites is normally carried out by means of autoclave using prepreg tapes stacked and consolidated under the simultaneous application of pressure and temperature. High autoclave pressures reduce the porosity in the laminate and ensure excellent mechanical properties. However, this manufacturing route is expensive in terms of capital investment and processing time, hindering its application in many industrial sectors. This fact has driven the demand of alternative out-of-autoclave processing routes. These techniques claim to produce composite parts faster and at lower cost but the mechanical performance is also reduced due to the lower fiber content and to the higher porosity. Corrient numerical models are able to simulate the mechanisms of void growth in polymer-matrix composites processed in autoclave. However these models are restricted to small spherical voids surrounded by a viscous resin. Their validity is not proved for long cylindrical voids in a viscous matrix surrounded by aligned fibers, the standard morphology observed in out-of-autoclave composites. In addition, there is an experimental evidence of the detrimental effect of voids on the mechanical performance of composites but, there is detailed information regarding the influence of curing conditions on the actual volume fraction, shape and spatial distribution of voids within the laminate. The standard techniques of microstructural characterization of composites (optical or electron microscopy, X-ray radiography, ultrasonics) provide information in two dimensions and are not always suitable to determine the porosity or void population. Moreover, they can not provide 3D information. The effect of curing cycle on the development of voids during consolidation of AS4/8552 prepregs at low pressure by compression molding was studied in unidirectional and multiaxial panels. They were manufactured using three different curing cycles carefully designed following the rheological and thermal analysis of the raw prepregs. The void volume fraction, shape and spatial distribution were analyzed in detail by means of X-ray computed microtomography, which has demonstrated its potential for analyzing the microstructural features of composites. It was demonstrated that the final void volume fraction depended on the evolution of the dynamic viscosity throughout the cycle. Most of the initial voids were the result of air entrapment and wrinkles created during lay-up. Differences in the final void volume fraction depended on the processing conditions for unidirectional and multiaxial panels. Voids were rod-like shaped and were oriented parallel to the fibers and concentrated in channels along the fiber orientation. X-ray computer tomography analysis of voids along the fiber direction showed a cellular structure with an approximate cell diameter of 1 mm. The cell walls were fiber-rich regions and porosity was localized at the center of the cells. This porosity distribution within the laminate was the result of inhomogeneous consolidation. This information is critical to optimize processing parameters and to provide inputs for virtual testing and virtual processing tools. In addition, the matrix-controlled mechanical properties of the panels were measured in order to establish the relationship between processing conditions and mechanical performance. The interlaminar shear strength (ILSS) and the interlaminar toughness (GIc and GIIc) were selected to evaluate the effect of porosity on the mechanical performance of unidirectional panels. The ILSS was strongly affected by the porosity when the void contents was higher than 1%. The same trends were observed in the case of GIIc while GIc was insensitive to the void volume fraction. Additionally, the mechanical performance of multiaxial panels in compression, low velocity impact and compression after impact (CAI) was measured to address the effect of processing conditions. The compressive strength decreased with porosity and ply-clustering. However, the porosity did not influence the impact resistance and the coompression after impact strength because the effect of porosity was masked by other factors as the damage due to impact or the laminate lay-up. Finally, the effect of the processing conditions on the compaction behavior of unidirectional AS4/8552 panels manufactured by compression moulding was simulated using the finite element method, as a first approximation to more complex and accurate models for out-of autoclave curing and consolidation of composite laminates. The model parameters were obtained from rheological and thermo-mechanical experiments carried out in raw prepreg samples. The predictions of the thickness change during consolidation were in reasonable agreement with the experimental results.