Directividad sonora horizontal de un vehículo automóvil circulando a alta velocidad

Resumen

La presente Tesis Doctoral recoge los aspectos básicos para la ejecución del ensayo de directividad sonora horizontal de un vehículo automóvil en condiciones de alta velocidad. A su vez, y como parte de este ensayo, se propone el uso de una antena lineal de micrófonos capaz de detectar la posición y velocidad del vehículo a lo largo de su trayectoria. Este sensor funciona como un sistema dual, ya que además de proporcionar la posición de la fuente, capta los niveles de presión sonora emitidos por la misma en gran parte de su perímetro lateral, proporcionando la directividad horizontal de la fuente ensayada. Como parte de la investigación, en primer lugar, se han estudiado los métodos de ensayo actualmente empleados para la obtención de la directividad sonora de diferentes tipos de fuentes paradas y en movimiento, medidas en los planos horizontal y vertical, así como la importancia relativa de este factor en algunos de los modelos de predicción de ruido actualmente empleados. Tras detectar la ausencia de una metodología capaz de proporcionar la información referente a la distribución sonora de una fuente en su plano principal de emisión, se han analizado una serie de alternativas iniciales de ensayo. Para establecer la idoneidad de los métodos propuestos, se ha realizado la simulación y el posterior análisis de los resultados obtenidos, determinando el margen de error introducido por cada uno de ellos en diferentes condiciones de ruido de fondo. Los resultados de esta simulación establecen como alternativa más viable el ensayo basado en la obtención de los niveles sonoros del vehículo, empleando un array lineal de micrófonos. Esta distribución de sensores se caracteriza por actuar como un único transductor altamente direccional, capaz de eliminar el ruido de fondo cuando el vehículo se encuentra a grandes distancias del sistema de medición. Gracias a esta propiedad del sistema, será posible obtener los niveles sonoros en ángulos de emisión extremos, imposibles de ser captados por un único sensor debido a la interferencia generada por el ruido de fondo. Para el desarrollo de este método de ensayo, fue necesario el estudio detallado de diferentes tipologías de antenas y distintas técnicas de tratamiento de datos para arrays de micrófonos. Las técnicas de tratamiento fueron catalogadas en dos grandes grupos: procesados dirigidos al análisis de señales emitiendo en banda estrecha y tratamientos orientados a trabajar con señales emitiendo en banda ancha. Los métodos de Capon, Music y Espectro Cruzado Espacial, fueron los seleccionados debido a las características de la fuente a ensayar y la antena a emplear. Toda esta información ha sido dispuesta para la consecución del primero de los objetivos principales de la presente Tesis, diseñar un sistema array de micrófonos para la localización y estimación de la velocidad de un vehículo rodado circulando por una trayectoria conocida. Para ello se propuso una antena lineal con un número limitado de sensores, con el fin de disponer de un sistema de fácil manejo y reducir los tiempos de procesado. Dadas las limitaciones que presenta un sistema de sensores con estas características y para mejorar sus resultados, se implementó en el procesado un algoritmo para la estimación de velocidades, basado en la aproximación por mínimos cuadrados. De forma teórica y experimental se estudio el comportamiento de una antena lineal con 7 micrófonos uniformemente distribuidos, así como una antena de 9 micrófonos proporcionalmente distribuidos, cambiando la orientación de las diferentes antenas respecto a la línea de paso de la fuente y las condiciones de ruido de fondo. Los resultados obtenidos con ambas distribuciones resultan altamente satisfactorios, proporcionando el ángulo de posición de la fuente y una función de velocidad con variaciones del orden de 1 m/s, durante tramos de más de 150 metros de recorrido. La antena uniformemente distribuida, ULA7, proporciona una desviación menor en sus resultados, debido a la focalización de todos sus sensores hacia una misma frecuencia, 1.000 Hz. Por el contrario, la antena proporcional, PROP9, presenta un comportamiento uniforme en todo el ancho de banda objeto de estudio, característica que primará a la hora de obtener la directividad sonora de la fuente. El resultado final de este proceso es la propuesta de un sistema capaz de obtener la velocidad de un vehículo circulando en una vía de trayectoria conocida durante parte de su recorrido, empleando únicamente el ruido producido por el mismo en su desplazamiento. Este cinemómetro sonoro está siendo patentado por el grupo de investigación del Laboratorio de Ingeniería Acústica y Vibraciones de la Universidad Miguel Hernández de Elche. Para obtener la directividad sonora, la antena de micrófonos deberá medir los niveles sonoros irradiados por la fuente en los diferentes ángulos de emisión. Con esta finalidad, se han definido las condiciones de ensayo y las características técnicas de la instrumentación a emplear. Bajo estas condiciones, la simulación del ensayo y la posterior puesta en marcha del mismo, proporciona resultados de directividad sonora en el perímetro lateral de emisión de la fuente medida, desde el ángulo de 20 hasta los 160, localizando los ángulos en los que el vehículo proyecta la máxima emisión. La representación gráfica de los resultados localiza la zona de máxima emisión entre los 25 y 40 respecto al eje de circulación de la vía, repitiéndose estos resultados para los diferentes ensayos realizados con las dos antenas propuestas. El estudio por frecuencias de los diagramas polares obtenidos, establecen la banda de 1.000 Hz como la que contribuye de forma principal en los niveles de la fuente, marcando la misma directividad, ya detectada para todo el ancho de banda. Por último y con la finalidad de comprobar el correcto funcionamiento del método propuesto, se definió un ensayo alternativo basado en una distribución semicircular de sensores equidistantes del punto de medición en 35 metros. El principal hándicap que presenta este ensayo y por el que fue inicialmente excluido como alternativa viable, es la exigencia de niveles de ruido de fondo extremadamente bajos durante la ejecución del mismo. Como resultado de las pruebas llevadas a cabo, los datos de directividad obtenidos presentan niveles de desviación muy pequeños respecto a los proporcionados por el ensayo con arrays, confirmando así el correcto funcionamiento de la metodología de ensayo propuesta. El trabajo realizado y las conclusiones obtenidas abren las puertas a nuevas líneas de investigación enmarcadas en la presente tesis doctoral. Por un lado se están estudiando posibles mejoras en el cinemómetro propuesto, con el fin de emplearlo como herramienta para el control de velocidad en condiciones de tráfico cotidianas. Otra línea de trabajo en desarrollo, propone la implementación de aspectos recogidos en el ensayo de directividad en las pruebas de homologación del vehículo, para conseguir una evaluación sonora real y más completa de los mismos.