Habilitar túneles de viento para localizar fuentes de ruido

Los túneles de viento se construyeron originalmente para ver el flujo. Dentro de una sección de ensayo controlada, los ingenieros dirigen un flujo de aire a una velocidad determinada sobre vehículos, alas, UAV, palas de rotor o modelos a escala. Analizando distribuciones de presión, fuerzas y momentos aerodinámicos, visualización con humo, Velocimetría por Imagen de Partículas (PIV) y mediciones de balanza, pueden determinar si se produce separación de flujo, si se reduce la resistencia o si la sustentación se mantiene estable.

Hoy en día, sin embargo, los túneles de viento están asumiendo un nuevo papel cada vez más importante: escuchar el sonido. Para muchos productos, la competitividad ya no viene determinada únicamente por el rendimiento o la eficiencia aerodinámica. También la define lo silencioso que es el producto.

En los vehículos eléctricos, la reducción del ruido del tren motriz hace que el ruido aerodinámico del viento sea mucho más perceptible para los pasajeros durante la circulación a alta velocidad. Los UAV y las aeronaves eVTOL deben reducir el ruido de los rotores para posibilitar aplicaciones urbanas y de baja altitud más amplias. Las palas de aerogeneradores, los sistemas de ventilación y los componentes aeroespaciales se enfrentan todos a exigencias crecientes relacionadas con la normativa sobre ruido, las expectativas de confort de los usuarios y los requisitos de optimización estructural.

Como resultado, ha surgido una nueva pregunta en los ensayos en túneles de viento:

¿De dónde procede exactamente el ruido?

Por qué los túneles de viento necesitan grandes matrices acústicas

Un único micrófono puede medir niveles de presión sonora, pero no puede responder fácilmente a la pregunta de dónde se encuentra la fuente de ruido.

En los ensayos en túneles de viento, el ruido suele originarse en múltiples ubicaciones estructurales. En el caso de los vehículos, las fuentes pueden incluir el pilar A, los retrovisores laterales, los pasos de rueda o las zonas del subsuelo del vehículo. En UAV y componentes aeroespaciales, el ruido puede originarse en puntas de rotor, bordes de alas, bordes de salida de palas u orificios de ventilación.

Si los ingenieros solo pueden observar el nivel global de presión sonora, resulta difícil identificar qué estructura es responsable del ruido o determinar si una modificación de diseño ha sido efectiva.

El valor de la imagen acústica con grandes matrices radica en su capacidad para capturar de forma sincronizada la información del campo sonoro mediante una matriz de micrófonos multicanal y combinarla con algoritmos de localización de fuentes. Esto transforma fuentes de ruido invisibles en mapas térmicos acústicos intuitivos.

Como resultado, las pruebas en túneles de viento van más allá de simplemente medir el sonido. Se convierten en una herramienta para generar información de ingeniería que sea interpretable, comparable y entregable.

Cómo las grandes matrices acústicas "ven" el sonido

El sonido es invisible, pero no llega a todos los micrófonos exactamente al mismo tiempo.

Imagine una fuente de ruido ubicada en algún lugar de un modelo de ensayo. A medida que la onda acústica se propaga hacia el exterior, la distancia a cada micrófono de la matriz difiere ligeramente. En consecuencia, el tiempo de llegada a cada micrófono también difiere.

La imagen acústica utiliza estos pequeños retardos temporales y diferencias de fase para construir una malla de escaneado sobre la superficie del modelo o sobre una región tridimensional de interés.

Para cada punto de escaneado, el software calcula:

Si el sonido se hubiera originado en esta ubicación, ¿cómo deberían retrasarse y alinearse las señales de todos los micrófonos?

Cuando la ubicación supuesta está cerca de la posición real de la fuente, las señales de varios micrófonos se alinean en fase y se refuerzan mutuamente, lo que da lugar a un aumento de la energía acústica. Las señales que se originan en otras ubicaciones permanecen desalineadas y, por lo tanto, se suprimen.

Al repetir este proceso en toda el área de escaneado, el sistema genera una distribución espacial de la intensidad de las fuentes acústicas, que normalmente se visualiza como un mapa térmico acústico o un mapa de ruido.

Este es quizás el valor más intuitivo de la imagen acústica: transformar un sonido invisible en información visual que los ingenieros puedan analizar, comparar y utilizar para la toma de decisiones.

Por qué las mediciones acústicas son más complejas en túneles de viento

Incluso en una sala silenciosa, la localización precisa de fuentes requiere un entorno acústico estable e información de fase precisa. Dentro de un túnel de viento, sin embargo, los retos aumentan considerablemente.

Mayor ruido de fondo

Un túnel de viento está muy lejos de ser un entorno de medición silencioso.

Ventiladores, toberas, estructuras de soporte, capas límite y superficies reflectantes generan todas ellas interferencias acústicas. Además, los micrófonos expuestos a flujos de aire de alta velocidad experimentan ruido propio inducido por el flujo, causado por las interacciones entre la corriente de aire y el cuerpo del micrófono.

Fuentes de ruido más complejas

El ruido en un túnel de viento rara vez se origina en una única fuente.

En las pruebas con vehículos, los retrovisores laterales, los pilares A, los pasos de rueda y las estructuras del subsuelo pueden contribuir todos simultáneamente. En las pruebas con aeronaves de rotores, las puntas de los rotores, los bordes de salida de las palas, los motores eléctricos y los componentes estructurales pueden generar ruido en distintas bandas de frecuencia.

Por lo tanto, los ingenieros necesitan algo más que una simple indicación de la ubicación de la fuente. Tienen que entender cómo se distribuyen las fuentes de ruido a lo largo de las frecuencias y cómo evolucionan bajo diferentes condiciones de funcionamiento.

Requisitos de sincronización más exigentes

Las matrices acústicas suelen implicar decenas o incluso cientos de micrófonos muestreando simultáneamente.

Incluso un pequeño desajuste temporal entre canales puede distorsionar las relaciones de fase, lo que provoca errores de localización, mapas de fuentes borrosos o conclusiones incorrectas.

Para los sistemas de imagen acústica, una sincronización precisa no es una función opcional, sino la base de la fiabilidad de las mediciones.

Resultados listos para ingeniería

El valor de las pruebas en túneles de viento va más allá de recopilar datos brutos de formas de onda.

En última instancia, los clientes necesitan resultados que respalden las decisiones de ingeniería, entre ellos:

• Espectros de frecuencia
• Mapas de fuentes acústicas
• Comparaciones de condiciones de funcionamiento
• Validación de modificaciones de diseño
• Informes de ensayo estandarizados

En otras palabras, un sistema satisfactorio no solo debe capturar datos con precisión, sino también hacer que los resultados sean comprensibles, comparables y accionables.

El reto de la aeroacústica en túneles de viento no se limita, por tanto, simplemente a niveles de ruido más altos. Implica abordar simultáneamente entornos complejos, múltiples fuentes de ruido, sincronización de alta precisión y entrega de resultados orientados a la ingeniería.

La solución de gran matriz SonoDAQ: una plataforma completa desde la adquisición hasta la imagen acústica

La solución de imagen aeroacústica de gran matriz SonoDAQ está específicamente diseñada para estas exigentes aplicaciones en túneles de viento.

La plataforma consta de tres componentes clave:

• Una matriz de micrófonos
• El sistema SonoDAQ de adquisición sincronizada multicanal
• El software OpenTest de imagen y análisis acústico

La matriz de micrófonos captura la información del campo acústico fuera de la sección de ensayo, mientras que las cámaras sincronizadas proporcionan referencias visuales del objeto de ensayo.

SonoDAQ realiza el muestreo sincronizado multicanal, el acondicionamiento de señal y la adquisición de datos. El sistema también puede integrar parámetros de ensayo adicionales, como velocidad del viento, velocidad de rotación, ángulo de ataque, ángulo de guiñada y marcadores de condiciones de funcionamiento.

OpenTest proporciona:

• Análisis de SPL
• Análisis FFT
• Análisis de 1/3 de octava
• Localización de fuentes acústicas
• Visualización mediante mapas térmicos
• Generación de informes

El objetivo no es simplemente registrar más canales de audio. Se trata de ayudar a las instalaciones de túneles de viento a establecer una capacidad completa de ensayo aeroacústico que proporcione mediciones precisas, visualización clara, comparaciones significativas e informes profesionales.

Ventajas de las matrices no uniformes

En imagen acústica, simplemente aumentar el número de micrófonos o disponerlos en un patrón muy regular no produce necesariamente mejores resultados.

La geometría de una matriz de micrófonos influye directamente en la resolución espacial, el rango de frecuencias utilizable, los niveles de lóbulos secundarios y la capacidad de suprimir fuentes falsas. En otras palabras, dos matrices con el mismo número de 120 canales pueden producir mapas de fuentes muy diferentes según su distribución.

Las matrices uniformes ofrecen ventajas como una construcción, calibración y fabricación sencillas. Sin embargo, también introducen un reto inherente: la distribución espacial periódica.

Cuando se reciben ondas acústicas y se procesan para conformación de haz (beamforming), esta periodicidad puede generar lóbulos de rejilla y lóbulos secundarios, dando lugar a puntos calientes artificiales que no se corresponden con fuentes de ruido reales.

En escenarios sencillos de fuente única, estos artefactos pueden ser manejables. En las pruebas en túneles de viento, sin embargo, los vehículos, los sistemas de rotores, las alas de aeronaves y las palas de aerogeneradores suelen ser grandes, geométricamente complejos y capaces de generar ruido simultáneamente en múltiples bandas de frecuencia. En tales condiciones, fuertes fuentes falsas pueden interferir de forma significativa con la identificación de las fuentes reales.

El principio fundamental de una matriz no uniforme es romper deliberadamente esta periodicidad espacial.

Al distribuir los micrófonos según geometrías optimizadas no regulares, la matriz puede:

• Reducir los niveles de lóbulos secundarios
• Suprimir los lóbulos de rejilla
• Mejorar el rechazo de fuentes falsas
• Mejorar la capacidad de separación de múltiples fuentes

Para modelos de gran tamaño y análisis aeroacústico de banda ancha, esto se traduce en mapas acústicos más limpios que representan con mayor precisión la distribución real de las fuentes.

La solución de gran matriz SonoDAQ puede personalizarse en función de:

• Dimensiones del objeto de ensayo
• Geometría del túnel de viento
• Rango de frecuencias objetivo
• Distancia de medición

Tanto si la aplicación implica ruido de viento en vehículos, ruido de rotores en UAV, componentes de aeronaves o palas de aerogeneradores, la geometría de la matriz puede optimizarse en torno al objetivo específico de ensayo.

El propósito de una matriz no uniforme no es crear una matriz de aspecto más complejo. Su propósito es ofrecer resultados de localización de fuentes que sean más fiables, interpretables y útiles para las decisiones de ingeniería.

Sincronización de 100 ns: la base de la imagen acústica con gran número de canales

La localización de fuentes acústicas depende de diferencias extremadamente pequeñas en el tiempo de llegada del sonido.

A medida que el sonido se propaga desde una fuente hasta los distintos micrófonos de una matriz, pequeñas diferencias en la distancia de propagación se traducen en pequeñas diferencias en el tiempo de llegada. Los algoritmos de imagen acústica utilizan estos retardos temporales y relaciones de fase para reconstruir las ubicaciones de las fuentes.

A medida que el tamaño de la matriz crece hasta 120 canales y más, todos los dispositivos, módulos y canales deben compartir una referencia temporal común y altamente estable.

SonoDAQ Pro admite sincronización mediante PTP (Precision Time Protocol, IEEE 1588v2), lo que permite que múltiples unidades de adquisición funcionen bajo un sistema de reloj unificado.

Mediante la sincronización PTP, el sistema logra:

• Precisión de sincronización entre dispositivos < 100 ns
• Precisión de sincronización dentro de un mismo dispositivo < 30 ns

Esto proporciona una base temporal fiable para aplicaciones de imagen acústica a gran escala.

La sincronización es especialmente crítica en las pruebas en túneles de viento.

En una gran matriz acústica, incluso pequeñas desviaciones temporales entre canales pueden distorsionar las relaciones de fase y, en última instancia, reducir la precisión de la localización de fuentes.

La sincronización PTP permite que varias unidades SonoDAQ Pro funcionen como un único sistema de adquisición coherente, garantizando la consistencia en recuentos elevados de canales y proporcionando datos fiables para:

• Análisis espectral
• Localización de fuentes
• Comparación de condiciones de funcionamiento
• Elaboración automatizada de informes

Al mismo tiempo, SonoDAQ incorpora una arquitectura modular que permite escalar los sistemas desde:

• 24 canales
• 48 canales
• 120 canales
• 256+ canales
• Configuraciones personalizadas de mayor tamaño

Para las instalaciones de túneles de viento, esto significa que el sistema puede soportar tanto demostraciones iniciales de prueba de concepto como el desarrollo a largo plazo de capacidades integrales de ensayo aeroacústico.

De mapas acústicos a validación de diseño

Quizá el aspecto más convincente de la imagen acústica sea el propio mapa térmico acústico.

Al superponer la intensidad de las fuentes acústicas sobre una imagen del objeto de ensayo, los ingenieros pueden identificar de inmediato las zonas donde se concentra el ruido.

Sin embargo, en los ensayos en túneles de viento, los mapas acústicos son valiosos no porque resulten impresionantes, sino porque ayudan a los ingenieros a determinar las causas raíz, comparar alternativas de diseño y validar modificaciones.

Para el análisis de ingeniería, un mapa térmico suele ser solo el punto de partida.

Los ingenieros aún deben responder a preguntas como:

• ¿Qué bandas de frecuencia dominan el punto caliente?
• ¿Persiste la fuente a diferentes velocidades de viento?
• ¿Cómo cambia la ubicación de la fuente con el ángulo de ataque o el ángulo de guiñada?
• ¿Ha reducido, desplazado o introducido nuevas fuentes de ruido una modificación de diseño?

Solo cuando los mapas acústicos se combinan con espectros de frecuencia, niveles de presión sonora, parámetros de funcionamiento e información estructural se convierten en herramientas de ingeniería verdaderamente significativas.

Por ejemplo, durante la optimización del ruido de viento en retrovisores laterales, los ingenieros pueden comparar mapas acústicos antes y después de una modificación de diseño.

Antes de la optimización, puede aparecer un fuerte punto caliente acústico cerca de la zona posterior e inferior del retrovisor lateral, lo que indica una separación de flujo y una turbulencia local significativas. Tras la optimización, la región acústica de alta presión se vuelve notablemente más pequeña y la intensidad acústica global disminuye.

Esto aporta pruebas directas de que el rediseño aerodinámico ha reducido con éxito el ruido de viento.

Estas capacidades de comparación son especialmente valiosas durante la validación de diseño.

Utilizando la misma matriz, el mismo sistema de adquisición y el mismo flujo de trabajo de análisis, los ingenieros pueden evaluar:

• Reducción global de SPL
• Mejoras dentro de las bandas de frecuencia objetivo
• Reducción de puntos calientes existentes
• Aparición de nuevas fuentes de ruido

En comparación con confiar únicamente en mediciones de un solo punto o en espectros individuales, los mapas acústicos combinados con datos espectrales y de condiciones de funcionamiento ofrecen una evaluación del rendimiento del diseño mucho más intuitiva y defendible.

El valor de la plataforma SonoDAQ + OpenTest reside en conectar:

• Mediciones acústicas multicanal
• Marcas de tiempo sincronizadas
• Velocidad del viento
• Velocidad de rotación
• Ángulo de ataque
• Ángulo de guiñada
• Marcadores de condiciones de funcionamiento
• Datos espectrales
• Mapas térmicos acústicos
• Plantillas de informe

en un flujo de trabajo unificado que abarque la adquisición, el análisis, la localización, la comparación y la elaboración de informes.

Para los operadores de túneles de viento, esto no solo mejora la eficiencia de las pruebas, sino que también ayuda a establecer metodologías repetibles y procesos de elaboración de informes estandarizados.

Diseño recomendado de túnel de viento

Para ensayos aeroacústicos, la sección de ensayo de chorro libre (Open Jet Test Section) es una de las configuraciones de túnel de viento más adecuadas para la imagen acústica y la localización de fuentes.

En esta disposición, el flujo de aire sale de la tobera hacia una región de ensayo abierta, donde el modelo se coloca dentro del chorro libre, mientras que el equipo de medición acústica permanece fuera del límite del chorro.

Para las matrices de micrófonos, la configuración de chorro libre ofrece una flexibilidad considerable.

Las matrices pueden instalarse:

• Al lado del modelo
• Por encima del modelo
• Con ángulos de visión frontales oblicuos

lo que permite una mejor observación del ruido superficial, el ruido asociado a la estela y las fuentes aerodinámicas localizadas.

Al mismo tiempo, la matriz se sitúa normalmente fuera del límite del chorro libre para minimizar el ruido en los micrófonos inducido por el flujo.

Las principales ventajas de las configuraciones de chorro libre incluyen:

• Mayor flexibilidad en la ubicación de la matriz
• Aperturas de matriz de mayor tamaño
• Geometría de visión mejorada
• Menores reflexiones en paredes
• Menor distorsión acústica causada por límites de secciones de ensayo cerradas

Como resultado, los túneles de viento de chorro libre suelen ofrecer una imagen acústica y un rendimiento de localización de fuentes más fiables.

Para aplicaciones que impliquen identificación de fuentes aeroacústicas, localización y análisis de conformación de haz, las secciones de ensayo de chorro libre suelen ser la opción preferida.

Escenarios típicos de aplicación

El ruido aeroacústico no se limita a un tipo específico de producto. Siempre que una estructura interactúa con aire en movimiento, fenómenos como la separación de flujo, el desprendimiento de vórtices, las perturbaciones en la capa límite, las fugas a través de huecos o los componentes giratorios pueden generar ruido audible.

Para los equipos de ingeniería, el verdadero reto a menudo no es detectar el ruido, sino vincular ese ruido a estructuras específicas, bandas de frecuencia y condiciones de funcionamiento.

La solución de imagen acústica de gran matriz SonoDAQ establece un "mapa de ruido" espacial dentro del entorno del túnel de viento, lo que permite a los ingenieros ir más allá de las mediciones globales de presión sonora y avanzar hacia:

• Localización de fuentes a nivel estructural
• Análisis específico por frecuencias
• Validación de modificaciones de diseño

Vehículos eléctricos y pruebas en túneles de viento para automoción

En las pruebas con vehículos eléctricos y túneles de viento de vehículo completo, el sistema de gran matriz SonoDAQ puede identificar las fuentes de ruido de viento asociadas a:

• Pilares A
• Retrovisores laterales
• Pasos de rueda
• Estructuras del subsuelo
• Huecos de puertas e interfaces de estanqueidad

Esto ayuda a los equipos de ingeniería a evaluar refinamientos aerodinámicos y mejoras de estanqueidad durante el desarrollo del vehículo.

Desarrollo de UAV y eVTOL

Para UAV y aeronaves eVTOL, el sistema puede localizar el ruido generado por:

• Palas de rotor
• Puntas de pala
• Brazos de rotor
• Bordes del fuselaje
• Interfaces estructurales

Los datos resultantes respaldan el desarrollo de arquitecturas de vehículos de bajo ruido y los esfuerzos de certificación.

Ensayo de componentes aeroespaciales

En aplicaciones aeroespaciales, la imagen acústica de gran matriz puede utilizarse para identificar fuentes aeroacústicas asociadas a:

• Alas
• Slats
• Flaps
• Trenes de aterrizaje
• Superficies de control

Esto permite a los ingenieros evaluar y validar diseños aerodinámicos de bajo ruido.

Aerogeneradores y equipos de ventilación

En el caso de las palas de aerogeneradores y los sistemas de ventilación industriales, la solución puede identificar contribuyentes principales de ruido tales como:

• Bordes de salida de las palas
• Salidas de aire
• Estructuras de soporte
• Regiones de perturbación de flujo local

Esta información respalda el diseño para reducción de ruido y la optimización de las condiciones de funcionamiento.

Crear una capacidad de ensayo aeroacústico entregable

En última instancia, los operadores de túneles de viento no buscan simplemente adquirir un sistema capaz de registrar sonido.

Su objetivo es establecer una capacidad completa de ensayo aeroacústico que pueda respaldar proyectos de ensayo comerciales y aportar valor de ingeniería a los clientes.

Dicha capacidad incluye:

• Adquisición acústica multicanal fiable
• Sincronización precisa con los parámetros de funcionamiento del túnel de viento
• Localización de fuentes de ruido
• Análisis espectral
• Generación de mapas térmicos acústicos
• Validación de modificaciones de diseño
• Elaboración de informes estandarizados

La solución de imagen aeroacústica de gran matriz SonoDAQ integra:

• Matrices de micrófonos
• Adquisición sincronizada multicanal
• Localización de fuentes con OpenTest
• Flujos de trabajo de elaboración automatizada de informes

dentro de una única plataforma.

Esto permite que los túneles de viento amplíen su alcance más allá de las pruebas tradicionales de rendimiento aerodinámico hacia ámbitos como:

• Ensayo de ruido de viento en vehículos
• Análisis de ruido de rotores
• Ensayos aeroacústicos de componentes
• Localización de fuentes acústicas

De este modo, un túnel de viento puede convertirse en algo más que una herramienta para observar el flujo de aire: pasa a ser una plataforma para comprender y controlar la generación de ruido.

Configuración de túnel de viento de baja velocidad con 120 canales

Como ejemplo, SonoDAQ ofrece una configuración de imagen acústica de 120 canales diseñada específicamente para aplicaciones en túneles de viento de baja velocidad.

La configuración es adecuada para:

• Ensayos de ruido de viento en automoción
• Desarrollo de UAV y eVTOL
• Evaluación de componentes aeroespaciales
• Ensayos de palas de aerogeneradores
• Análisis de equipos de ventilación y HVAC

En túneles de viento de chorro libre, la matriz de micrófonos puede situarse al lado, por encima o en un ángulo oblicuo con respecto al objeto de ensayo, manteniéndose al mismo tiempo fuera del límite del chorro libre para minimizar la interferencia inducida por el flujo.

Esta disposición proporciona suficiente apertura y una geometría de visión adecuada para una imagen acústica de alta calidad.

La arquitectura modular de la plataforma SonoDAQ también permite futuras ampliaciones a medida que evolucionan los requisitos de ensayo, lo que permite a las instalaciones escalar desde despliegues iniciales hasta laboratorios aeroacústicos con gran número de canales.

Conclusión

El valor de las pruebas acústicas en túneles de viento está evolucionando de simplemente medir el sonido a entender el sonido.

Cuando el ruido aeroacústico puede localizarse, analizarse, compararse y documentarse con precisión, el túnel de viento pasa a ser mucho más que una herramienta de validación de rendimiento aerodinámico. Se convierte en una plataforma fundamental para apoyar el diseño de bajo ruido, la optimización estructural y el desarrollo de productos.

La solución de imagen aeroacústica de gran matriz SonoDAQ combina:

• Adquisición sincronizada con gran número de canales
• Matrices de micrófonos no uniformes
• Localización de fuentes acústicas
• Integración de datos de condiciones de funcionamiento
• Flujos de trabajo de análisis y elaboración de informes con OpenTest

en una plataforma unificada para ensayos aeroacústicos.

Al ayudar a las instalaciones de túneles de viento a construir capacidades de ensayo aeroacústico sostenibles, escalables y entregables, el sistema permite a los ingenieros no solo ver el flujo, sino también realmente escuchar la fuente de ruido. Si está interesado, envíe el formulario de contacto que aparece a continuación.