WO2011048484A1 - Pantalla acústica - Google Patents
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- E01F8/00—Arrangements for absorbing or reflecting air-transmitted noise from road or railway traffic
- E01F8/0005—Arrangements for absorbing or reflecting air-transmitted noise from road or railway traffic used in a wall type arrangement
Definitions
- the invention relates to an acoustic screen whose objective is the attenuation of sound in the audible range and in airborne transmission, intended to interpose between the source generating the sound and the receiver.
- the screen is based on the so-called sound crystals, defined as a non-homogeneous composite medium formed by dispersing centers of the acoustic waves arranged periodically and immersed in another medium of different physical properties, so that they act on the sound waves preventing transmission through a mechanism of multiple reflection.
- the invention has application in the screening of urban and interurban communication roads (roads, railways, ...) in order to isolate the surrounding areas from noise.
- Sound crystals are structures formed by the orderly repetition of scattering centers for sound waves. These crystals have the characteristic of modifying the behavior of phenomena of a wave nature that are transmitted inside. In these crystals consistent dispersion of the acoustic wave propagating therein is produced, appearing propagation prohibited to determine frequency bands Nados intervals, depending on its position
- CONFIBMATION CO py in the frequency range of the geometric characteristics of the crystal. In this way the acoustic waves whose frequency falls within one of these prohibited propagation bands will not be able to propagate inside the crystal and will be reflected when they hit it.
- Fractal is understood as an object whose basic structure, fragmented or irregular, is repeated at different scales.
- the present invention provides an acoustic screen that maximizes the attenuation of sound waves, especially affecting the range of low frequencies, through a smaller number of centers.
- dispersers that those that present a distribution of the dispersing centers according to a crystalline network (sound crystals) lightening the screen and also achieving that the wind load that it supports is less. These two factors make the screen need no foundation.
- this screen acts especially well in the low frequency range, which is usually the most difficult band to attenuate.
- the acoustic screen object of the invention comprises dispersing centers for acoustic waves arranged on a support base.
- the invention is characterized in that the dispersing centers are distributed on the base according to a modified fractal symmetry.
- Fractal symmetry has been modified due to the fact that the dispersing centers belonging to each of the fractal orders have a different size section than the rest of the fractal orders. This implies that some of the original fractal cylinders have been removed to allow section variation.
- each fractional order has a minimum mass of dispersing centers and therefore the width of the attenuated frequency band and the achieved attenuation level are maximized.
- Each fractal order used has a network parameter, that is, a different distance between dispersing centers, which attenuates a different frequency band, achieving a wider attenuation band than in the case of a single sound crystal, which has A single network parameter.
- Fractal symmetry makes the frequency attenuation band wider, so that the attenuated frequency band is also wider. That is, the properties of the multiple reflection of the network of dispersing centers are maximized, for the reasons set forth in the two preceding paragraphs. Due to what has been stated in the previous paragraphs, the higher fractal orders (of greater separation between dispersing centers) could have a very high separation. However, the fifth fractal order has been reached with a compromise between the width of the attenuated frequency band and the resulting width of the screen, which should be as small as possible.
- the advantages obtained with the device object of the invention are: attenuation throughout the range the audible range especially the low fre ⁇ ences, obtaining a higher level of attenuation in a range wider frequency using fewer scattering centers. This last advantage allows to reduce the cost of the screen and increase its portability.
- Figure 1 is a schematic plan representation of an embodiment of a cylinder arrangement according to a fractal symmetry, called the Sierpinski triangle.
- Figure 2 is a representation of a plan section of a modified fractal unit that is part of the acoustic screen object of the invention.
- Figure 3 is a plan representation of an acoustic screen module formed by three fractal units according to the example of embodiment corresponding to Figure 2.
- Figure 4 is an elevation representation of the module corresponding to Figure 3.
- the acoustic screen corresponding to the exemplary embodiment and shown in the figures comprises cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) as dispersed centers. sores (1) located on a socket (2).
- the cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) are distributed according to a fractal symmetry in which the cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) corresponding to each fractal order have a different diameter than cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) corresponding to other fractal orders.
- the exemplary embodiment comprises five fractal orders each formed by cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) of equal diameter.
- the diameter of the cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) increases in each of the fractal orders.
- the diameter of the cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) in each fractal order many of the cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) of the fractal called Sier-pinski triangle have been eliminated.
- the cylinders (1.1) of the first fractal order have a larger diameter than the cylinders (1.2) of the second fractal order and so on with the rest of the cylinders (1.3, 1.4, 1.5) corresponding to the third, fourth and fourth fractal orders fifth.
- the distribution of the cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) is carried out, in the example shown in the figures, according to a fractal symmetry called the Sierpinski triangle.
- the acoustic screen of the exemplary embodiment is comprised of modules, according to Figure 3, which are formed by three fractal units of the modified Sierpinski triangle. In this way the modules can be placed one after the other allowing any length of the acoustic screen. Three fractal units are chosen to facilitate the transport of the module.
- the screen of the embodiment could consist of cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) of different heights.
- the cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) are made of a sound-reflective material, for example, galvanized iron, PVC, aluminum, steel, crushed and pressed tire rubber, plexiglass, concrete.
- the acoustic screen object of the invention has sound attenuation by other phenomena such as resonance and absorption. These acoustic effects have been used to increase the attenuation power of the device.
- the resonance that is to say, the destruction of acoustic waves by friction and vibration, is achieved by means of the longitudinal grooving (1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.4.1) of some of the cylinders that can be hollow. - throwing them in Helmholtz resonators. Not all cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) have to present the aforementioned longitudinal grooving (1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.4.1), in the exemplary embodiment shown in Figure 3 they are arranged slotted cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) of fractal orders first to fourth and those of smaller size (1.5) without grooving. Specifically, the slot opening can be between 45 ° and 180 °.
- the dispersing centers (1) may also comprise acoustic absorbent material, such as, for example, rock wool, glass wool, wood or sugar cane fibers, expanded polystyrene, absorbent paints, plaster-based porous plasters or vermiculite or chopped tire rubber.
- acoustic absorbent material such as, for example, rock wool, glass wool, wood or sugar cane fibers, expanded polystyrene, absorbent paints, plaster-based porous plasters or vermiculite or chopped tire rubber.
- the absorbent material can be located on the outer face of the dispersing center (1) or on the inner face or both and cover all or part thereof.
- the support base (2) is made of concrete and the cylinders (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) are arranged embedded in it so that it is achieved that they are arranged in an upright position. The set would rest on the ground directly without the need for any type of anchorage, which affects its portability. In this way the modules can be placed next to each other thus configuring an acoustic screen of the desired length.
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Abstract
La invención se refiere a una pantalla acústica para atenuar el sonido en el rango del audible y en transmisión aérea, interponiéndose entre la fuente de sonido y el receptor. Está basada en cristales de sonido, definidos como un medio compuesto no homogéneo formado por centros dispersores para el sonido dispuestos según una simetria cristalina. En esta pantalla se han dispuesto los centros dispersores según una simetria fractal modificada mediante el aumento de la sección de algunos dispersores y la eliminación de otros, con el fin de maximizar la atenuación en un rango de frecuencias más amplio mediante un proceso de reflexión múltiple. Para potenciar esta atenuación se han modificado los centros dispersores añadiéndoles absorbentes y ranurándolos para introducir mecanismos de absorción y resonancia. La invención posee aplicación para apantallar las vias de comunicación urbanas e interurbanas con el objeto de aislar de los ruidos las zonas colindantes.
Description
PANTALLA ACÚSTICA
DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a una pantalla acústica cuyo objetivo es la atenuación del sonido en el rango audible y en transmisión aérea, destinada a interponerse entre la fuente generadora del sonido y el receptor.
La pantalla está basada en los denominados cristales de sonido, definidos como un medio compuesto no homogéneo formado por centros dispersores de las on- das acústicas dispuestos periódicamente e inmersos en otro medio de distintas propiedades físicas, de modo que actúan sobre las ondas sonoras impidiendo la transmisión a su través mediante un mecanismo de reflexión múltiple. La invención posee aplicación en el apantalla- miento de vías de comunicación urbanas e interurbanas (carreteras, ferrocarriles,...) con el objeto de aislar de los ruidos las zonas colindantes. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los cristales de sonido son estructuras formadas por la repetición ordenada de centros dispersores para ondas sonoras. Estos cristales presentan la caracterís- tica de modificar el comportamiento de los fenómenos de naturaleza ondulatoria que se transmiten en su interior. En estos cristales se produce una dispersión coherente de la onda acústica que se propaga en su interior, ¡apareciendo bandas prohibidas de propagación para determi- nados intervalos de frecuencia, dependiendo su posición
CONFIBMATION COpy
en el rango de frecuencias de las características geométricas del cristal. De este modo las ondas acústicas cuya frecuencia caiga dentro de una de estas bandas prohibidas de propagación no serán capaces de propagarse por el interior del cristal y serán reflejadas cuando incidan en él.
Se cita como antecedente la patente española de número de solicitud 200200398 del mismo solicitante y que divulga una pantalla acústica que está constituida por cristales de sonido bidimensionales o tridimensionales formando cualquier red cristalina.
Es conocida también la utilización de cristales de sonido como pantallas acústicas que logran una atenuación mediante reflexión de la onda sonora junto con una atenuación por absorción al poseer un material aislante en el interior de los centros dispersores. Es conocida también la existencia de los llama dos cristales fotónicos en los que se utilizan simetrías bidimensionales fractales para la distribución de los centros dispersores de modo que atenúan o incluso eliminan la propagación de ondas electromagnéticas, aunque no es conocida su aplicación para el caso de ondas acústicas .
Se entiende por fractal un objeto cuya estructura básica, fragmentada o irregular, se repite a diferen- tes escalas.
La presente invención proporciona una pantalla acústica i que permite maximizar la atenuación de las ondas sonoras, incidiendo especialmente en el rango de las bajas frecuencias, mediante un menor número de centros
dispersores que aquellas que presentan una distribución de los centros dispersores según una red cristalina (cristales de sonido) aligerándose la pantalla y consiguiendo además que la carga de viento que ésta soporta sea menor. Estos dos factores hacen que la pantalla no necesite cimentación.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El rango de frecuencias a atenuar está entre
0 Hz y 22000 Hz, correspondientes al rango de audición del oído humano. Sin embargo, esta pantalla actúa especialmente bien en el rango de las bajas frecuencias, que constituye habitualmente la banda más difícil de ate- nuar.
La pantalla acústica objeto de la invención comprende centros dispersores para ondas acústicas dispuestos sobre un zócalo de sustentación.
La invención se caracteriza porque los centros dispersores se distribuyen sobre el zócalo según una simetría fractal modificada. La simetría fractal ha sido modificada debido a que los centros dispersores pertenecientes a cada uno de los órdenes fractales poseen una sección de distinto tamaño a la del resto de órdenes fractales. Esto implica que algunos de los cilindros del fractal original han sido eliminados para permitir la variación de secciones. Como consecuencia de esta modificación, cada orden frac- tal posee una masa mínima de centros dispersores y por tanto se maximizan el ancho de la banda |de frecuencias atenuada y el nivel de atenuación conseguido.
Cada orden fractal utilizado posee un parámetro de red, es decir, una distancia entre centros disperso- res distinta, que atenúa una banda de frecuencias distinta, consiguiendo una banda de atenuación más amplia que en el caso de un único cristal de sonido, que posee un único parámetro de red.
La simetría fractal logra que la banda de atenuación de frecuencia sea más amplia, consiguiéndose por tanto que la banda de frecuencias atenuada sea también más amplia. Es decir, se maximizan las propiedades de la reflexión múltiple de la red de centros dispersores, por las razones expuestas en los dos párrafos precedentes. Debido a lo expuesto en los párrafos anteriores, los órdenes fractales superiores (de mayor separación entre centros dispersores) podrían tener una separación muy alta. Sin embargo, se ha llegado hasta el quinto orden fractal pensando en un compromiso entre la anchura de la banda de frecuencias atenuada y la anchura resultante de la pantalla, que debería ser lo más pequeña posible.
Si se pretendiese atenuar la banda de frecuen- cias que se consigue con esta disposición fractal mediante cristales de sonido, sería necesario disponer de varios cristales de sonido con distintos parámetros de red uno a continuación de otro. Sin embargo, el espacio ocupado por esta distribución superaría los requisitos de anchura máxima exigibles a una pantalla acústica. Esta es una de las ventajas que presenta la utilización de , una distribución fractal de centros dispersores.
Las ventajas que se obtienen con el dispositivo objeto de la invención son: atenuación en todo el rango
del audible especialmente el rango de las bajas frecuen¬ cias, la obtención de un mayor nivel de atenuación en un rango de frecuencias más amplio empleando un número menor de centros dispersores. Esta última ventaja permite disminuir el coste de la pantalla y aumentar su portabi- lidad.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Se complementa la presente memoria descriptiva, con unos planos, ilustrativos del ejemplo preferente y nunca limitativos de la invención.
La figura 1 es una representación esquemática en planta de un ejemplo de realización de una disposición de cilindros según una simetría fractal, denominada triángulo de Sierpinski.
La figura 2 es una representación de una sección en planta de una unidad fractal modificada que forma parte de la pantalla acústica objeto de la invención.
La figura 3 es una representación en planta de un módulo de pantalla acústica formado por tres unidades fractales según el ejemplo de realización correspondiente a la figura 2.
La figura 4 es una representación en alzado del módulo correspondiente a la figura 3.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La pantalla acústica correspondiente al ejemplo de realización y representada en las figuras comprende cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) como centros disper-
sores (1) situados sobre un zócalo (2) . Los cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) se distribuyen según una si- metria fractal en la que los cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) correspondientes a cada orden fractal presen- tan un diámetro distinto a los cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) correspondientes a otros órdenes fractales. El ejemplo de realización comprende cinco órdenes fractales cada uno de ellos formado por cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) de igual diámetro.
En el ejemplo de realización mostrado el diámetro de los cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) aumenta en cada uno de los órdenes fractales. Al aumentar el diámetro de los cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) en cada orden fractal muchos de los cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) del fractal denominado triángulo de Sier- pinski han sido eliminados. De este modo los cilindros (1.1) del primer orden fractal presentan un mayor diámetro que los cilindros (1.2) del segundo orden fractal y asi sucesivamente con el resto del cilindros (1.3, 1.4, 1.5) correspondientes a los órdenes fractales tercero, cuarto y quinto.
La distribución de los cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) se realiza, en el ejemplo mostrado en las figuras, según una simetría fractal denominada triángulo de Sierpinski.
Se han realizado ensayos sobre dos ordenamientos fractales, triángulo y alfombra de Sierpinski, siendo el triángulo de Sierpinski el que ha demostrado una mayor capacidad de atenuación especialmente a bajas frecuencias. La disposición triangular es también más sencilla y posee menos masa por unidad de superficie, lo que in- cide en la portabilidad del módulo de la pantalla acús-
tica.
La pantalla acústica del ejemplo de realización está comprendida por módulos, según la figura 3, que están formados por tres unidades fractales del triángulo de Sierpinski modificado. De este modo los módulos se pueden situar uno a continuación de otro permitiendo cualquier longitud de la pantalla acústica. Se eligen tres unidades fractales para facilitar el transporte del módulo. La pantalla del ejemplo de realización podría constar de cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) de distintas alturas.
Los cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) están fabricados en un material reflectante al sonido, por ejemplo, hierro galvanizado, PVC, aluminio, acero, goma de neumático triturada y prensada, plexiglás, hormigón.
Además del mencionado efecto de atenuación me- diante reflexión, la pantalla acústica objeto de la invención presenta atenuación del sonido mediante otros fenómenos como la resonancia y la absorción. Estos efectos acústicos se han utilizado para aumentar la potencia de atenuación del dispositivo.
La resonancia, es decir, la destrucción de ondas acústicas por rozamiento y vibración, se logra mediante el ranurado longitudinal (1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.4.1) de algunos de los cilindros que pueden ser huecos, convir- tiéndolos en resonadores Helmholtz. No todos los cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) tienen porqué presentar el mencionado ranurado longitudinal (1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.4.1), en el ejemplo de realización mostrado en la figura 3 se disponen ranurados los cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) de órdenes fractales primero a cuarto y los de
menor tamaño (1.5) sin ranurar. Concretamente la apertura de la ranura puede estar entre 45° y 180°.
Los centros dispersores (1) pueden también com- prender material absorbente acústico, como por ejemplo, lana de roca, lana de vidrio, fibras de madera o caña de azúcar, poliestireno expandido, pinturas absorbentes, enlucidos porosos con base de yeso o vermiculita o goma de neumático picada.
El material absorbente puede localizarse en la cara externa del centro dispersor (1) o bien en la cara interna o en ambas y cubrir todo o en parte el mismo. El zócalo (2) de sustentación es de hormigón y los cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) se disponen empotrados en el mismo de modo que asi se logra que se dispongan en posición vertical. El conjunto descansaría sobre el suelo directamente sin necesidad de ningún tipo de anclaje, hecho que incide en su portabilidad. De este modo los módulos se pueden situar unos a continuación de otros configurando así una pantalla acústica de la longitud deseada.
Claims
1. - Pantalla acústica, que comprende centros dispersores (1) para ondas acústicas dispuestos sobre un zócalo (2) de sustentación, caracterizado porque los centros dispersores (1) se distribuyen sobre el zócalo (2) según una simetría fractal modificada en la que los centros dispersores (1) pertenecientes a cada uno de los órdenes fractales poseen una sección de distinto tamaño a la del resto de órdenes fractales.
2. - Pantalla acústica, según la reivindicación 1, caracterizada porque los centros dispersores (1) de un orden fractal superior poseen una sección mayor que los de un orden fractal inferior.
3. - Pantalla acústica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la distribución de los centros dispersores (1) se realiza según una simetría fractal denominada triángulo de Sierpinski.
4. - Pantalla acústica, según la reivindicación 3, caracterizada porque está comprendida por módulos que están formados por tres unidades fractales del triángulo de Sierpinski modificado que se disponen a continuación unos de otros.
5. - Pantalla acústica, según las reivindicaciones 1 6 2, caracterizada porque la distribución de los centros dis- persores (1) se realiza según una simetría fractal denominada alfombra de Sierpinski.
6. - Pantalla acústica, según, cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los centros dispersores (1) son cilindros (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5).
7. - Pantalla acústica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende cinco órdenes fractales.
8. - Pantalla acústica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los centros dispersores (1) son huecos y comprenden un ranurado longitudinal {1.1.1, 1.2.1, 1.3.1, 1.4.1) de modo que atenúan las ondas sonoras por resonancia,
9. - Pantalla acústica, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los centros dispersores (1) comprenden material absorbente acústico.
10. - Pantalla acústica, según la reivindicación 9, caracterizada porque el material absorbente acústico se dispone en la cara externa del centros dispersor (1) o en la cara interna o en ambas.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 10824535 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 10824535 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |