Cómo funciona un silenciador de escape de motor

Silenciadores pasivos y silenciadores activos

Los silenciadores de motor son dispositivos que se integran en el sistema de escape de los motores de combustión interna. Su función es reducir el ruido que emite el motor, generando al mismo tiempo la menor pérdida de carga posible.

Son los llamados silenciadores pasivos. A diferencia de los silenciadores activos, que usan componentes eléctricos y electrónicos para reducir el ruido mediante la interferencia activa de las ondas, los silenciadores pasivos son dispositivos puramente mecánicos: sin alimentación, sin electrónica y sin piezas que se desgasten.

Dos principios complementarios: la atenuación por efecto reactivo y la atenuación por efecto disipativo. Estos dos fenómenos físicos, que se explican con detalle más adelante, suelen actuar conjuntamente en un mismo silenciador.

Atenuación por efecto reactivo

La reflexión de las ondas la provocan las superficies reflectantes, los cambios de sección o los cambios de medio dentro del silenciador. Este fenómeno provoca una ruptura de la impedancia acústica: una parte de la energía incidente se refleja hacia la fuente en lugar de transmitirse hacia la salida.

Cuando dos ondas sonoras se encuentran con un cierto desfase, se produce una interferencia —constructiva o destructiva— que provoca un aumento o una disminución de la amplitud sonora, según el ángulo de desfase. Los resonadores (resonadores de Helmholtz, de cuarto de onda, de Herschel-Quincke) aprovechan precisamente este principio para generar interferencias destructivas en frecuencias específicas.

Característica de frecuencia: el efecto reactivo es más eficaz en las frecuencias bajas, donde las ondas sonoras pueden considerarse ondas planas. Su eficacia es alta en rangos limitados, centrados en las frecuencias de resonancia de los resonadores que hay en el silenciador. Por eso es fundamental «ajustar» el silenciador a las frecuencias fundamentales que se quieren tratar para conseguir una atenuación eficaz.

Las siguientes ecuaciones, válidas en el ámbito de las ondas planas, permiten calcular las frecuencias características de las principales geometrías utilizadas:

Atenuación por efecto disipativo

Los silenciadores de los motores también usan materiales fibrosos para absorber parte de la energía acústica.

Al atravesar las fibras, las ondas provocan una vibración del esqueleto fibroso, lo que da lugar a una disipación mecánica de la energía sonora, que se convierte en calor.
Además, la fricción de las moléculas de aire en el medio poroso provoca una disipación viscoinercial de la energía acústica.

Rango de eficacia: la absorción es eficaz en frecuencias medias y altas, lo que complementa el efecto reactivo, que funciona mejor en las frecuencias bajas.

La elección del material absorbente y su instalación influyen directamente en el rendimiento de la atenuación. Dependiendo de la forma del conducto, la disposición varía: revestimiento, núcleo o anillo para los conductos cilíndricos; deflectores paralelos para los conductos rectangulares. Para evitar que se deshilache, se añaden chapas perforadas y/o tela de fibra de vidrio como protección.

Los silenciadores Boët StopSon se diseñan con programas de elementos finitos y de simulación de fluidos. Estas herramientas permiten tener en cuenta al mismo tiempo los efectos reactivos y disipativos, a la vez que minimizan las pérdidas de carga —una optimización conjunta que rara vez se consigue sin una modelización avanzada.

Modelización de materiales porosos

Para modelar correctamente una fibra absorbente, hay que conocer varios parámetros intrínsecos del material poroso:

• Porosidad
• Tortuosidad
• Resistividad
• Longitud característica viscosa
• Longitud característica térmica

En determinadas condiciones, las propiedades mecánicas del esqueleto fibroso también pueden ser necesarias para la modelización.

Estos parámetros se utilizan en distintos modelos físicos —Delany-Bazley-Miki, Johnson-Champoux-Allard-Lafarge, Limp, Biot-Allard— que permiten ajustar con precisión los silenciadores BOËT a los espectros sonoros reales de los motores en cuestión.