Actualmente se está completando una investigación en Empa sobre una primicia mundial en el aislamiento acústico de edificios de madera. Utilizando una teoría física de la década de 1990 y las herramientas de la digitalización, un equipo de investigación ha desarrollado nuevos elementos de suelo hechos de paneles de madera maciza que tienen los llamados agujeros negros acústicos. La idea surgió de Stefan Schoenwald, director del laboratorio de acústica de edificios de Empa en Dübendorf. Se ha encontrado con la teoría de los agujeros negros acústicos varias veces en conferencias y publicaciones científicas desde que se publicó por primera vez en 1987. Según el científico ruso M.A. Mironov del Instituto de Acústica Andreyev de Moscú, un hueco parabólico en un material puede absorber vibraciones como suenen y permitan que resuenen, en otras palabras, tragárselos. Los agujeros negros acústicos ya se han utilizado en automóviles y aviones, donde se ha confirmado su efecto reductor del sonido.

Sin embargo, fabricarlos con materiales muy finos y duros no es fácil. Ni en la construcción de madera ni en la acústica de edificios se han realizado experimentos con los huecos de Mironov. Esto ahora está siendo cambiado por el gerente de laboratorio Stefan Schoenwald junto con su colega Sven Vallely. Los dos investigadores quieren utilizar nuevos elementos de paneles de madera contralaminada para mejorar el aislamiento del ruido de impacto en la construcción de madera.

Así como hay ondas de sonido en el aire, hay ondas de sonido en los materiales, las llamadas ondas de sonido transmitidas por estructuras. "Cuando golpeas el suelo, es como tirar una piedra a un estanque:las ondas sonoras se propagan en todas las direcciones del material", explica Schoenwald. Cuando se fresa una depresión lenticular del material de acuerdo con una función matemática específica, las ondas de sonido viajan a esta área. En el proceso, las amplitudes continúan ampliándose, mientras que las longitudes de onda de las oscilaciones disminuyen. "Si pudieras hacer que las placas fueran infinitamente delgadas en el área de estas depresiones, entonces las ondas de sonido se apagarían por sí mismas en estos 'agujeros negros', por lo que nada saldría de la lente", dijo Schoenwald. Sin embargo, era cuestionable si el efecto de reducción de sonido también ocurriría con una profundidad limitada del hueco, porque los "grosores de material infinitamente delgados", como exigiría la teoría matemática, no son factibles en la práctica.

La última tecnología informática lo hace posible

La idea de experimentar con agujeros negros acústicos en estructuras de madera se le ocurrió a Stefan Schoenwald mientras trabajaba. Le pidió a su colega Vallely que simulara y calculara el efecto de reducción de sonido en la computadora. Para eliminar las preocupaciones estáticas, se le pidió a Andrea Frangi, un experto en construcción de madera de ETH Zurich, su evaluación. No solo sus comentarios fueron prometedores, sino que también lo fue el modelado por computadora de la reducción de sonido. Así que Schoenwald encargó un prototipo y un panel de control normal hechos del mismo material a la empresa de construcción de madera Strüby AG en Seewen. Con una máquina CNC, el especialista en construcción en madera Alex Bellmont fresa el hueco lenticular de un panel de madera contralaminada con precisión dimensional. "Un pedido como este no es muy difícil, pero es aún más emocionante", dice el maquinista, "nunca he hecho algo que luego haya sido investigado".

Las dos placas, una con agujeros negros acústicos y otra sin ellos, se sometieron a un análisis de vibraciones en Empa. En esta medición, el sonido se conduce al cuerpo de prueba como una vibración en todo el espectro de sonido relevante. Un láser mide la vibración de los paneles de prueba en un patrón de cuadrícula en varios puntos. Luego, los valores medidos se pueden usar para calcular cómo se mueve la vibración a través de la placa y si las abolladuras fresadas realmente "capturan" el sonido y hacen que se disipe en forma de calor.

Mejor rendimiento de aislamiento con menos peso

Hace diez años, tal serie de experimentos no hubiera sido factible. Incluso modelar la vibración de un rango de ancho de banda pequeño fue una disertación en términos de esfuerzo computacional. Hoy, Schoenwald y Vallely calculan todo el espectro acústico en una tarde y hacen que las vibraciones sean inmediatamente visibles como una visualización. El objetivo del experimento es examinar si los resultados simulados corresponden a los valores medidos. Después de todo, si el modelo de la computadora corresponde a la realidad, todos los parámetros posibles se pueden cambiar en la computadora casi gratis, sin tener que hacer una nueva placa de prueba cada vez. De esta forma, la reducción del sonido se puede calcular para elementos de madera en todo el mundo sin largos experimentos. Esto significa que la reducción del sonido se puede optimizar para elementos de madera de todos los tamaños y geometrías posibles sin experimentos que consumen mucho tiempo.

Resultado de las pruebas:Los valores medidos concuerdan muy bien con el cálculo del modelo. Stefan Schoenwald está muy satisfecho con una desviación de solo alrededor del 5 por ciento. Esta desviación se explica por la producción de los tableros y la variación natural de la madera, agrega Vallely. Ahora seguirán las próximas pruebas con los paneles de prueba fabricados en Seewen:"Actualmente estamos trabajando en las mediciones de sonido de impacto, que estamos llevando a cabo de acuerdo con las especificaciones estándar internacionales. El siguiente paso es confirmar la protección contra incendios y las propiedades estructurales, " explica Schoenwald. Estas pruebas adicionales están destinadas a garantizar que los tableros de madera contralaminada no solo aíslen el sonido al menos al nivel estándar del mercado, sino que también obtengan todas las certificaciones necesarias para su uso en la construcción.

Cómo funciona

Stefan Schoenwald describe cómo funcionan los tableros de esta manera. "Al aislar el sonido de impacto, debo tener en cuenta tres propiedades al mismo tiempo:la masa del componente por un lado, su rigidez y amortiguación por el otro. La rigidez y la amortiguación se contradicen:un componente blando se puede amortiguar bueno, un componente rígido menos bien". Schoenwald da un ejemplo:"Los techos de madera maciza clásicos son livianos y rígidos, por lo que aquí se combinan dos propiedades desfavorables". Una posible salida es aumentar la masa del componente. Por lo tanto, en las casas de madera modernas, los arquitectos instalan capas gruesas de grava para pesar. De esa forma, es menos probable que los techos de madera vibren si un adulto camina sobre ellos o si un niño salta por la casa.

Schoenwald y Vallely están adoptando un enfoque diferente. "Hacemos que los techos de madera sean más suaves en ciertos lugares para que puedan vibrar más fuerte allí. En estos puntos, amortiguamos específicamente la vibración con una pequeña cantidad de arena o grava", explica Stefan Schoenwald. El mismo material, a saber, la grava, tiene un propósito completamente diferente aquí:"En nuestro caso, la grava no está ahí para pesar. En cambio, se supone que se mueve y convierte la vibración en calor a través de su fricción interna".

El resultado:un techo de madera con agujeros negros acústicos es mucho más ligero que un techo convencional y, sin embargo, amortigua mucho mejor el sonido de impacto. Se mantiene la rigidez estructuralmente ventajosa de toda la estructura del techo. + Explora más

Un tornillo que puede reducir a la mitad el nivel de sonido percibido