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Efectos de la temperatura y la velocidad sobre el ruido generado por la interacción neumático/pavimento

medido con el método OBSI

Fecha de Recepción Artículo: MAYOFecha de Aceptación Artículo: MAYO

EDGAR D. DE LEÓN Ph.D.,

Investigador Asociado Sénior, Centro de Infraestructura de Transporte Sostenible, Instituto de Transporte de Virginia Tech,

3500 Transportation Research Plaza, Blacksburg, VA 24061-0105

Teléfono: (540) 231-1504, Fax: (540) 231-1555,Email: [email protected]

GERARDO W. FLINTSCHPh.D., P.E.

Director del Centro de Infraestructura de Transporte Sostenible, Instituto de Transporte de Virginia Tech

Profesor, Facultad de Ingeniería Civil y Medio Ambiente, Charles Via, Jr., Virginia Tech,


Teléfono: (540) 231-9748, Fax: (540) 231-1555, Email: [email protected]

DANIEL E. MOGROVEJO Ingeniero Civil

Asistente de Investigación de Postgrado, Instituto de Transporte de Virginia Tech

Facultad de Ingeniería Civil y Medio Ambiente, Charles Via, Jr., Virginia Tech,


Teléfono: (540) 505-7288, Fax: (540) 231-1555, Email: [email protected]

Effect of environmental conditions and vehicle speed on tire/pavement noise measured with OBSI methodology

Edición No. 24 Enero - Junio de 2012 Bucaramanga · Colombia ISSN 0123-8574 AsfaltosyPavimentos

ResumenEl objetivo de este trabajo es mostrar la variación

en el ruido producido por la interacción neumático/pavimento medido con el método OBSI (On-Board Sound Intensity) bajo diferentes condiciones ambientales, y a diferentes velocidades. Temperaturas sobre los 40° F (grados Fahrenheit) o ≈ 5 ° C (grados centígrados) fueron escogidas para el experimento, y las velocidades seleccionadas de 35 mph, 45 mph y 60 mph (millas por hora) o ≈ 56 km/h, 72 km/h y 97 km/h (kilómetros por hora) corresponden al rango en donde el ruido generado por la interacción neumático/pavimento es la fuente predominante del ruido total generado por el vehículo.

Los resultados del estudio confirman la tendencia de que el ruido generado por la interacción neumático/pavimento disminuye ligeramente a medida que aumenta la temperatura del aire; el modelo muestra un gradiente de -0,05 dBA /°F (decibeles por cada grado Fahrenheit). En cuanto a la influencia de la velocidad, el ruido aumenta un promedio de 2,5 dBA por cada incremento de velocidad de 10 mph (16 km/h).

Palabras Clave: Ruido, neumático/pavimento, Intensidad de sonido, OBSI, velocidad de cambio, Temperatura.

AbstractThe objective of this paper is to show the

variation of the tire/pavement noise measured with the On Board Sound Intensity (OBSI) method under different environmental conditions and vehicle speeds. Tests were conducted at temperatures of 40°F (≈ 5° C) and above, and at 35 mph, 45 mph, and 60 mph (≈ 56 km/h, 72 km/h y 97 km/h); which are within the range at which the tire/pavement noise becomes predominant.

The study results confirm the trend that tire/pavement noise slightly decreases as air temperature increases; the model shows a gradient of -0.05 dBA/°F.

With respect to the influence of vehicle speed, tire/pavement noise increases an average of 2.5 dBA for every 10 mph (16km/h) of increasing speed.

Key words: Tire/pavement noise, On-Board Sound Intensity, Crossover speed, Temperature.

IntroducciónAlcance Un número de experimentos fueron

realizados sobre la ruta US 460 entre las calles Prices Fork y Tom’s Creek ubicada en la ciudad de Blacksburg, Virginia, Estados Unidos de América. Tres diferentes velocidades fueron escogidas para el experimento con el objetivo de determinar la tasa de cambio en los niveles de intensidad del sonido (ruido) con la velocidad.

Paralelamente, diferentes rangos de temperaturas fueron seleccionados para las mediciones de ruido para determinar la influencia del medio ambiente en los niveles de intensidad del sonido.

Antecedentes El ruido producido por el tráfico es considerado hoy en día un problema medioambiental serio. Especialmente en las cercanías a zonas críticas como: hospitales, escuelas, parques, zonas residenciales aledañas a autopistas, etc. A velocidades de autopista es conocido que el ruido generado por la interacción neumático/pavimento es el mayor contribuyente al ruido total producido por el vehículo. Como respuesta a este problema las agencias de transporte están en activa búsqueda de soluciones para mitigar el ruido producido por el tráfico atacando el problema en la fuente (la interacción neumático/pavimento). Esto establece la importancia y la necesidad de nuevas investigaciones sobre el ruido que provean la fundación para los estándares que se encuentran actualmente en etapa de desarrollo.

Los efectos del medio ambiente

La investigación realizada para el NCHRP (National Cooperative Highway Research

Daniel E. Mogrovejo • Gerardo W. Flintsch • Edgar D. de León

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MetodologíaEl ruido generado por la interacción neumático/

pavimento fue medido con el método OBSI siguiendo el estándar AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) TP 76-12 “Measurement of Tire/Pavement Noise Using the On-Board Sound Intensity (OBSI) Method” [5](AASHTO 2011)

Equipo utilizado para la experimentación

El equipo utilizado para la experimentación está conformado por: (a) equipo OBSI mostrado en la Figura 2 y Figura 3, que incluye: 4 preamplificadores de ½”, 2 pares de micrófonos para intensidad de sonido de ½”, 4 cables de alta calidad, 2 protectores de micrófonos esféricos, 1 modulo de poder de 4 canales de 15 V; (b) el Software AVEC-OBSI v1.1; (c) un neumático estándar SRTT (standard reference test tire) Uniroyal P225/60R16 97S de acuerdo a ASTM (ASTM International) F 2493 [6](ASTM 2008); (d) un durómetro Shore Instron tipo “A” de acuerdo a ASTM D2240 [7](ASTM 2010); (e) una estación meteorológica de bolsillo; y (f) un termómetro laser.

Figura 2. Sistema OBSI del VTTI

Program) en el reporte 630 “Measuring Tire-Pavement noise at the source” concluye que existe un ligero decrecimiento del ruido de 1 dBA con un incremento de la temperatura del aire 10° C (18° F) [1](Lodico and Donavan 2009). Dos años más tarde, el reporte final recomienda una corrección en base la temperatura para las mediciones de ruido de -0.04 dB/ °F [2](Donavan and Lodico 2011). Otros estudios conducidos en España muestran valores similares, en donde una corrección de -0.06 dBA / °C es propuesta [3](Bueno et al. 2011). La corrección probablemente dependa del tipo de superficie del pavimento y del neumático utilizado.

El efecto de la velocidad

El ruido generado por la interacción neumático/pavimento se vuelve predominante para velocidades mayores a 30 mph (≈ 48 km/h), aproximadamente. Esta velocidad se la denomina “velocidad de cambio” o “crossover speed” El ruido del sistema de propulsión domina a velocidades menores y el ruido aerodinámico a velocidades muy altas [4](Rasmussen et al. 2007). La Figura 1 muestra las diferentes fuentes de ruido del vehículo para diferentes velocidades.

Figura 1. Niveles de intensidad del sonido vs. Velocidad y crossover speed

[4](Rasmussen et al. 2007)


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Efectos de la temperatura y la velocidad sobre el ruido generado por la interacción neumático/pavimento medido con el método OBSIEffect of environmental conditions and vehicle speed on tire/pavement noise measured with OBSI methodology

ResultadosLas tres velocidades elegidas para el ensayo son 35

mph, 45 mph, and 60 mph (≈ 56 km/h, 72 km/h y 97 km/h). Los tres rangos de temperatura escogidos son: los 40, 50, y 60 °F (≈ 5, 10, y 15 °C). Paralelamente, la temperatura del pavimento, velocidad del viento, presión barométrica, densidad del aire, humedad relativa y dureza del neumático también fueron medidas como información complementaria.

Los resultados fueron validados con el software de acuerdo al estándar AASHTO TP 76-12 en términos de: (a) Coherencia, entre las mediciones de presión del sonido en cada par de micrófonos, (b) Índice de intensidad de presión para cada centro de banda de frecuencias normalizadas de 1/3 de octava en el rango de 400 Hz hasta 5000 Hz, (c) Dirección del vector de intensidad de sonido, y (d) Desviación estándar, para el valor total y valores parciales de intensidad del sonido en la frecuencia central de cada 1/3 de octava en el rango de 400 Hz hasta 5000 Hz (AASHTO 2011). Los valores medios son reportados en dBA referidos a 1 pW/m2

y se muestran en la Tabla 1. La Tabla 2 muestra las condiciones al momento de las pruebas.

Tabla 1 Promedio de los niveles totales de intensidad de sonido para

todas las corridas (dBA ref. 1 pW/m2)

Promedio del los niveles totales de intensidad de sonido [dBA ref.

1 pW/m2]

Temperatura del aire al inicio de la corrida °F

≈ (°C)

60 (15) 50 (10) 40 (5)

Dirección Este Oeste Este Oeste Este Oeste

Vel

ocid

ad m

ph ≈

(km

/h)

35 (56) 96.7 96.8 98.1 98.4 98.2 98.2

45 (72) 99.8 100.3 100.4 101 101 101.4

60 (97) 104 104.2 103.5 103.9 104.3 105

Figura 3. Esquema del sistema OBSI

[8](AVEC 2012)

Sitios de experimentaciónLas 2 secciones escogidas se muestran en la

Figura 4. El grafico 3D representando el ruido fue generado con “KML generator” [9](Google 2012). Ambas secciones tienen una capa asfáltica tipo SM 9.5D construidas en 2005. [10](VDOT 2011) (Virginia Department of Transportation).

Figura 4. Secciones de experimentación US 460 Este y US 460 Oeste.


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Figura 6. Variación de los niveles de intensidad con la temperatura para

todas las velocidades

Tabla 2 Condiciones meteorológicas, del pavimento y del neumático para

todas las temperaturas

Temperatura del aire al empezar el test °F ≈ (°C)

60 (15) 50 (10) 40 (5)

Presión barométrica (inHg)

27.7 27.7 27.96

Densidad del aire (lb/ft3) 0.0734 0.0715 0.0734

Velocidad del viento mph (km/h)

1.4 (2.2) 5.5 (8.8) 1.5 (2.4)

Temperatura del pavimento °F (°C)

82 (27.7) 55 (12.7) 44 (6.6)

Dureza 66 66 66

Figura 5. Variación de los niveles de intensidad con la velocidad para todas las temperaturas

La Figura 5 muestra la variación de los niveles de intensidad de sonido al incrementar la velocidad. Las diferencias de los niveles de intensidad (DdBA) mostrados en la Figura 5 y resumidos en la Tabla 3 correspondientes a las razón de velocidades (V1/V2,) nos servirán para encontrar el exponente (x) que nos indica el grado de influencia de la velocidad en el nivel de intensidad de sonido o ruido producido (IL), siguiendo la siguiente relación (Ec. 1). Además la Figura 6 ilustra el decrecimiento de los niveles de intensidad al incrementar la temperatura.

(Ec. 1)


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Efectos de la temperatura y la velocidad sobre el ruido generado por la interacción neumático/pavimento medido con el método OBSIEffect of environmental conditions and vehicle speed on tire/pavement noise measured with OBSI methodology

AnálisisEfectos de la velocidad.- La Figura 5 muestra una

tendencia lineal significativa (valores de coeficiente de determinación, R2 > 0.99 para todas las ecuaciones) para el rango de velocidades estrudiado. La pendiente promedio de todas las ecuaciones de la figura refleja un incremento en el nivel de la intensidad del sonido (ruido) de 2.5 dBA por cada 10 mph (16km/h). La Tabla 3 muestra el cálculo de x para cada corrida.

Tabla 3. Cálculo del Exponente “x.”

Tem

pera

tura

°F ≈

(°C)

V1

mph

≈ (k

m/h

)

V2

mph

≈ (k

m/h

)

V1/

V2

∆dB

A

“x”

“x”

para

cad

a

tem

pera

tura

“x”

Prom

edio

60

(15)

45 (72) 35 (56) 1.286 3.1 2.840

3.133

2.737

60 (97) 45 (72) 1.333 4.2 3.362

45 (72) 35 (56) 1.286 3.5 3.207

60 (97) 45 (72) 1.333 3.9 3.122

50

(10)

45 (72) 35 (56) 1.286 2.3 2.107

2.32360 (97) 45 (72) 1.333 3.1 2.481

45 (72) 35 (56) 1.286 2.6 2.382

60 (97) 45 (72) 1.333 2.9 2.321

40

(5)

45 (72) 35 (56) 1.286 2.8 2.565

2.75560 (97) 45 (72) 1.333 3.3 2.641

45 (72) 35 (56) 1.286 3.2 2.932

60 (97) 45 (72) 1.333 3.6 2.881

De acuerdo a la Tabla 3, la (Ec. 1) podría ser expresada así: IL a (V1/V2)

2.737, válida para el rango de temperaturas y velocidades analizadas. Es importante resaltar que las relaciones lineales en la Figura 5 no contemplan velocidades menores a 35 mph (56.3 km/h) en donde estaríamos alrededor de la “velocidad de cambio o crossover speed,” en

donde el ruido generado en la interface neumático /pavimento ya no es predominante. Igualmente, tampoco sería valido para velocidades muy altas en donde el ruido aerodinámico se vuelve predominante. El exponente x = 2.737 en la ecuación muestra que el grado de influencia de la velocidad en el ruido es importante y por lo tanto es fundamental tomar en cuenta los diferenciales de velocidad en cualquier análisis de ruido medido con el sistema OBSI.

Efectos de la temperatura La Tabla 1 y los valores de las pendientes en la Figura 6 muestran una tendencia de decrecimiento en el ruido cuando la temperatura aumenta. El decrecimiento calculado promedio del ruido refleja un gradiente de -0.05 dBA/°F, con valores de coeficiente de determinación, R2, variables, por lo que un análisis adicional es sugerido. Este gradiente es muy similar a los valores encontrados en la literatura.

Conclusiones Existe una variación significante del ruido generado

por la interacción neumático/pavimento cuando es medido a diferentes velocidades. Para el pavimento estudiado, el nivel de intensidad del sonido aumenta 2.5 dBA por cada 10mph (16 km/h) de incremento. El exponente x = 2.737 para la (Ec. 1) confirma la importancia de tomar en cuenta los diferenciales de velocidad en las medidas del ruido con el método OBSI.

Un gradiente promedio de -0.05 dBA/°F fue determinado para el rango de condiciones utilizado en el estudio. Este cambio en el nivel ruido relativamente pequeño muestra que la influencia de los gradientes de temperatura del aire en los niveles de intensidad de sonido es pequeña. Sin embargo, la medición adecuada y precisa de la temperatura al momento de la prueba es esencial para el procesamiento y determinación de los niveles de Intensidad de sonido (o ruido). Por lo tanto se recomienda realizar correcciones a las medidas tomadas a diferentes temperaturas, especialmente si existe una diferencia relativamente alta en las temperaturas de medición como es el caso de mediciones en diferentes estaciones del año.


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AgradecimientosUn agradecimiento muy especial al Centro para la

Innovación e Investigación de Transporte en Virginia VCTIR (The Virginia Center for Transportation Innovation and Research) y de manera especial al Ingeniero Kevin McGhee, por todo el apoyo brindado. Este estudio es parte de un proyecto de investigación sobre el ruido en apoyo del Programa de Implementación de Pavimentos Silenciosos en Virginia (Virginia Quiet Pavement Implementation Program).

Referencias[1] Lodico, D. M., and Donavan, P. R. (2009). “Evaluation

of Test Variables for On Board Sound Intensity Measurements.” Transportation Research Record, 2123 / 2009, 153-162.

[2] Donavan, P. R., and Lodico, D. M. (2011). “Measuring Tire-Pavement Noise at the Source: Precision and Bias Statement.” National Cooperative Highway Research Program Transportation Research Board of The National Academies, Petaluma, 193.

[3] Bueno, M., Luong, J., Vinuela, U., Teran, F., and Paje, S. E. (2011). “Pavement temperature influence on close proximity tire/road noise.” Applied Acoustics, 72(11), 829-835.

[4] Rasmussen, R. O., Bernhard, R. J., Sandberg, U., and Mun, E. P. (2007). The little Book of Quieter Pavements, The Transtec Group, FHWA US DOT, Washington, District of columbia, Unites States Of America.

[5] AASHTO (2011). “Standard Method of Test for Measurement of Tire/Pavement Noise Using the On-Board Sound Intensity (OBSI) Method.” AASHTO Designation: TP 76-12, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, 444 North Capitol Street N.W., Suite 249, D.C., United States of America.

[6] ASTM (2008). “Standard Specification for P225/60R16 97S Radial Standard Reference Test Tire.” ASTM Designation : F2493-08 American Society for Testing and Materials.

[7] ASTM (2010). “Standard Test Method for Rubber Property - Durometer Hardness “ ASTM Designation: D2240-05 (2010), American Society for Testing and Materials.

[8] AVEC (2012). “Full OBSI System Model.” Acoustical and Vibrations Engineering Consultants. , Blacksburg.

[9] Google (2012). “KML Benerator.” <http://www.jamstec.go.jp/pacific21/en/kmlgenerator/rocksamples.html>. (March 25, 2012 2012).

[10] VDOT (2011). “US 460 Windshield rating data.”


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