Técnica

Sonido del motor

Antes de entrar en materia y ver cómo podremos variar el sonido de un determinado motor haciendo cambios en el sistema de escape, necesitamos refrescar las ligeras nociones necesarias para entender la generación del sonido.

El sonido es una perturbación del medio que produce en su receptor una sensación auditiva. Teniendo en cuenta su periodicidad, podemos diferenciar dos tipos de sonidos. Los sonidos periódicos, los cuales se distinguen por su tono, timbre e intensidad; y los sonidos no periódicos o ruido.  El rango de frecuencias que el oído humano puede percibir comprende frecuencias desde 16 Hz hasta 20.000 Hz.

Como comentamos en el punto anterior, los sonidos se definen por tres características que trataré de detallar a continuación:

  • La intensidad es la cualidad del sonido que define la cantidad de energía de las ondas sonoras. En la representación gráfica, será la amplitud de la onda.
  • La frecuencia viene determinada por el número de veces que oscila el cuerpo emisor del sonido por unidad de tiempo, y es lo que hace que nuestro cerebro interprete el sonido como un tono más grave o más agudo (a mayor frecuencia, más agudo).
  • El timbre es el tercer elemento que define a un sonido. Gráficamente se corresponde con la forma de la onda sonora. Todo sonido tiene asociados una serie de armónicos, éstos son los responsables de que sepamos diferenciar una nota de igual frecuencia e intensidad proveniente de un piano o un violín. Las diferencias de intensidad de estos armónicos son los que definen el timbre de cada fuente sonora. Los armónicos son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Un sonido cuya fundamental es de 60 Hz tiene su primer armónico superior a los 120 Hz, el segundo a los 240 Hz, y así sucesivamente.
onda_sonora
Representación gráfica de una onda sonora

Aunque existe cierta discrepancia en el cálculo de la frecuencia fundamental en un motor de 4 tiempos, me resulta más convincente la corriente de opinión que dice que la frecuencia fundamental viene dada directamente por las revoluciones del cigüeñal y el armónico dominante por las explosiones en los cilindros. Siguiendo esta filosofía, calcularemos la frecuencia fundamental convirtiendo las rpm en frecuencia en Hz :

60rpm = 1 revolución/segundo = 1Hz \\ Frecuencia dominante (Hz) = rpm/60

El armónico dominante, será el sonido provocado por las explosiones de la mezcla en los cilindros. Un motor de cuatro tiempos llega a la fase de combustión cada dos vueltas de cigüeñal. En el caso de un motor de 4 cilindros tendrán lugar dos explosiones en cada vuelta, 3 explosiones en un motor de 6 cilindros, 4 en uno de 8 y así sucesivamente. Por ello, el armónico dominante será un múltiplo directo de la frecuencia fundamental:

Armónico dominante (Hz) = Frecuencia fundamental * (numero de cilindros / 2)

Utilizando estos cálculos, podemos comprobar que para un motor V8 girando a 2000rpm tenemos dos notas primarias:

Nota fundamental: 2000rpm/60 = 33.3Hz (un Do en la primera octava de un piano)

Armónico dominante: 33.3HZ * (8 cilindros /2) = 133.3Hz (Do en la tercera octava)

piano

Los motores de combustión y sus sistemas de escape son muy similares a instrumentos musicales de viento en tanto que tienen diferentes notas musicales y armónicos, explicados por las físicas de los pulsos de gases de escape y su transcurso a través del sistema de escape.

Cuanto mayor sea la velocidad de giro del motor, con mayor frecuencia  se proyectan pulsos de gas a través del escape y además éstos se moverán a mayor velocidad, por lo que tienen mayor energía. Debido a esto el sonido del motor aumenta de volumen y de tono a medida que aumentan las revoluciones.

El sonido del motor comprende varios armónicos como resultado del tamaño y número de los cilindros, disposición de éstos (motor en V, en línea, bóxer…), orden de encendido, etc. Estas frecuencias armónicas se pueden calibrar para dar lugar a un sonido lo más placentero posible. Para llevar a cabo estos ajustes, se puede modificar la longitud y diámetro de los tubos del sistema de escape, instalación de cámaras de resonancia e incluso utilizar diferentes mezclas de materiales.

El calado del encendido tiene gran relevancia en la definición del sonido de un motor. En un motor con un calado de encendido uniforme cada cilindro llegará a la ignición de la mezcla tras exactamente el mismo tiempo que lo hizo el cilindro anterior. Así en un motor de 4 cilindros tendrá lugar una explosión cada 180º, en un motor de 6 cilindros cada 120º y en un motor de 8 cilindros cada 90º.

De todos modos, no en todos los casos se puede fabricar un motor con calado uniforme. Tomemos como ejemplo el C25XE de Opel, un motor V6 con un ángulo entre bancadas de 54º, debido a la disposición de los cilindros, unos tiempos de explosión suceden más cerca entre sí que otros, creando un flujo irregular de pulsos de escape, lo que da un sonido gutural al motor.

En la gráfica siguiente se puede ver la diferencia de presiones antes del colector en motores V8 con cigüeñal plano (rojo) y cigüeñal en cruz (azul). La primera gráfica representa la bancada derecha y la segunda representa la bancada izquierda.

pech_GT_v2

De igual forma, no sólo el calado es relevante, si no también el orden de encendido (la secuencia que siguen los cilindros al realizar su tiempo de combustión), pues tomando como ejemplo un motor V8 crossplane, en el que se generan dos pulsos de escape en la misma bancada de cilindros, la secuencia no es regular, volviendo a generarse flujos irregulares en el escape que tienen como consecuencia de nuevo el sonido gutural de los V8 con cigüeñal cruzado.

Podemos aplicar la misma teoría anterior a aquellos sistemas de escape en los que las longitudes de los tubos primarios no son iguales, haciendo que los pulsos de escape lleguen al colector de forma irregular.

El sistema de escape generará un armónico de gran intensidad que variará dependiendo de la longitud de los tubos primarios, cuanto más largos sean éstos antes de la llegada al colector, más grave será el sonido producido, de igual manera que sucede en un instrumento de viento. Pensemos en un trombón donde se consiguen sonidos más graves alargando el camino que recorre el aire al extender las varillas. De igual manera el diámetro tendrá influencia directa en el sonido, puesto que cuanto mayor sea el diámetro, menor será la velocidad de los gases de escape y por consiguiente más grave será el sonido.

Jugando con las longitudes de los tubos primarios y cómo llegan estos al colector se pueden conseguir sonidos muy dispares. No podemos cambiar el orden den encendido de un motor, pero sí el orden y los tiempos en los que el pulso de gases de escape llega al colector, uno de los mejores ejemplos de esto son los colectores de 180º en motores V8 crossplane. En ellos se utilizan tubos que cruzan de una bancada a la otra para llegar al colector opuesto, de modo que los pulsos de escape no sólo entran de forma uniforma al colector, si no que además se consiguen pulsos uniformes en ambas bancadas.

180-degre.png
Esquema de sistema de escape a 180º. Encendido (1-8-4-3-6-5-7-2)

Más allá del colector sigue habiendo elementos que permiten el ajuste del sonido del motor, el más importante de todos ellos es la cámara de resonancia o resonador, que se utiliza para eliminar frecuencias de sonido indeseadas.

resonator-interior-detailed

Las dimensiones del resonador están diseñadas de tal forma que las ondas reflejadas en la cámara de resonancia ayudan a cancelar determinadas frecuencias indeseadas del sonido de escape.

Cuando una onda entra por alguno de los agujeros de la cámara de resonancia, se desplaza por ella hasta reflejarse en sus paredes. El tamaño de la cámara de resonancia se calcula de modo que la onda reflejada llegue a la salida justo cuando la siguiente onda esté reflejándose en las paredes de ésta. Así la zona de alta presión de la primera onda se alineará con la zona de baja presión de la segunda onda, cancelándose ambas en el proceso.

Dado que la onda reflejada habrá perdido energía en el proceso, la cancelación no será total, como se puede apreciar en la gráfica.

cancelling_wave

 

En los motores divididos en dos bancadas hay un elemento más que interviene en la calidad del flujo de los gases de escape y en el sonido que producen éstos. Es el elemento de unión entre los tubos tras los colectores de ambas bancadas.

x-pipe-vs-h-pipe
Los conductos pueden diseñarse con forma de X o H

Cuando en un motor con calado irregular, dos cilindros de una misma bancada tienen explosiones consecutivas, en la bancada opuesta no está sucediendo nada, por lo que los tubos de escape de esa otra bancada están vacíos. Por ello, interconectar los tubos de una y otra bancada permite a los pulsos de escape circular por ambos lados.

En una conexión en H los gases de escape pasan al otro lado por el efecto Venturi, siendo su efecto tanto menor cuanto más altas son las rpm. La solución a este problema es la conexión en X. EN este caso ambos lados se funden en uno para volver a dividirse, permitiendo a los gases de escape de cada bancada fluir libremente por ambos tubos, lo que permite que la presión de los gases de escape entre ambos lados se iguale a cualquier rango de rpm.

La conexión en X afecta al sonido de escape, haciendo que el tono de este sea más agudo, pues al cruzarse los flujos de escape de las bancadas éstos se aceleran, como podemos ver en el diagrama.

exhaust_x_pipe

Espero que esta entrada haya resultado interesante.

¡Hasta la próxima!

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