Acústica

[pic 1][pic 2]Universidade Federal do Pará

Instituto de Tecnologia – ITEC

Faculdade de Engenharia Mecânica – FEM

Grupo de Vibrações e Acústica - GVA

MINICURSO MANIPULADOR MECÂNICO

PARTE 2 – ACÚSTICA BÁSICA

1. Conceitos de som e ruído: O som é um fenômeno ondulatório, transmitido por vibrações em um meio elástico - sólido, líquido ou gasoso -, transmitidas ou propagadas no espaço. É um fenômeno físico de vibrações, denominadas ondas, que são formadas pela compressão e rarefação das moléculas no ar. A velocidade de propagação da onda (C) pode ser calculada, levando-se em consideração o comprimento de onda (λ) e sua frequência de oscilação (f), de acordo com a seguinte fórmula:

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C é velocidade de propagação da onda (m/s), f é a frequência da oscilação (Hz) – é o número de pulsações de uma onda acústica senoidal, cuja unidade é o hertz (Hz), que ocorre no intervalo de tempo de um segundo e λ é o comprimento de onda (m). A onda sonora é caracterizada por sua frequência (Hz), comprimento de onda (λ) e pela amplitude.

A representação da onda sonora é mostrada na Figura 1, a seguir:

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Figura 1. Representação da onda sonora

A amplitude é a extensão da oscilação da onda, acima ou abaixo do valor médio, representado pela linha central. A amplitude é o volume do som. O som se apresenta sob variadas formas, tais como: música, canto dos pássaros, cordas de um violão, a fala, as ondas do mar, entre outras que se propagam no ar e chegam aos ouvidos.

Entretanto, no cotidiano, muitos sons são desagradáveis e indesejados, sendo, então, classificados como ruído. Som e ruído são formas de energia transmitidas pela colisão das moléculas de um meio, umas contra as outras, sucessivamente. A frequência determina a altura do som: quanto mais oscilações houver, mais agudo é o som. Para a vibração ser ouvida, é necessário que a frequência do som se situe entre 16 e 20.000 Hz e que a variação de pressão sonora provocada pela vibração atinja o limiar da audibilidade () (SALIBA, 2010). Segundo outros autores (GERGES, 2000), as ondas de pressão em um meio podem ser audíveis, na faixa de frequências de 20 a 20.000 Hz.[pic 5]

1. Nível de Pressão Sonora: O Nível de pressão sonora (NPS) determina a intensidade do som e representa a relação do logaritmo entre a variação da pressão sonora (P), provocada pela vibração, e a pressão que atinge o “limiar de audibilidade”. Segundo Saliba (2009), com base em pesquisas realizadas entre pessoas jovens, sem problemas auditivos, o limiar de audibilidade é de  ou 0,00002 N/m². Desse modo, convencionou-se esse valor como sendo 0 (zero) dB (decibel), ou seja, o nível de pressão sonora de referência. O nível superior de pressão sonora, pelas experiências realizadas, seria equivalente à pressão de 200 N/m², ou seja, quando a pressão sonora atingir o valor de 200 N/m2 (correspondente a 140 dB), chamado “limiar de dor”, a pessoa exposta começa a sentir dor nos ouvidos.[pic 6]

Com o objetivo de eliminar dificuldades de operar com números muito baixos () ou muito elevados (200 N/m²) e também para utilizar uma grandeza que mais se aproxima da resposta do ouvido humano, adotou-se o decibel (dB) como grandeza referencial de som/ruído, na expressão do nível de pressão sonora (NPS). O nível de pressão sonora pode ser calculado pela expressão matemática a seguir:[pic 7]

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Onde NPS é o nível de pressão sonora do som (em dB), P é a pressão sonora em Pascal (Pa) P0 é o limiar de audibilidade, que corresponde a , em 1.000 Hz.[pic 9]

1. Nível de Intensidade Sonora: O nível de intensidade sonora corresponde à intensidade sonora em um ponto específico e à quantidade média de energia sonora transmitida através de uma unidade de área perpendicular à direção de propagação do som. O nível de intensidade sonora (NIS) é expresso pela seguinte fórmula:

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Onde NIS é o nível de intensidade sonora, I é a intensidade sonora (energia) que passa por uma área e I0 é a intensidade de referência igual a 10-12 Watt/m2.

1. Tempo de reverberação: Podemos considerar que o tempo de reverberação é o tempo em que o som se apresenta audível em um determinado local, que pode ser uma sala de aula, um auditório, um teatro, um cinema, enfim, qualquer lugar que possa sofrer influência sonora. Ou seja, tempo de reverberação é o tempo que transcorre, a partir do momento da emissão da onda sonora pela fonte até ela perder 60dB de seu nível sonoro, o que corresponde a uma diminuição de ordem 10^6 W/m² de intensidade sonora. Essa questão é bem comum em salas de aula. Isso porque, na maioria das vezes, as construções feitas para abrigar as escolas são esquematizadas fora dos padrões arquitetônicos que possibilitam uma melhor distribuição sonora. Isso afeta tanto os professores quanto os alunos, porque quanto maior a distância entre aluno-professor, maior será a dificuldade em se fazer ouvir, mesmo que se esforcem. Para que o local apresente audibilidade sonora, o referencial mais importante é o volume do meio onde as ondas se propagam. O tempo de reverberação é calculado pela equação de Sabine, o pai da acústica moderna. A fórmula é representada matematicamente como:

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Onde TR é o tempo de reverberação (segundos), 0.164 é uma constante encontrada experimentalmente por Sabine para tornar o cálculo mais preciso, V é o volume da sala (m3),  é o coeficiente de absorção sonora dos materiais e A é a área das paredes, pisos e teto (m2).[pic 12]

Apesar da fórmula ser um tanto simples, um local pode ter vários tipos diferentes de materiais, cada um com um coeficiente de absorção diferente. Assim, antes de fazer os cálculos, é importante pesquisar sobre os materiais que se encontram no local onde se deseja fazer o cálculo de Sabine.

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Figura 2. Emissão de ondas sonoras com múltiplas reflexões

1. Coeficiente de absorção sonora: As características de reflexão e absorção se medem pelo grau de absorção sonora no espaço. Todos os elementos de uma sala têm propriedades de absorção do som que afetam a sua qualidade acústica. A absorção sonora é medida calculando-se o tempo de reverberação dentro das faixas de frequências de 100 a 5000 Hz, conforme a norma ISO 354. O ensaio compara os resultados entre duas situações da câmara reverberante, sendo uma vazia e outra com o produto em teste. A inteligibilidade da fala depende do tempo de reverberação da sala, por exemplo. Pode ser encontrado também através do resultado da divisão entre a soma da energia sonora absorvida pelo material ou sistema e a energia sonora transmitida através do mesmo pela energia sonora incidente em sua face exposta. Este número varia entre 0 e 100, expressando o percentual de energia sonora absorvida/transmitida pelo material, e representa a média aritmética dos valores obtidos nas frequências de 250, 500, 1.000 e 2.000Hz.

 

1. Equipamentos de avaliação de ruído: A avaliação de ruído é realizada com instrumentos conhecidos como medidores de pressão sonora, que se dividem nas categorias seguintes.
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1. Medidor de nível de pressão sonora: de avaliação instantânea, impropriamente chamado de “decibelímetro”, serve para fazer a avaliação geral do ruído produzido, uma espécie de avaliação de sondagem, para se ter uma ideia dos níveis de ruído do ambiente.

1. Dosímetro de ruído: o dosímetro de ruído é um monitor de exposição que acumula os diversos níveis de ruído do ambiente, por meio de um circuito integrado, ao longo do tempo de medição, calculando a raiz média quadrática da avaliação. Os dosímetros são muito utilizados na avaliação de ruído ocupacional, com metodologia e estratégia de medição, devendo o instrumento ser ajustado sempre antes da medição e possuir certificado de calibração atualizado.
2. Calibrador: os calibradores destinam-se a verificar a resposta de um instrumento, com a finalidade de corrigir os possíveis desvios, de diversas origens: altitude, umidade, temperatura, entre outros. Os fabricantes recomendam a calibração anual dos equipamentos. Existem vários tipos e modelos de medidores de ruído.[pic 15][pic 16]
3. Analisador de frequência: são instrumentos que indicam a distribuição do ruído em função das frequências e conhecidos como analisadores em banda de oitava que possuem esse nome porque as bandas de frequências são divididas em bandas centrais, englobando toda a faixa audível, em que cada frequência central é o dobro da anterior. Desta forma, as frequências da banda de oitava são: 125, 250, 500, 1.000, 2.000, 4.000, 8.000 e 16.000 Hz. [pic 17]

A sensibilidade auditiva não é igual para todas as frequências e nem para todas as pessoas, variando também com a idade. A frequência de 1.000 Hz é onde o ouvido humano apresenta maior correspondência entre o som emitido e a percepção. Já a frequência de 4.000 Hz é onde o ouvido humano apresenta maior sensibilidade. O analisador de frequência é utilizado na identificação de fontes de ruído, no estabelecimento de medidas de controle no ambiente de trabalho e na necessidade de apurar a frequência predominante do ruído no ambiente.[pic 18][pic 19]