8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 MEDIÇÃO DA POTÊNCIA SONORA DE UM GRUPO MOTO-GERADOR E SIMUAÇÃO DO CAMPO ACÚSTICO EM UMA USINA TERMEÉTRICA Cruz, Sérgio. M.*, Melo, Gustavo S. V. M.*, Soeiro, Newton S.*, Silva, Paulo T. A. º, Cardoso, Helder F. S.*, Setúbal, Fábio A. N.* * : Universidade Federal do Pará, Departamento de Engenharia Mecânica, Grupo de Vibrações e Acústica, Campus Universitário do Guamá, Rua Augusto Côrrea, 01 CEP Caixa postal 479 PABX Belém - Pará Brasil º : Centrais Elétricas do Norte do Brasil S.A., Centro de Tecnología da Eletronorte, Av. Pres. Tancredo Neves, s/n CEP Tel Belém - Pará Brasil * slmcruz@oi.com.br / gmelo@ufpa.br º paulothadeo@eln.gov.br RESUMO A exposição de pessoas a níveis de ruído acima do recomendado pelas normas vigentes pode trazer sérias conseqüências fisiológicas. Por isso, indústrias de vários setores têm se preocupado em criar programas de controle acústico com o intuito de prevenir possíveis seqüelas em seus funcionários, além de evitar futuros gastos com indenizações trabalhistas. No estudo de controle de ruído realizado em indústrias, um grande desafio é quanto à caracterização da(s) fonte(s) sonora(s). Com a caracterização desta(s) fonte(s) é possível compreender de forma mais eficaz as conseqüências geradas pelo campo sonoro produzido no interior do ambiente, elaborar modelos numéricos que possibilitem estudos do comportamento acústico do ambiente analisado, além de simular a eficiência de soluções a baixo custo. Neste artigo, é apresentado o procedimento de caracterização de uma fonte sonora em um galpão de uma termelétrica além de apresentar a elaboração de modelos numéricos que simulam esta fonte sonora de distintas formas, verificando as vantagens e desvantagens de cada modelo e validando estes modelos através de comparações com medições experimentais. PAAVRAS-CHAVE: Caracterização de Fonte Sonora, Controle de Ruído, Modelagem Numérica. CÓDIGO: 1652

2 INTRODUÇÃO Um grande desafio da engenharia mecânica, particularmente no que diz respeito às áreas de acústica e vibrações, é contribuir para ampliar o conhecimento básico necessário à geração de condições ambientais adequadas às atividades humanas, nos mais diversos tipos de locais de trabalho, tais como, hospitais, residências, escolas, indústrias, etc. A questão adquiriu relevância devido às suas implicações sobre a qualidade de vida dos indivíduos e das sociedades. Sabe-se, por exemplo, que a exposição de pessoas a condições ambientais adversas, tais como altos níveis de ruído, durante um tempo excessivo, pode levar a estados de estresse e/ou à perda auditiva parcial ou total de forma irreversível, de acordo com o conhecimento atualmente disponível ([1] e [2]). Assim, cada vez mais as indústrias buscam implantar programas de controle acústico, a fim de prevenir o surgimento de problemas de saúde em seus funcionários e também evitar a necessidade de arcar com futuras indenizações devido à poluição sonora. Ressalta-se que medidas de conservação da audição devem ser aplicadas tão logo se suspeite da presença de um problema de ruído, onde o termo conservação da audição deve ser compreendido no seu sentido mais amplo, como meio de prevenir danos irreversíveis ao sistema auditivo, uma vez que um programa de conservação da audição não consiste meramente em se colocar sistemas de proteção do ouvido à disposição das pessoas expostas. Um entendimento das características acústicas de onde é gerada a energia propagada no ambiente, ou seja, da fonte acústica é de vital importância para compreensão das conseqüências verificadas e de possíveis soluções a serem empregadas. Na caracterização de uma fonte acústica, busca-se a determinação de sua potência sonora, a qual é uma característica intrínseca da própria fonte, independendo, portanto, das características acústicas do ambiente onde tal fonte encontra-se instalada, ou da distância dos pontos de medição. Por outro lado, a potência acústica é calculada a partir de valores medidos de pressão sonora, os quais dependem dos parâmetros citados. Dessa forma, a idéia utilizada consiste em tomar várias medidas de nível de pressão sonora no entorno da fonte sob investigação e, conhecendo a área da superfície que engloba a fonte, é possível chegar ao valor de potência sonora da fonte. Assim, a importância de se determinar a potência sonora de uma fonte está no fato de que este valor pode ser utilizado para se tentar prever os níveis de pressão sonora que tal fonte irá produzir em um determinado ambiente. CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DO AMBIENTE E FONTE O estudo apresentado focaliza uma de quatro unidades geradoras da Usina Termoelétrica de Santana-AP da EETRONORTE, acionadas por motor diesel, denominadas SAUGD 04, 05, 06 e 07, que operam dentro de um galpão com isolamento termo-acústico e ventilação forçada. Os motores diesel são da fabricante WÄRTSIÄ modelo 18V46 (18 cilindros em V com turbocompressores) e produzem até 15 MW a 519 rpm por unidade geradora. Um centro de controle, anexo ao galpão, comanda as partidas e paradas das unidades e sincroniza a geração com as cargas solicitadas pela rede elétrica [3]. Figura 1: Um dos motores Wärtsilä do galpão sob investigação [4].

3 No interior do galpão da UTE Santana-AP, os motores Wärtsilä (com uma unidade ilustrada na Fig. 1), constituem-se na principal fonte de ruído no interior do galpão, com destaque para a região no entorno do turbo compressor (ver Fig. 2). METODOOGIA Figura 2: Turbo compressor [4]. Para a determinação de potência sonora, normalmente se faz uso de uma câmara reverberante (determinação de potência sonora em campo difuso, ou através do método da comparação, onde se utiliza uma fonte sonora de referência, com valor de potência sonora bem conhecido), ou de uma câmara anecóica (onde pode-se supor a existência de um campo acústico livre de reflexões sonoras, de modo que os valores de ruído medidos advêm diretamente da fonte sonora). No caso de equipamentos industriais, torna-se difícil muitas vezes transportá-los para um ambiente de laboratório, como certamente é o caso dos motores Wärtsilä, de modo que se faz uso de métodos aproximados, porém, estabelecidos em normas técnicas. Dessa forma, para a determinação do nível de potência sonora dos motores Wärtsilä, foi empregada a metodologia descrita na norma ISO 3746/1995 [5], a qual trata da determinação de níveis de potência sonora, através de medições de níveis de pressão sonora, fazendo uso de uma superfície envoltória, sobre um plano refletor sonoro. Devido ao fato de as medições terem sido realizadas no interior do galpão, o qual não pode ser considerado nem um ambiente acusticamente difuso, nem um ambiente anecóico (campo livre de reflexões sonoras), então a referida norma prevê uma correção nos níveis de pressão sonora medidos, devido à contribuição do campo acústico semireverberante no interior do galpão. Dessa maneira, tenta-se diminuir a influência das reflexões sonoras no interior do galpão sobre as medições de nível de pressão sonora, realizadas no entorno da fonte. Adicionalmente, existe a obrigação de se verificar a necessidade de correção das medições realizadas, por comparações com medidas do nível de ruído ambiental, as quais são realizadas na ausência do ruído da fonte sob estudo. DETERMINAÇÃO DA POTÊNCIA SONORA DO GRUPO MOTO-GERADOR-TURBOCOMPRESSOR A potência sonora do Grupo Motor-Gerador-Turbocompressor SAUGD 07 da UTE Santana foi determinada seguindo as orientações de [5]. Abaixo estão enumerados os passos adotados e, a seguir, encontram-se descritos os procedimentos que foram adotados para determinação da potência sonora da SAUGD 07: - Definição da superfície de medição que envolve a fonte; - Determinação dos pontos de medição; - Medição dos níveis de pressão sonora nos pontos de medição determinados; - Cálculo do Nível de Pressão Sonora Médio para cada superfície de medição; - Cálculo do fator de correção devido ao ruído de fundo; - Cálculo do fator de correção devido ao tipo de campo acústico encontrado no local da medição; - Determinação do Nível de Potência Sonora da fonte.

4 Definição da Superfície de Medição que Envolve a Fonte A superfície de medição é definida conforme as características geométricas da fonte sonora. A norma descreve dois tipos de superfície de medição, a saber, superfícies hemisféricas e superfícies retangulares (paralelepípedo). No caso da SAUGD 07, adotou-se um paralelepípedo como superfície de medição, devido às características dimensionais da própria fonte. O paralelepípedo da superfície de medição foi definido a 2 m do paralelepípedo representando a fonte sonora. Determinação dos pontos de medição O Anexo C de [5] apresenta sugestões para o posicionamento dos pontos de medição conforme as características geométricas do formato definido para a superfície de medição. Assim, utilizando exemplos apresentados na norma de referência, definiram-se os pontos de medição para o caso da SAUGD 07, sendo quatro pontos de medição nas laterais maiores e dois pontos nas laterais menores, onde cada um destes pontos foram definidos em duas alturas diferentes (ver Fig. 3). Figura 3: Perspectiva isométrica da fonte (em vermelho) e superfície envoltória (superfície de medição em amarelo). Na face superior, devido à impossibilidade de serem obtidas medições sobre a SAUGD 07, definiram-se pontos de medição nos cantos superiores, tal como indicado pela norma. Nas medições de nível de pressão sonora com a fonte inoperante, com o intuito de medir o ruído de fundo, foram tomadas medidas apenas dos pontos laterais de menor altura, pois não havia mudança significativa no nível de pressão sonora captado em outra altura nesta situação. Medição dos Níveis de Pressão Sonora nos Pontos de Medição Determinados Tal como ilustrado na Fig. 3, foram medidos os níveis de pressão sonora em 16 pontos. A Tab. 1 lista os valores médios de nível de pressão sonora medidos no entorno da SAUGD 07. São apresentados os valores globais e por banda de oitava. Cálculo do Nível de Pressão Sonora Médio para Cada Superfície de Medição Conforme descrito em [5], determinou-se o nível de pressão sonora médio tanto da medição obtida com a fonte sonora operante como com a fonte inoperante conforme as Eq. (1) e (2), respectivamente: pa N 1 0,1. pai = 10log 10 db( A) N i = 1 (1)

5 pa N 1 0,1. pai = 10.log 10 db( A) N i = 1 (2) A norma consultada [5] apresenta a Eq. (3) para calcular o fator de correção devido ao ruído de fundo: sendo 0,1. Δ ( A ) K1 A = 10. og 1 10 db( A ) (3) Δ A determinado pela Eq. (4): Δ = A pa pa (4) Caso Δ A seja maior que 10 db(a), este fator de correção pode ser negligenciado. Se Δ A for entre 3 e 10 db(a), o fator de correção calculado deve ser aplicado. Caso Δ A for menor ou igual a 3 db(a), o que não ocorreu em nenhum caso (ver quarta coluna da Tab. 1), deveria ser aplicada a correção apresentada em [5]. O Anexo A de [5] apresenta a Eq. (5) para determinar o fator de correção devido ao local da medição: K2 A = 10. og[1 + 4.( S / A)] (5) Mas para isso, deve-se determinar o coeficiente médio de absorção do local de medição. Este coeficiente pode ser determinado de duas formas: pelo método de aproximação e através da medição do tempo de reverberação. O método de aproximação utiliza a Eq. (6) que está em função do coeficiente médio de absorção sonora α e da área total da superfície do local de medição: A = α. S v (6) O coeficiente α é determinado de [5]. No caso do local onde se encontra a SAUGD 07, pela referida norma, o valor que melhor se enquadra é 0,15 que se aplica para salas industriais retangulares. A sexta coluna da Tab. 1 apresenta o coeficiente calculado por este método para cada banda. O método de reverberação utiliza a Eq. (7) para a determinação do coeficiente médio de absorção sonora, ficando em função do tempo de reverberação do local e do volume do interior deste local: A = 0,16.( V / T ) (7) Neste caso, é necessário o conhecimento do tempo de reverberação o qual é determinado através de ensaios. A sexta coluna da Tab. 1 apresenta o coeficiente calculado por este método para cada banda. Nota-se que para as bandas de 31,5 e Hz não foi possível determinar este coeficiente de correção devido não ter sido determinado experimentalmente os tempos de reverberação para estas bandas de oitava. Antes da aplicação da equação para cálculo da potência sonora, é necessário determinar o nível de pressão sonora na superfície de medição corrigido ( pfa ), aplicando os fatores de correção encontrados no nível de pressão sonora médio da superfície de medição, que é apresentado na Eq. (8) (ver oitava e nona colunas da Tab. 1): = K K (8) pfa pa 1A 2A Então a potência sonora pode ser calculada utilizando a Eq. (9): S WA = pfa og (9) S o

6 Após a adoção destes procedimentos, os resultados são obtidos para bandas de oitava e em nível global com ponderação-a, tal como pode ser encontrado na última linha da Tab. 1. Tabela 1: Níveis de pressão sonora medidos no entorno da SAUGD 07, coeficientes de correção e potências sonoras em db(a) determinados por banda de oitava e global. Freqüência pa pa A K 1A * K 2A ** K 2A * pfa ** pfa * WA ** WA 31,5Hz 54,4 39,8 14,6 0,15 6,8-47,6-76,6-63Hz 67,5 44,6 22,8 0,02 6,8 4,5 60,6 62,9 89,7 92,0 125Hz 81,0 49,7 31,3 0,00 6,8 4,5 74,2 76,5 103,2 105,6 250Hz 89,7 54,7 35,1 0,00 6,8 4,1 83,0 85,6 112,0 114,7 500Hz 95,2 56,4 38,8 0,00 6,8 4,5 88,4 90,7 117,4 119,8 1000Hz 98,0 57,4 40,6 0,00 6,8 5,0 91,2 93,0 120,2 122,1 2000Hz 100,7 57,4 43,3 0,00 6,8 4,7 93,9 95,9 122,9 125,0 4000Hz 97,3 54,4 42,9 0,00 6,8 4,7 90,5 92,6 119,5 121,6 8000Hz 91,2 52,7 38,6 0,00 6,8 4,2 84,4 87,0 113,5 116, Hz 81,0 49,3 31,8 0,00 6,8-74,2-103,3 - Global 104,6 64, ,8 99,9 126,9 129,0 * Com A determinado pela Eq. (6). ** Com A determinado pela Eq. (7). SIMUAÇÃO NUMÉRICA DA FONTE SONORA Para simulação numérica da fonte sonora no interior do galpão, utilizou-se o software comercial de acústica geométrica Raynoise que tem como base os métodos híbridos de raios acústicos e fonte imagem especular, que fazem uma previsão dos raios acústicos refletidos em superfícies sólidas, onde se dissipa parte da sua energia acústica após as reflexões sonoras [6], [7]. Neste trabalho, o método utilizado foi o de raios cônicos, devido à redução obtida no custo computacional, sem comprometimento da qualidade dos resultados. Após elaborar um modelo geométrico do galpão onde se situa a fonte em estudo, definiu-se o coeficientes de absorção médio da sala (determinados através do tempo de reverberação obtido experientalmente) para todos os materiais presentes no interior da sala. Com isso, posicionou-se uma fonte sonora, fornecendo para esta os valores determinados por banda de frequência pelos procedimentos citados acima (Tab. 1). O software Raynoise oferece variadas possibilidades de representação da fonte sonora. Neste estudo, verificou-se o comportamento da distribuição de nível de pressão sonora (NPS) no interior do galpão com três tipos de representação de fontes sonoras: pontual, em linha e em plano. Para as fontes em linha e em plano, a potência sonora é distribuida igualmente entre o número de partes discretizadas. A fonte sonora pontual foi posicionada no centro geométrico do volume aparente que representaria a fonte real no modelo geométrico. A distribuição de NPS global no interior da sala é ilustrado na Fig. 4a. (a) (b) Figura 4: (a) Distribuição de NPS global simulando com uma fonte pontual; (b) Distribuição de NPS global simulando com uma fonte em linha.

7 A fonte sonora em linha foi discretizada em dez pontos e posicionada no eixo central longitudinal do volume aparente da fonte no modelo. A distribuição de NPS global desta fonte é ilustrada na Fig. 4b. Para a fonte sonora em um plano, posicionou-se de duas formas: no plano horizontal longitudinal médio e no plano vertical longitudinal médio do volume aparente ocupado pela fonte. Cada plano foi discretizado para permitir a interpolação dos valores entre os pontos medidos. Na Fig. 5 é possivel verificar a distribuição de NPS global no galpão. (a) (b) Figura 5: (a) Distribuição de NPS global simulando com uma fonte plana na horizontal; (b) Distribuição de NPS global simulando com uma fonte plana na vertical. Para validar estas distribuições de NPS no interior do galpão, pode-se compará-las com uma distribuição de NPS global obtidas por medições efetuadas in loco (Fig. 6a) ou comparando pontos medidos experimentalmente com os valores obtidos numericamente na mesma localização. A Fig. 6b ilustra cinco pontos de medição escolhidos como referência para verificar seus valores para cada modelo numérico determinado. Na Tab. 2 é possível verificar estes valores. (a) (b) Figura 6: (a) Distribuição de NPS global com medições obtidas experimentalmente; (b) Pontos escolhidos como referência para comparação. Tabela 2: Comparação dos NPS (em db(a)) obtidos nos cinco pontos ilustrados na Fig. 7b para cada modelo de fonte sonora simulada com a medida experimentalmente. Ponto Fonte Fonte em Fonte Plana Fonte Plana Medição Pontual inha Horizontal Vertical Experimental 01 95,0 96,3 96,6 96,7 94, ,1 97,5 97,5 97,6 91, ,6 96,8 97,0 96,7 96, ,0 105,1 104,9 105,2 100, ,8 103,7 103,6 103,8 103,7

8 CONCUSÕES Verificando a distribuição de nível de pressão sonora global no interior do galpão em cada tipo de modelo de fonte sonora utilizada na simulação numérica, é facil constatar que devido ao formato da fonte, o nível de pressão sonora máximo verificado estará em função da discretização desta fonte. Para a fonte pontual, devido a toda energia sonora estar concentrada apenas em um ponto, é possível verificar níveis de pressão sonora de 116,9 db(a) próximo a localização desta fonte. Para a fonte plana, que é discretizada ao longo de uma superfície, este nível diminui para 106,7 db(a), um pouco acima dos 106 db(a) verificado nas medições experimentais. Em uma condição intermediária, a fonte no formato linear atinge niveis máximos de 110,6 db(a). Quanto à distribuição do NPS em si, verifica-se que o comportamento tende a se uniformizar para todos os modelos de fonte sonora quando o ponto de medição se distancia do local da fonte, apresentando resultados bastante coerentes com o que é observado na distribuição de NPS experimental. Próximo à fonte sonora, o modelo de fonte plana na posição vertical apresentou mehores resultados verificando a distribuição no plano da vista superior, já que a fonte plana horizontal, devido a sua discretização e posição, inseriu grande parcela de energia neste plano. A fonte linear proporcionou uma reposta intermediária entre as duas planas, enquanto que a pontual não trouxe bons resultados, devido à não distribuição da energia ao longo do volume aparente da fonte sonora. Finalmente, analisando a Tab. 2, verifica-se que a fonte pontual apresentara maior concordância com os resultados experimentais, devido à parcela de energia no plano de medição estar mais dispersa do que no caso dos outros tipos de fontes. REFERÊNCIAS 1. S.N.Y Gerges, Ruído: Fundamentos e Controle. NR Editora, Florianópolis, D.A. Bies e C.H. Hansen, Engineering noise control: theory and practice. E. and F. N. Spon, ondon, G. S. V. Melo, Relatório Técnico da Etapa 1, Projeto: Desenvolvimento de Metodologia de Controle e Adequação Termoacústica da Usina Termoelétrica Santana Amapá, DEM-UFPA / EETRONORTE, G. S. V. Melo, Relatório Técnico da Etapa 3, Projeto: Desenvolvimento de Metodologia de Controle e Adequação Termoacústica da Usina Termoelétrica Santana Amapá, DEM-UFPA / EETRONORTE, ISO Standard Acoustics Determination of sound power levels of noise sources using sound pressure Survey method using an enveloping measurement surface over a reflecting plane, Moraes, D. S., Melo, G. S V., Soeiro, N. S, Previsão Numérica do Comportamento Acústico de uma Pequena Sala Utilizando os Métodos Híbridos de Raios Acústicos e Fonte Imagem, Moraes, D. S., Medição e Previsão Numérica do Comportamento Acústico de um Teatro Experimental para a UFPA, Dissertação de Mestrado, PPGEM-DEM-UFPA, Belém, PA, 110 p., 2007 UNIDADES E NOMENCATURA pa nível de pressão sonora médio na superfície de medição com a fonte sonora em operação (db(a)) pa nível de pressão sonora médio na superfície de medição com a fonte sonora fora de operação (db(a)) pai nível de pressão sonora medido na posição i com a fonte sonora em operação (db(a)) pai nível de pressão sonora medido na posição i com a fonte sonora fora de operação (db(a)) fator de correção devido ao ruído de fundo (db(a)) K 1A K 2A fator de correção devido ao local de medição (db(a)) S v área total da superfície do local de medição (m 2 ). S a área da superfície de medição (m 2 ) WA a potência sonora da fonte analisada (db(a)) S o a área de referência (igual a 1 m 2 ) A área de absorção (sabines) α coeficiente médio de absorção sonora (adimensional) V volume do interior do galpão (m 3 ) T tempo de reverberação (s)