Acústica Fernando Gonçalves Amaral Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção - UFRGS Ruído e Audição

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1 Acústica Fernando Gonçalves Amaral Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção - UFRGS Ruído e Audição 1

2 O ruído pode Lesar os órgãos auditivos Perturbar a comunicação Provocar irritação Ser fonte de fadiga (estresse) Diminuir a eficiência Audição Ouvido Sistema destinado a transformar flutuações de pressão em sinais elétricos Compreendendo: Ouvido externo Ouvido médio Ouvido interno 2

3 Ouvido Externo pavilhão (coletor de ondas) conduto auditivo (φ( = 8mm; comprimento 25mm) Médio - membrana do tímpano ( (φ =10 mm) - cadeia de ossículos e início da trompa de Eustáquio Ossículos - martelo, bigorna, estribo (serve como cadeia de transmissão da onda até a janela oval) Trompa de Eustáquio - comunicação ouvido médio com o ar ambiente. Permite o equilíbrio de pressões nas nas 2 faces do tímpano. Torna o ouvido insensível às variações lentas de pressão. 3

4 Interno - cavidades ósseas ou labirinto membranoso Funções: auditiva e equilíbrio Cóclea - assegura a função auditiva Órgão de Corti - agente responsável pela percepção sonora (suportado pela cóclea) Neste órgão a onda é transformada em impulso elétrico Ouvido externo Janela Oval Ouvido interno Nervo auditivo Ouvido médio 4

5 Estribo Membrana janela oval Rampa vestibular Órgão de Corti Janela redonda Rampa timpânica Rampa vestibular Órgão de Corti Nervo auditivo Rampa timpânica 5

6 Fibra do nervo auditivo Células ciliadas Ruído 6

7 O O ruído pode ser: Puro - Complexo Contínuo - Intermitente - Flutuante Impulsivo 7

8 Sons puros P m t tempo p ( t ) = P m sen ( 2. f. t ) Pressão (Pa) Tempo (s) 8

9 1. Freqüência f ciclos / segundo Hz ouvido Hz Infra-sons Ultra-sons voz Hz 2. Velocidade de propagação C m/s ar 340 m/s água 1450 m/s aço 6 km/s 3. Comprimento de onda λ m λ = C f 100 Hz 3,4 m Hz 34 cm Hz 3,4 cm 4. Amplitude pressão de crista P m pressão eficaz P Pm = = Pascal 20 µpa (percepção) Pa (dor) pressão atmosférica 760 mm Hg, 1013 mbar, 100 kpa P m 9

10 5. Intensidade I = 2 P ρ c Watts / m W/m W/m 2 (dor) Sons complexos I t = I i I(t) I i espectro tempo f i Hz 10

11 Escala de medição DECIBÉIS a 1000 Hz limite de percepção 20 µpa W/m 2 limite de dor 200 Pa 100 W/m 2 relação SENSAÇÃO DE INTENSIDADE: logarítmica N = 10 W W log W 0 = W/m 2 0 N N = 10 I I log I 0 = W/m 2 0 limite de 2 P P = 10 log = 20 log P 0 = 20 µpa percepção 2 P0 P 0 Nível sonoro referência 11

12 Adição de níveis sonoros N = 10 log 1 I I 1 0 I I 1 0 = 10 N 1 10 N 2 = 10 log I I 2 0 I I 2 0 = 10 N 2 10 N t I1+ I2 = 10 log = 10 I 0 log 10 N i 10 se I 2 = n. I 1 I1 = 10 log ( n+ 1) = N + 10 ( n+ 1) 1 log I N t 0 n log n ~ ~ A 90 1 B 90 1 * 90 = 96 db 2 93 C Reduzir 50 % : % : % : - 20 EXEMPLO: máquina + Ruído de Fundo (R F) = 96 (4 * 90) R F = 90 (1 * 90) máquina 95 (3 * 90) 12

13 90 +3 ^ ,8 2 ^ ,8 +1,2 3 ^ ^ ,8 5 ^ ,8 +0,7 6 ^ ,5 +0,55 7 ^ ,54 8 ^ ,5 +0,46 9 ^ < 0,5 db se a diferença aritmética entre os 2 níveis > 10 db Nível fraco negligenciável (a 0,5 db de diferença) se a diferença > 10 db É verdadeiro sob o ponto de vista: - de medição caso ruídos independentes - auditivo caso ~ mesmas freqüências (efeito de máscara) sinais de alerta ruído do ambiente sinal - agudo - grave - grave - agudo modulado 13

14 Exemplo MÁQUINA: 3 fontes motor : 90 = 6 * 82 engrenagem: 85 = 2 * 82 ventilador: 82 = 1 * 82 nível de ruído total medido 91,5 9 * 82 erroneamente atribuído ao motor sozinho Caso: solução (dispendiosa) para diminuir 20 db sobre o motor Permanecem ainda GANHO REAL: = 87 db 91,5-87 = 4,5 db De onde da necessidade de pesquisar todas as fontes - pela quantificação individual SOLUÇÕES COERENTES Ponderação freqüencial Curvas isossônicas Variação em função da freqüência. 14

15 Ponderações A, B e C Maneira pela qual o ouvido se comporta com relação aos níveis sonoros baixo, médios e altos Ponderação A Simula a maneira que o ouvido atenua os níveis sonoros mais baixos Ponderação B Em desuso Ponderação C Utilizada para dar uma idéia do conteúdo espectral 15

16 db C A k 2k 4k 8k 16k Freqüência (Hz) db: nível existente não importando a freqüência com infra e ultra-sons db(a): nível sonoro tal como percebido (essencialmente a baixos níveis); serve para avaliar o incômodo, a surdez,... ( db(c)... medida do ruído audível ) se N C N A ruído de freqüências próximas a Hz se N C << N A ruído de baixas freqüências FREQÜÊNCIA (Hz) ATENUAÇÃO (db) ATENUAÇÃO (db) Filtro A Filtro C 31,5-39,4-3, ,2-0, ,1-0, , , ,2-0, , ,1-3, ,6-8,5 16

17 Análises em freqüência db(a) nível global ponderado em freqüências pesquisa causal sinais de alarme absorção análise em freqüências isolação 1. Análise por bandas de largura constante N db db (100 Hz) largura = x Hz 10 (20 Hz) 3 (10 Hz) Ruído Branco 0 20 khz 2. Análise por Oitavas : bandas de % constante 1/3 de Oitava Oitava f c f f 2 2 c c 0,707ƒ c 1,414 ƒ c largura 1,414 ƒ c - 0,707 ƒ c = 0,707 ƒ c 70,7% ƒ c Oitava f c : 31, k 2k 4k 8k 1000Hz N = nível total de intensidade nas freqüências compreendidas entre 707 e 1414 Hz 17

18 db Espectros por bandas de oitavas (A) e de terças de oitavas (B) do ruído de um compressor k 2k 4k 8k Frequência centrais das oitavas (Hz) Exemplos de espectros por bandas de oitava (A e C) e por bandas de terças de oitava (B e D) de um ruído branco (A e B) e de um ruído rosa (C e D). db A B C D k 2k 4k 8k Freqüência (Hz) 18

19 1/3 Oitava f c 6 c 2 f 6 f 2 c largura = 23,2% ƒ c N 1 3 oit, 1000Hz = nível total de intensidade nas freqüências compreendidas entre 891 e 1122 Hz Oitava 3 = 1 Terç as de Oitava O espectro terças de oitava < espectro oitava Validade: 1 a resposta em freqüência do micro em altas freqüências 2 atenuação fora da banda 3 inexistência de db(a) F (Hz) 31, K 2K 4K 8K 16K N (db) N db(a) 45,6 60,8 72,9 80,4 84, , ,9 53,4 19

20 Índice NR (Noise( Rating) Visa considerar mais precisamente as características freqüenciais do ruído que o simples db(a) Ruído de fundo NR db(a) - 5 Ruído Qualquer Não existe relação Utilidade : - comparar diferentes ruídos - especificar ruídos de fundo ambientes 20

21 Ruídos de impacto (a) Ruídos Impulsivos tiro em campo aberto 20 db Ruídos de Impacto (b) martelada +... ressonância tempo de elevação nível sonoro de crista duração freqüência de repetição Ruídos intermitente e flutuante: Nível equivalente O ruído varia de maneira: a) Intermitente: perfil db(a) em ƒ (tempo) ex: ruído de um compressor b) Flutuante: distribuição acumulada ex: hall industrial N Aeq,T 1 T T N () t = 10log dt N (t) é o nível no tempo t; T é a duração de observação 0 21

22 N A,eq : nível equivalente nível contínuo que sob a mesma duração mesma contribuição de energia acústica N Aeq,T 1 T T N () t = 10log dt N (t) é o nível no tempo t; T é a duração de observação 0 Pode-se caracterizá-lo por meio de uma análise estatística, determinando % do tempo durante o qual um determinado nível sonoro é alcançado ou ultrapassado N x% : nível ultrapassado durante x % do tempo N 90 : nível atingido ou ultrapassado durante 90% do tempo ruído de fundo N 50 : nível médio atingido ou ultrapassado durante 50% do tempo N 10 : nível atingido ou ultrapassado durante 10% do tempo indicador dos níveis máximos 22

23 23

24 Nível cotidiano de exposição sonora semanal de exposição sonora N EX,8 : nível cotidiano de exposição sonora nível contínuo que durante 8 horas mesma contribuição de energia acústica que durante a jornada de trabalho ( ) 1 N Aeq, Ti N = EX,d 10 log T i TT T T é a duração total de 8 h expressa nas mesmas unidades (h, m, s) que os tempos parciais T i N EX,40 : nível semanal de exposição sonora nível continuo que durante 40 horas mesma contribuição de energia acústica que durante a semana de trabalho ( ) 1 N EX, d N = EX,w log 5 Exemplo Um trabalhador permanece: lugar 1 N A,eq1 = 93 db(a) durante 4 h 2 N A,eq2 = 96 db(a) durante 2 h 3 N A,eq3 = 70 db(a) durante 1 h Total 7 h Nível equivalente sobre as 7 horas: = log = db( A) 935. db( A) N EX,8 = log N EX,8 = db( A )

25 Energia total: 4 fontes fontes fonte 70 negligenciavel N EX,8 = 1 8 da energia total -9 db 93 db(a) Instrumentos de medição do ruído Sistema geral de medição: Um microfone : converte as flutuações de pressão no ar e converte em sinal elétrico analógico Um amplificador-analisador Dispositivo de afixação : mostrador, gráfico, osciloscópio Características Resposta em freqüência : banda de freqüências, onde sinal de entrada e de saída permanecem constantes (20 a Hz a ± 1 db) Linearidade : no sinal de saída é função linear da amplitude do sinal de entrada Gama dinâmica : gama de amplitudes para a qual o sistema permanece linear 25

26 db resposta em saída distorção freqüência 0-1 Ruído de fundo Hz entrada banda passante gama dinâmica de 20 a Hz Escolha da aparelhagem Duas opções: Campo direto : avaliação do ruído de uma determinada fonte Campo difuso : ruído ambiente microfone sensibilidade média 10 mv / Pa ½ banda passante a mais larga sob incidência aleatória campo difuso 26

27 Medidor de pressão sonora Decibelímetro (sonômetro) tipo II ou I gama dinâmica ƒ (microfone) mostrador digital + analógico analógico linear 40 db zonas redundantes ponderação db(a) db(c) db amortecimento slow fast peak integração N eq tempo qualquer saída AC gravação magnética DC gravação gráfica Fonte padrão 94 db a 1000 Hz Dosímetro descrição: db (A) impulsões dose posição: fone de ouvido, colarinho, bolso calibração: modo acelerado 1 golpe/s = leituras após 8 horas Adota-se (q =3) princípio de igual energia (ISO) 90 db(a) durante 8 horas = 93 db(a) durante 4 horas = 96 db(a) durante 2 horas = 99 db(a) durante 1 hora precisão: N eq dose ISO OSHA ± 0.5 db(a) ~ ± 12% ~ ± 7% ± 1 db(a) ~ ± 25% ~ ± 14% limites: [Inferior testemunha 27

28 Ruído contínuo ou intermitente: dose diária 100% - 8 horas 85 db(a) NE 85 E 3 D T = % 480 ( ) NE = nível de exposição D = dose diária de ruído em % TE = tempo de duração, em minutos, da jornada de trabalho Decibelímetro Integrado slow, fast (pic) Leq 1 min ISO 28

29 Limitação do ruído TIPO DE LOCAL Sala de reuniões Escritório Escritório em fábrica, salas de repouso Laboratórios, salas de controle Refeitório Vestiário Oficina de manutenção Área de produção Salas de compressores, ventiladores, etc., normalmente desocupadas NÍVEL SONORO INDICATIVO em db(a) Propagação em campo livre 1 m 2 m 4 m 8 m 16 m 90 db 84 db 78 db Diminuição de 6 db a cada duplicação da distância com relação à fonte 29

30 Duração da reverberação Sabine T = 0,16 V 60 A Tempo em segundos necessário para que o nível sonoro diminua de 60 db, após a fonte ser bruscamente interrompida Surdez Campo Auditivo LIMITES Hz limites Zona de conversação: Hz 35 db(a) cochicho. 55 db(a) descontraída db(a) aos gritos Presbiacusia Diminuição progressiva da sensibilidade do ouvido com a idade. Sujeitos normais com 60 anos - perda média 15,5 db calculada sobre a média das freqüências Hz 30

31 Reflexo Estapediano Intervém para ruídos, muito elevados, em torno de 80 db acima dos limites de percepção. 1. não é instantâneo tempo de latência ( ms) 2. proteção baixas freqüências 3. ruídos de impacto não são protegidos 4. relaxação mais rápida para sons puros, mais demorada para sons intensos e flutuantes Limiar da dor Gama audível Música Fala Limiar de audição 31

32 Handicap social e invalidez Bélgica déficit médio P 123 = P P P 3000 França P 5124 = 2P P1 + 3P 2 + P , 778 P123 % handicap P 123 = 35 db P 5124 = 27 db Limite de invalidez 50 db 35 db P 123 = 45 db 32

33 Surdez profissional Déficit permanente e irreversível da audição provocado pelas condições de trabalho: produtos tóxicos (monóxido de carbono, benzeno, chumbo ) mergulho (descompressão) tiros de arma de fogo, explosões surdez induzida pelo ruído (nosso caso) Evolução da surdez profissional em função da duração da exposição a ruído intenso 33

34 Evolução das perdas a 4 khz em função da duração da exposição a 96 db(a) para diferentes percentis da população Perda (db) Duração de exposição em anos A surdez não evolui da mesma forma para todos. Sensibilidade ao ruído de uma pessoa apresentando uma perda auditiva: "Porcentagem da população que, nas mesmas condições de idade, de duração de exposição e de nível cotidiano de exposição sonoro, apresentaria perdas inferiores" Logo, uma pessoa de sensibilidade 90% é muito sensível ao ruído 34

35 Distribuição das perdas auditivas (média a 1, 2 e 3 khz) na idade de 60 anos, após 40 anos de exposição a 98, 94, 90 e menos de 85 db(a) Risco de surdez profissional em função do N eq (% da população de 60 anos com 40 anos de exposição, apresentando mais de 35 db ou 50 db de déficit médio a 1, 2 e 3 khz) % risco P > 35 P > N eq (db(a)) 35

36 Fadiga auditiva Perda de audição temporária devido ao esgotamento das células ciliadas muito solicitadas (TTS - Temporary Threshold Shift) TTS db TTS db 40 Exposição Recuperação tempo tempo min (log) min (log) Perda de audição temporária = incômodo Nos primeiros anos (imperceptível) (Para N eq < 80 db não há perda não importando o tempo de exposição) Recuperação do TTS após 2 a 3 horas de repouso Se TTS muito alto o tempo pode chegar a 48 horas para recuperação 36

37 Evolução temporária do limite de audição (médio 1, 2 e 3kHz) em fim de jornada de trabalho em função do EX,d para 50 e 90% da população N EX,d TTS fim de jornada perda permanente após 10 anos. db (A) TTS 50% TTS 90% TTS TTS = 5 db 30 repouso < h < 30 Audiometria Determinação dos limites de percepção ( Hz) de 5 em 5 db (1 direito, depois esquerdo) duração total aconselhada: 4 a 5 minutos db Audiograma alarmante Audiograma normal Hz 37

38 38

39 Evolução da surdez 1 a Fase - 2 a 3 semanas (dor de cabeça, fadiga, sinos nos ouvidos) 2 a Fase - déficit (audiograma) [3000 a 6000 Hz] 4000 Hz mais freqüente - não é percebida pelo sujeito, - em certos casos pode durar de 2 a 20 anos (surdez latente) 3 a Fase - descoberta de dificuldades auditivas (conversação) ex: telefone 4 a Fase - surdez profunda (comunicação difícil ou impossível) Efeito de máscara Existe mascaramento de um som quando este deixa de ser percebido em presença de um outro. Interferência com a conversação Efeito de máscara para um som de freqüência 800 Hz e de intensidade crescente 39

40 EPIs 145 db(a) 40

41 Definição de um bom EPI Dois critérios: 1. Atenuação efetiva e suficiente para as freqüências desejadas 2. Boa tolerância ao uso: - menos o protetor incomoda, mais o operador usa Logo: - fones (mais fáceis de tirar e botar) são aconselhados para pessoas que são expostas ocasionalmente ou a ruídos violentos. - protetores auriculares são mais vantajosos para pessoas expostas por mais tempo Situação 1 Situação 2 Neq 107 db(a) 105 db(a) Tempo de uso do protetor 98 % 90 % Atenuação efetiva 17 db(a) 10 db(a) Nível sonoro recebido 90 db(a) 95 db(a) Atenuação efetiva db(a) Situação 1 Situação 2 Tempo de uso (%) Escala logarítmica 41

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