Fundamentos de Acústica Fonte Sonora trajetória de transmissão receptor Som: Qualquer variação de pressão que o ouvido possa detectar. Ruído: Som desagradável ou indesejável. Redução do Ruído: eliminá-lo ou reduzí-lo na fonte de emissão; controlar a trajetória de emissão, através de barreiras, enclausuramentos, etc.; utilizar equipamentos de proteção individual. Faixa de pressão Sonora 20 x 0-6 Pa (Limiar da audibilidade) 00 Pa (Limiar da dor) 2
Aplicação da escala linear em Pascal: faixa muito grande de variação ouvido humano responde logaritmicamente aos estímulos sonoros Parâmetros acústicos são expressos com uma relação entre valor medido e um valor de referência Bel; 0 x DECIBEL. Nível de Potência Sonora W Lw = 0log (db) Wo W potência sonora da fonte (Watts) Wo potência sonora de referência (0-2 Watts) Tipo de Som Potência Sonora (W) LW(dB) re 0-2 W cochicho 0-0 20 grito forte 0-5 70 avião na partida 0 5 70 foguete 0 7 90 3
Níveis de Pressão Sonora 4
PARÂMETROS BÁSICOS DO SOM Quando o som é gerado por uma fonte sonora W, ocorre uma transferência de energia da fonte para as moléculas de ar adjacentes. A taxa com a qual a energia flui numa determinada direção, através de uma determinada área, é denominada INTENSIDADE SONORA I. A energia que está passando em um ponto em particular na área ao redor da fonte dará origem à PRESSÃO SONORA P, naquele ponto. Potência e Pressão Sonora Aquecedor Analogia: Aquecedor x Aspirador Produz uma certa quantidade de energia por unidade de tempo [J/s], isto é, possui uma certa Potência em Watts. Energia Térmica: aumenta a temperatura da sala, a qual depende não só da potência do aquecedor, mas também da distância deste ao ponto de medição, quantidade de calor absorvida pelas paredes, etc... 5
Aspirador Produz uma certa quantidade de energia sonora por unidade de tempo [J/s], isto é, possui uma certa Potência Sonora em Watts. Energia Sonora: produz uma certa pressão sonora na sala, que depende não só da potência da fonte (aspirador), como também da distância entre a fonte e o ponto de medição, da quantidade de energia absorvida pelas paredes, etc... O que caracteriza uma fonte sonora é a sua POTÊNCIA SONORA. P P 2 I2 I Fonte Puntiforme 2 I = W 4 π r 2 = P ρ c W Potência sonora [Watts] I Intensidade sonora [W/m 2 ] P Pressão sonora [Pa = N/m 2 ] r distância da fonte ρ densidade do ar c velocidade do som 6
No caso de mais de uma fonte sonora Lp = 0 log 0 P p o Lp = 0log 2 0 P 2 P o Lp = 0 log 0 P + P o P 2 Se Lp = : Lp 2 2 Lp = 0 log 0 2 P P o Lp = 0 log 2 + 0 Lp 0 log P P o Lp = Lp 3 + db 7
Adição de Níveis em db Se a contribuição de cada fonte for diferente, o nível de pressão sonora total pode ser obtido convertendo os valores individuais de db em valores lineares (operação antilog), adicionando em seguida os valores obtidos e finalmente converter novamente para db (operação log). Porém, um método muito mais simples (pois evita as operações de antilog e log) é o de simplesmente utilizar uma curva de adição dos níveis em db. Para usar a curva, proceda da seguinte forma:. Calcule a diferença L, entre os dois níveis de pressão sonora. 2. Use curva para encontrar o valor a ser adicionado, L+. 3. Adicione o valor obtido, L+, ao maior nível para obter o nível total. O método é o seguinte: SOM 64 db SOM 2 58 db DIFERENÇA 64-58 = 6 GRÁFICO Eixo vert. = 6 Eixo horiz.= Curva Adicionar ao maior 64 + = 65 RESULTADO 65 db Observe que a diferença L=0 corresponde a situação apresentada na ilustração anterior onde 3 db foi adicionado ao nível gerado por uma única fonte. 8
No exemplo aqui apresentado, L = 6 db, onde, através da curva, o valor a ser adicionado L+ = db. Logo o nível será de 65 db. 5 4 3 2 0 09 08 07 06 05 04 03 02 0 00 0 02 03 L + (db) db + db 9
Observações: Na adição de níveis de pressão sonora: O nível resultante é sempre um pouco superior ao mais alto dos níveis em estudo. O acréscimo a ser feito, tem o valor máximo de 3 db, quando os dois níveis parciais são iguais. O acréscimo tende a zero à medida que se acentua a diferença entre os níveis parciais. Para problemas práticos, interessa levar em conta o acréscimo quando a diferença entre os dois níveis parciais é inferior a 0 db. Fora desse caso, pode-se admitir que o nível resultante é praticamente igual ao nível mais alto dos níveis dados. Para que se tenha uma perfeita representação da resposta do ouvido humano ao ruído, foram desenvolvidas escalas de ponderação, resultando níveis em db (A). 0
Escala de Ponderação Frequência (HZ) Ponderação da Escala a Resposta Relativa - db (A) 0-70,4 2,5-63,4 6-56,7 20-50,5 25-44,7 3,5-39,4 40-34,6 50-30,2 63-26,2 80-22,5 00-9, 25-6, 60-3,4 200-0,9 250-8,6 35-6,6 400-4,8 500-3,2 630 -,9 800-0,8 000 0 250 0,6 600,0 2000,2 2500,3 350,2 4000,0 5000 0,5 6300-0, 8000 -, 0000-2,5 2500-4,3 6000-6,6 20000-9,3
Subtração de Níveis em db Em alguns casos é necessário subtrair-se níveis sonoros. Este poderá ser, por exemplo, o caso onde as medidas do ruído de uma máquina são feitas na presença de ruído de fundo. Torna-se então importante saber se o ruído medido é devido ao ruído de fundo, ao ruído da máquina, ou ao efeito combinado. O procedimento para realização deste teste é o seguinte:. Meça o efeito combinado do ruído da máquina mais o ruído de fundo, L s + n. 2. Desligue a máquina e meça o nível de ruído de fundo, Ln. Na maioria dos casos é possível desligar-se a máquina que está sendo testada, já que o ruído de fundo normalmente não pode ser desligado. 3. Finalmente calcule a diferença, L = L s + n -L n e use a curva apresentada a seguir para encontrar o nível correto de ruído causado pela máquina. 2
L_ db 6 5 4 3 2 db - db 2 3 4 5 6 7 8 9 0 L x: L s + N = 60 db L n = 53 db L = 7 db L _ = db L s = 60 - = 59 db L db L s L s + N 3
Ambientes Sonoros Típicos Quando o som irradiado em uma sala atinge as superfícies, parte da energia será refletida e parte será absorvida e transmitida por estas superfícies. Em uma sala com superfícies duras e reflexivas, praticamente toda a energia será refletida, estabelecendo-se o chamado campo difuso. Tal sala é chamada de reverberante. reverberante 4
Em uma sala com superfícies altamente absorventes, praticamente toda a energia sonora será absorvida pelas superfícies. Tal sala é denominada de anecóica. Sala Prática: Na prática, a maioria das medidas sonoras são feitas em ambientes que não são totalmente anecóicos nem reverberantes. Absorção sonora de um Ambiente (A) A absorção sonora total de um determinado ambiente, numa freqüência i, é dada por: Ai = n j = S α j i j + ΣAi + 4miV (m 2 de sabine) 5
onde: Ai: n S j αij j = ΣA i : m i : V: absorção sonora total do ambiente na freqüência i. somatória do produto da área S j ; pelo coeficiente de absorção sonora α ij de cada superfície j que compõe o ambiente, na freqüência i. absorção sonora dos objetos que se encontram no ambiente (cadeira, mesas, pessoas, etc...)na freqüência i. absorção sonora do ar na freqüência i. volume bruto da sala.(m 3 ) Coeficiente de Absorção Sonora (α sab ) M a t e r i a l F r e q ü ê n c i a ( H 2 ) 2 5 2 5 0 5 0 0 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 T ijo lo p in t a d o 0, 0 0, 0 0, 0 2 0, 0 2 0, 0 2 0, 0 2 B lo c o c o n c r e t o p in t a d o 0, 0, 0 5 0, 0 6 0, 0 7 0, 0 9 0, 0 8 C o n c r e t o 0, 0 0, 0 0, 0 5 0, 0 2 0, 0 2 0, 0 2 M a d e ir a 0, 5 0, 0, 0 0, 0 7 0, 0 6 0, 0 7 V id r o 0, 3 5 0, 2 5 0, 8 0, 2 0, 0 8 0, 0 4 P a in e l d e g e s s o 0,2 9 0, 0 0,0 5 0,0 4 0,0 7 0,0 9 C o m p e n s a d o 0, 2 8 0, 2 2 0, 0 7 0, 0 9 0, 0 0, O bs.: V alores em S abins/ft 2 o u p o r u n id a d e Obs.: valores em Sabins/m 2 ou porunidade 6
D e s c r i ç ã o P la t é ia s e n t a d a e m a s s e n t o s e s t o f a d o s A s s e n t o e s t o f a d o, revestido com couro, d e s o c u p a d o A s s e n t o e s t o f a d o, revestido com tecido, d e s o c u p a d o B a n c o d e m a d e ir a, o c u p a d o C a d e ir a s, c o m a s s e n t o d e m e ta l o u d e m a d e ir a, d e s o c u p a d a F r e q ü ê n c i a ( H 2 ) 2 5 2 5 0 5 0 0 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 0, 6 0, 7 4 0, 8 8 0, 9 6 0, 9 3 0, 8 5 0, 4 4 0, 5 4 0, 6 0 0, 6 2 0, 5 8 0, 5 0 0, 4 9 0, 6 6 0, 8 0 0, 8 8 0, 8 2 0, 7 0 0, 5 7 0, 6 0, 7 5 0, 8 6 0, 9 0, 8 6 0, 5 0, 9 0, 2 2 0, 3 9 0, 3 8 0, 3 0 Constante de Absorção Sonora, m, para o ar, em m - (a 25ºC) UR FAIXA DE FREQUÊNCIA % 250 500 000 2000 4000 0 ---- 0,0030 0,006 0,0080 0,02 20 ---- 0,000 0,0020 0,0040 0,05 30 ---- ---- 0,002 0,0028 0,0078 40 ---- ---- 0,000 0,0025 0,0054 50 ---- ---- 0,000 0,0024 0,0059 60 ---- ---- 0,000 0,0022 0,0055 70 ---- ---- 0,000 0,002 0,0052 80 ---- ---- 0,000 0,0020 0,0050 90 ---- ---- 0,000 0,0020 0,0050 7
Diretividade Acústica Q Θ = Q Θ = 2 Q Θ = 4 Nível de pressão sonora em uma sala prática L onde: p Θ = L w + Q Θ 0 log 2 4 π d + 4 A L ρθ : nível de pressão sonora (db); Lw: nível de potência sonora (db); Q θ : diretividade; d: distância entre a fonte e o receptor (m); A: absorção sonora. 8
RUÍDO URBANO Natureza do ruído urbano O nível de ruído numa determinada área varia com o posicionamento do local de medição e com a própria variabilidade do nível de ruído emitido pelas diversas fontes que o compõem. De maneira geral, o nível de pressão sonora no meio urbano varia dentro de uma faixa de aproximadamente 30 db(a). Medição do ruído urbano - critérios de Ruído A. Critério da interferência com a conversação Nível de interferência com a fala - SIL (Speech Interference Level): Média aritmética dos níveis sonoros nas faixas de oitava (intervalo de freqüência onde o limite superior é o dobro do inferior), centradas em 500, 000, 2000, 4000 Hz. Valores tabelados das distâncias máximas nas quais a conversação pode ser considerada satisfatoriamente inteligível (compreensão não inferior a 95% das frases). Obs.: Nível médio sonoro da fala: 60 a 65 db 9
Nivel de Interferência Nível vocal Nível vocal elevado com a fala (db) norm al (não gritado) 35 7,50 m 5,00 m 40 4,20 m 8,40 m 45 2,30 m 4,60 m 50,30 m 2,60 m 55 0,75 m,50 m 60 0,42 m 0,85 m 65 0,25 m 0,50 m 70 0,3 m 0,26 m B. Critérios de Conforto Tipo de recinto e exigências acústicas envolvidas Auditórios para grandes orquestras, teatros para ópera, auditórios para recitais - clara distinção dos sons. Estúdios de rádio ou televisão, estúdios de gravação. Condições favoráveis ao uso de microfones em posições adequadas. Grandes auditórios, grandes teatros, grandes igrejas - Condições de audição muito boas. Dormitórios, salas de repouso, hospitais, residências, hotéis - Condições favoráveis para o sono, descanso. Escritórios, salas pequenas para conferências, salas da aula, bibliotecas. Grandes escritórios, áreas de recepção, lojas, restaurantes. db(a) <26 <30 <30 34 a 47 38 a 47 42 a 52 20
Limitação do Nível de Ruído L Em ambientes de trabalho com níveis altos de ruído (ex.: oficinas) A limitação do nível de ruído é feita para: ❶ evitar danos permanentes ao aparelho auditivo devido à exposição prolongada a ruídos excessivos. ❷ Evitar o deslocamento temporário do limiar da audição (variável com a freqüência). ❸ Garantir a audibilidade de alarmes e mensagens sonoras que alertem os indivíduos sobre perigos iminentes (importante quando pessoas, máquinas e/ou veículos ocupam o mesmo ambiente). ❹ Garantir condições adequadas de comunicação oral (os níveis de ruído de fundo não devem mascarar as palavras em locais onde, por exemplo, é necessário falar ao telefone). ❺ Garantir condições aceitáveis de conforto de forma a evitar a fadiga provocada pelo ruído. Em ambientes de trabalho que exijam concentração (ex.: escolas, escritórios) A limitação do nível de ruído tem por função: Garantir condições aceitáveis de conforto para os indivíduos que realizam tarefas nas quais a concentração é necessária, evitando distrações. Em ambientes de lazer, domésticos e hospitais A limitação do nível de ruído deve ser feita para: garantir condições adequadas de conforto para a recreação, relaxamento, sossego doméstico, sono e recuperação física e mental. 2
Em ambientes de condições críticas de audição (ex.: auditórios, interior de veículos) A limitação do nível de ruído tem por função: ❶ Garantir condições acústicas ideais para apresentação e audição de música e palestras. ❷ Garantir privacidade da conversação tanto em ambientes de trabalho como de lazer. ❸ Garantir condições de conforto e facilidade de comunicação em ambientes internos aos meios de transporte. Efeitos do Ruído sobre o Homem 90 a 20 dba efeitos psicológicos e fisiológicos (ambientes insalubres). Acima de 20 dba danos físicos (vibrações na cabeça, perda de equilíbrio, náuseas). Próximo a 40 dba pode ocorrer ruptura do tímpano. Perda da audição exposição prolongada a níveis superiores a 90 dba Quanto maior o nível de ruído, maior o grau de perda da audição. Quanto maior o tempo de exposição ao ruído, maior o grau de perda da audição. Geralmente, o ruído numa dada freqüência gera perda da audição numa freqüência superior. 22
Critérios para Julgamento e Avaliação do ruído Ambientes Industriais: Existem recomendações para os níveis máximos permissíveis para ruído contínuo ou intermitente, em função do número de horas de exposição a estes níveis de ruído. Algumas recomendações estabelecem que, ao se elevar o nível sonoro de 5 db, deve-se dividir o tempo de exposição por dois. ORGANIZAÇÃO INTERNACIONAL DO TRABALHO - OIT - TURIM / DEZ. 974 Limite de alerta: 85 db(a). Limite de perigo: 90 db(a). Não deve haver exposição que ultrapasse 5 db(a) (só com protetor) em ruídos contínuos. Ruídos impulsivos ou de impacto: máximo 30 db(a). Ruídos intermitentes: máximo 20 db(a). Para todos esses níveis de ruído deverá haver proteção auricular, sendo que jamais o ruído deverá atingir níveis superiores a 40 db(a) para qualquer tipo de protetor individual e qualquer tempo de exposição. 23
OCUPATIONAL SAFETY AND HEALTH ADMINISTRATION OSHA (USA) Horas db(a) 8 90 6 92 4 95 2 00 05 ½ 0 ¼ 5 ISO E GRANDE MAIORIA DOS PAÍSES EUROPEUS HORAS db(a) 8 90 4 93 2 96 99 ½ 02 ¼ 05 24
Níveis de Ruído em Áreas Residenciais (PORTARIA DO MINISTÉRIO DO INTERIOR) Medir o nível de ruído em db(a) e fazer as correções conforme a tabela abaixo: Característica do Ruído Correção db(a) Tom puro + 5 Impulsivo ou intermitente + 5 Horário comercial - 5 Duração do Ruído Correção db(a) Contínuo 0 30 min. 5 0 min. - 0 5 min. - 5 min. - 20 5 seg. - 25 Local Correção db(a) Residencial exclusivo + 5 Residencial 0 Residencial urbano - 5 Urbano prox. Indústrias - 0 Área de ind. pesada - 5 25
Reação comunitária aos níveis corrigidos Nível Corrigido (db(a)) Reação Esperada < 45 Não há reação 45-55 Reclamações esporádicas 50-60 Reclamações generalizadas 55-65 Ação da comunidade > 65 Forte ação comunitária BRASIL NR-5: ATIVIDADES E OPERAÇÕES INSALUBRES DA CLT (78) HORAS db(a) 08 85 06 87 04 90 02 95 0 00 Diferentes tempos e níveis sonoros: Critério: n Ti Σ i = Ci onde: Ti = tempo de exposição atual Ci = tempo de exposição permitido. 26
Exemplo: a) 95 db(a) --------- 3h 90 db(a) --------- 4h 85 db(a) --------- h n= 3 Ti i= ci = 3 2 + 4 4 + 8 = 2,6 ultrapassa o limite. b) 90 db(a) ---------- 2h 00 db(a)---------- /2h 80 db(a) ---------- 4h 3 Ti i= Ci = 2 4 + 2 + 4 = no limite. 27
MATERIAIS ACÚSTICOS. Materiais Absorventes A maior parte do som incidente é absorvida Incidente refletido dissipado transmitido Obs.: som absorvido = dissipado + transmitido 28
.. Materiais Fibrosos incidente refletido dissipado transmitido As fibras do material ao receberem o som acompanham o movimento das moléculas do ar, absorvendo a parte da energia sonora, que se transforma em calor. Outra parcela atravessa o material e uma pequena parte é refletida (± 20 %). 29
.2. Materiais Porosos incidente refletido dissipado transmitido O som penetra nos poros e é refletido inúmeras vezes, até ser absorvido. Uma pequena parcela atravessa o material, contudo em menor quantidade que nos fibrosos. 30
Então: Materiais fibrosos: quando necessitamos de altos coeficientes de absorção. Materiais porosos: quando não necessitamos de altas absorções e é desejada alguma isolação. As propriedades de absorção (ou de isolação) dependem da freqüência do som e só podem ser determinadas com precisão através de testes de laboratório, em recintos especiais, denominados de câmaras reverberantes..3. Coeficientes de Absorção Sonora I i I Q α = Ia Ii = Ii Ir Ii α = 0 α = parede rígida janela aberta, furo I r I t α = Ir Ii 3
Coeficiente de Absorção Sonora de Sabine - α sab - Obtido em condições de teste padronizadas, onde uma amostra do material é colocada numa sala grande, altamente reverberante. Os valores dos coeficientes são obtidos medindo-se a taxa de redução sonora da sala com e sem a amostra no seu interior. Obs.: A maioria dos coeficientes de absorção sonora publicados são obtidos desta forma. 2. Materiais Isolantes - Transmissão de Som Quando se ouve um som que vem do outro lado de uma parede que separa dois recintos, dizemos que o som foi transmitido pela parede. O som que incide sobre a parede faz com que esta vibre e se torne uma nova fonte de som, irradiando para ambos os lados. Som incidente Vibração da parede Som refletido Som transmitido 32
A capacidade de uma parede em transmitir o som é medida pelo seu coeficiente de transmissão (τ), que é dado pela relação entre a energia sonora incidente (no lado da fonte) e a energia sonora transmitida (do lado receptor). Ii It I r Parede rígida I i = energia incidente I r = energia refletida I t = energia transmitida Normalmente, estamos interessados em que a parede transmita para o outro recinto o mínimo possível do som, ou seja, queremos isolar o som entre a fonte e o receptor. A medida da capacidade de um material em isolar o som é dada pela sua perda de transmissão (PT), também chamada de isolação: Ii PT = 0 log = 0log It τ 33
Um material isolante é aquele que dificulta a passagem do som através dele, refletindo. Logo, o material isolante é mau absorvente. Um material bom isolante do som deve ser rígido, compacto e pesado. Ex.: concreto, alvenaria, vidro. Perda por Transmissão: PT (db) MATERIAL FREQUÊNCIA (Hz) 25 250 500 000 2000 4000 compensado 24 22 27 28 25 27 acrílico 6 7 22 28 33 35 vidro simples 7 23 25 27 28 29 vidro duplo 23 24 24 27 28 30 concreto 29 35 37 43 44 50 bloco de concreto 33 34 35 38 46 52 34
Os valores apresentados na tabela anterior foram obtidos a partir de medições em laboratório. Contudo, pode-se estimar a perda por transmissão de um material (PT) utilizando a chamada Lei da Massa, obtida empiricamente e depois confirmada pela teoria, que pode ser representada pela seguinte fórmula: PT = 20 log 0 W + 20 log 0 f - 33, onde: PT = perda por transmissão em db W = densidade superficial da estrutura em libras/ft 2 f = freqüência do som em Hz com: W = ρ x e onde: ρ = massa específica (lb/ft 3 ) e = espessura do material (ft) Cálculo da Atenuação Oferecida por Partições não - nomogêneas Existem muitas situações onde não se pode tratar uma partição simplesmente como uma estrutura homogênea, por exemplo, quando estão presentes janelas, portas, orifícios, etc... Estas partições devem ser subdivididas em componentes individuais. Neste caso, o coeficiente de transmissão composto, dado por: τ c = Σ Si. τ i S i, onde: τ i = coeficiente de transmissão do componente i S i = área do componente i 35
Exemplo: Para a partição representada abaixo, determine a perda de transmissão (PT).,0 m 2, m 3 m Dados: PT (parede) = 50 db PT (porta) = 8 db 5 m Para uma dada freqüência: PT = 0log τ τ τ parede porta = 0 = 0 PT 0 PT 0 = 0 = 0 50 0 8 0 = 0,0000 = 0,058 36
τ c = [( 3 5) 2,] 0,0000+ 2, 0,058 5 = 0,0020824 Então: PT composto = 0 log = 27dB 0,0020824 Observe a redução significativa na isolação sonora devida a presença da porta, em relação à parede homogênea (50 db 27 db). Exercício: repetir o exemplo anterior substituindo a porta por um orifício de 0,3 x 0,3 m. O nível de ruído na sala receptora será dado por: LR = LF - PT, onde: L R = nível de ruído na sala receptora L F = nível de ruído na sala fonte 37
Tudo se passa como se houvesse uma fonte de som na sala receptora que produziria um som de nível L r. Fonte Sonora L F L R Sala fonte Sala receptora Fonte Sonora L R Sala receptora 38