Engenharia Automotiva Parte I

Engenharia Automotiva Parte I PROF. KEY FONSECA DE LIMA 2 0 1 1 Som Definições Básicas Som Se caracteriza por flutuações em um meio elástico (sólido, líquido ou gasoso). É a parte da vida diária como uma música, o canto dos pássaros, o tilintar dos telefones, o ressoar de ondas na praia, uma conversa, etc. É uma onda mecânica, ou seja, precisa de um meio para se propagar; É uma onda longitudinal. 1

Som Definições Básicas Som Definições Básicas Som A velocidade de propagação do som no ar é dada por: Conhecendo-se a velocidade de propagação do som no meio e sua freqüência é possível calcular o seu comprimento de onda (λ) em [m], ou seja: 2

Ruído Definições Básicas Velocidade do Som c= γp ρ ou c= γr(273+t ) ρ = densidade do meio de propagação em [kg/m 3 ]; P = a pressão atmosférica do meio em [Pa] γ = razão de calores específico do gás com pressão constante [Cp] e calor específico do gás com volume constante [Cv]; R = Constante universal dos gases que vale 287 Ruído Definições Básicas Razão de calores específicos para o Ar: T [K] Cp Cv γ 250 1,003 0,716 1,401 300 1,005 0,718 1,400 350 1,008 0,721 1,398 400 1,013 0,726 1,395 450 1,020 0,733 1,391 500 1,029 0,742 1,387 550 1,040 0,753 1,381 600 1,051 0,764 1,376 650 1,063 0,776 1,370 700 1,075 0,788 1,364 3

Som Definições Básicas Sensação auditiva Uma pessoa jovem e saudável detecta sons na faixa de 20 a 20000 Hz. Infrasom < 20 Hz Ultrasom > 20 khz Som Definições Básicas Sensação auditiva Uma pessoa jovem e saudável detecta sons na faixa de 20 a 20000 Hz. 4

Propriedades do Som A intensidade é a propriedade do som responsável pelo nível pressão sonora (NPS) o qual estamos escutando um determinado som ou ruído. Está diretamente ligado a amplitude (pressão)da onda sonora. A altura é uma característica do som que nos permite classificá-lo em grave ou agudo. Essa propriedade do som é caracterizada pela frequência da onda sonora. Um som com baixa frequência é dito som grave e o som com altas frequências é dito som agudo. Propriedades do Som O timbre é a característica sonora que permite distinguir sons de mesma frequência e mesma intensidade, desde que as ondas sonoras correspondentes a esses sons sejam diferentes. 5

Propriedades do Som -ECO Só ouvimos os ecos como sons isolados quando eles nos atingem 1/10 de segundo ou mais depois do som original. Esse é o tempo necessário para o ouvido humano separar um som do outro. Se você gritar diante de um obstáculo a 17 m, o som caminhará 17 m na ida e mais 17 m de volta, num total de 34 m. Como o som tem aprox. a veloc de 340 m/s, deverá percorrer essa distância em 1/10 de segundo. O eco chegará a seu ouvido 1/10 de segundo depois de você ouvir sua voz original. Você poderá, portanto, distinguir o eco. Se, por outro lado, a parede refletora estiver apenas a 340 m de distância, como seria na sala de estar, o som voltaria depressa demais levando 1/50 de segundo de viagem. Nesse caso a reflexão do som apenas prolonga o som original; que não é percebido como eco. Fonte: Mundo Físico - Centro de Ciências Tecnológicas - CCT - UDESC Propriedades do Som -ECO Um eco pode provocar também séria interferência na audição, principalmente num ginásio grande ou em um auditório. Os ecos cobrem as palavras de quem fala, causando confusão. Pode-se superar esse problema usando material amortecedor de som para as paredes, tetos e chão. Material macio como lonas, cortinas, madeiras e tapetes absorvem as ondas sonoras e quase não refletem o som. Por isso as paredes dos auditórios são geralmente cobertas de madeira. 6

Prorpiedades do Som - Efeito Doppler O Efeito Doppler é a alteração da frequência sonora percebida pelo observador em virtude do movimento relativo de aproximação ou afastamento entre a fonte e o observador. Fonte: www.igans.com.br, acesso em 05/05/2011 Prorpiedades do Som - Efeito Doppler Fonte: www.igans.com.br, acesso em 05/05/2011 7

Prorpiedades do Som - Efeito Doppler Propriedades do Som - Difração É um fenômeno acústico que ocorre com as ondas quando elas passam por um orifício ou contornam um objeto cuja dimensão é da mesma ordem de grandeza; O tamanho da obstrução deve ser comparado com o comprimento de onda da campo sonoro para estimar a quantidade de difração. 8

Propriedades do Som - Difusão A difusão ocorre quando o som passa através dos furos como por exemplo uma parede. Se o buraco é pequeno comparado ao comprimento de onda, o som passando irradia um padrão unidirecional semelhante ao original da fonte de som. Quando o buraco tem dimensões maiores que o comprimento de onda, o som passa com perturbação insignificante. Propriedades do Som - Reflexão A reflexão ocorre o som atinge obstáculos grandes em comparação ao mesmo comprimento de onda; Se o obstáculo não absorve a energia sonora, o som refletido e terá energia igual a energia incidente. 9

Ruído Definições Básicas Ruído (noise) Qualquer som desagradável e indesejável. Tom puro (pure tone) Som com uma única freqüência. Ruído de banda larga (broad bond noise) Sons formado por uma mistura de freqüências; Sons Industriais. Ruído branco (white noise) Sons com freqüência somente nas faixas audíveis. Ruído Rosa É um sinal ou um processo onde o espectro de frequências como a densidade espectral de potência é inversamente proporcional à freqüência do sinal. Ruído Definições Básicas 10

Ruído Definições Básicas Ruídos contínuos : são aqueles cuja variação de nível de intensidade sonora é muito pequena em função do tempo. São ruídos característicos de bombas de líquidos, motores elétricos, engrenagens, chuva, geladeiras, compressores, ventiladores. Ruídos intermitentes ou flutuantes : são aqueles que apresentam grandes variações de nível em função do tempo. São geradores desse tipo de ruído os trabalhos manuais, afiação de ferramentas, soldagem, o trânsito de veículos. São os ruídos mais comuns nos sons diários. Fonte: Fernandes, J. C., Acústica e Ruídos, UNESP, 2009 Ruído Definições Básicas Ruídos impulsivos, ou de impacto: apresentam altos níveis de intensidade sonora, num intervalo de tempo muito pequeno. São os ruídos provenientes de explosões e impactos. São ruídos característicos de rebitadeiras, impressoras automáticas, britadeiras, prensas, etc. Fonte: Fernandes, J. C., Acústica e Ruídos, UNESP, 2009 11

A Audição Ouvido Externo Pavilhão da orelha Canal ou conduto auditivo Tímpano Ouvido Médio Martelo Bigorna Estribo Ouvido Interno Caracol ou cóclea A Audição Ouvido Externo Pavilhão, canal ou conduto auditivo e tímpano. Coleta e transmite as ondas sonoras canalizando-as até o tímpano. O tímpano é uma membrana que vibra. 12

A Audição Ouvido Médio Martelo, estribo e a bigorna Atua como um amplificador sonoro. Aumentam a intensidade das vibrações do tímpano através dos ossículos (martelo, bigorna e estribo). Transmite as vibrações amplificadas ao ouvido interno caracol (cóclea). Protegem o sistema auditivo de sons acima de 90 db diminuindo a amplitude das ondas sonoras. A Audição Ouvido Interno Caracol ou cóclea As vibrações do tímpano e dos ossículos são transmitidos ao cérebro através da cóclea. Dentro da cóclea, os órgãos ciliados de Corti transformam as vibrações em meio líquido em impulsos elétricos transmitidos ao cérebro através do nervo acústico. 13

Efeitos da exposição ao ruído O ruído está presente em quase todas as atividades industriais. Comprometem a saúde de uma parcela significativa dos trabalhadores expostos a esse ambiente. Os efeitos nocivos a saúde são classificados como: Auditivos Deslocamento temporário do limiar auditivo Surdez profissional (condutiva e neurossensorial) Não auditivos Fisiológicos Psicológicos Sinérgicos Efeitos Auditivos Deslocamento temporário do limiar auditivo. Ou seja, surdez temporária devido à fadiga auditiva ocorre após uma exposição prolongada a níveis elevados de ruído; Recupera-se com descanso. Surdez profissional. Condutiva: ocorre quando há ruptura de tímpano, ossículos ou outra estrutura de condução; Perda em todas as freqüências. Neurossensorial: ocorre quando há a destruição dos órgãos ciliados de Conti. Elevada perda da capacidade auditiva em torno de 4000Hz (gota acústica). 14

Efeitos Auditivos Efeitos não auditivos ocorrem quando o trabalhador estão expostos a ruídos de 100 db. Os efeitos não auditivos são: Fisiológicos e Psicológicos: Dor de cabeça; Estresse; Irritabilidade; Depressão; Vertigens; Cansaço excessivo; Insônia; Hipertensão; Diminuição da Libido; Prediposição à infecções; Modifica a Glicemia; Alterações no sistema digestivo; Zumbido. Fonte: Gerges, S. N. Y., Ruído Fundamentos e Controle, (2000) Efeitos Auditivos Efeitos não auditivos ocorrem quando o trabalhador estão expostos a ruídos de 100 db. Os efeitos não auditivos são: Sinérgicos: Ocorre quando se é submetido a um ruído intenso; Diminuição da Visão Noturna; Confusão na Percepção das Cores; Queda na atividade motora e falta de concentração. 15

Perda de Audição Qualquer redução na sensibilidade de audição é considerada perda de audição. A perda de audição devido ao envelhecimento tem início aos 30 anos, sendo ligeiramente maior nos homens. Fonte: Gerges, S. N. Y., Ruído Fundamentos e Controle, (2000) Perda de Audição A exposição a níveis altos de ruído por tempo longo danifica as células da cóclea. O tímpano, por sua vez raramente é danificado por ruído industrial. A primeira efeito fisiológico é a perda de audição na banda de freqüência de 4 a 6 khz. As células nervosas no ouvido interno são danificadas, portando o processos de perda auditiva é irreversível. 16

Perda de Audição Fonte: Gerges, S. N. Y., Ruído Fundamentos e Controle, (2000) Grandezas Físicas A menor variação de pressão que o ouvido humano pode captar a 1000 Hz é igual a 20 µpa (5.000.000.000 de vezes menor que a pressão atmosférica que é de aproximadamente 101,3 kpa O ouvido humano pode tolerar variações de pressão milhões de vezes maiores que a variação mínima. Então, se amplitude do som for medida em Pa, a escala deve ser excessivamente grande. Para evitar-se isso utiliza-se o decibel ou db. 17

Grandezas Físicas O decibel (db) é uma medida da razão entre duas quantidades. É uma unidade de medida adimensional, semelhante à percentagem. A definição do db é obtida com o uso do logaritmo. NPS Nível de Pressão Sonoro [db] SPL ou Lp Sound Pressure Level [db] Grandezas Físicas O nível de pressão sonora de uma conversa em tom agradável chega a aprox. 60 db. Portanto, pode-se dizer que a amplitude da pressão sonora vale: 18

Pressão Sonora X Potência Sonora Pressão Sonora X Potência Sonora A potencia é uma característica da fonte; O nível de pressão sonora (valor medido por um microfone) depende de uma série de fatores, tais como: distância do receptor à fonte; obstáculos entre a fonte e o receptor; ambiente com reflexão sonora, etc. 19

Nível de Pressão Sonoro em Campo Livre Sem obstáculos ao redor da fonte, só há reflexão do chão (reflexão perfeita). Essa situação é chamada de campo livre. A potência sonora é distribuída igualmente em todas as direções, desse modo, a uma certa distância da fonte, a energia está distribuída em uma área que corresponde a área de meia esfera (hemisfério) Níveis Típicos de Ruído 20

Níveis Típicos de Ruído Níveis de Percepção O ouvido humano é capaz de captar sons na faixa de 20 Hz a 20 khz. O ouvido humano é mais sensível a sons na faixa de 2 khz a 5 khz (dependo do autor (2 a 4 khz). Uma mudança de 3 db no NPS é o limite de percepção. 21

Níveis de Percepção Tipos de Fonte 22

Espaços Fechados ANECÓICA Energia acústica absorvida pela paredes com material absorvente. REVERBERANTE Energia acústica refletida por todas as paredes rígidas. Campos Sonoros Campo Próximo Influência da energia refletida pelas próprias partes da máquina Campo Livre O som se comporta com se propagar-se no céu livre de superfícies refletoras; Campo reverberante as reflexões das paredes e outros objetos podem ser tão forte como o som direto da a máquina. 23

Audibilidade Nível de audibilidade (NA) As curvas isoaudíveis (1000 Hz padrão) representam a mesma intensidade de resposta do ouvido humano a determinados sons. Por exemplo: Um som NA=80 fones (70 db) em 4000 Hz é ouvido com a mesma intensidade de um som 100 Hz de (85 db). Portanto, a 4000 Hz, há necessidade de um NPS menor para produzir o mesmo efeito no organismo. Circuitos de Compensação Circuitos de Compensação (A, B, C e D) Estes circuitos são filtros que possuem o objetivo de modelar e corrigir os sons captados pelos medidores de NPS para a resposta do ouvido humano. Circuitos de Compensação A C Unidade Aplicação db(a) db(c) D db(d) Ruído de Aeroportos Melhor representa a resposta do ouvido humano Levantamento Ocupacionais Dosimetrias Cálculo de atenuação dos protetores auriculares Ruído de impacto Cálculo de atenuação dos protetores auriculares 24

Circuitos de Compensação Circuitos de Compensação (A, B, C e D) NPS = 70 db (1000 Hz) Ouvido humano = 70 db(a) NPS = 70 db (50 Hz) Ouvido humano = 70 30,2= 39,2 db(a) -30,2 db Adição e Subtração de Níveis de Ruído O decibel (db) é uma escala logarítimica e portanto sem correlação linear, ou seja: 80dB + 80dB 160dB. ADIÇÃO SUBTRAÇÃO 25

Adição e Subtração de Níveis de Ruído Exemplo 01. Um ambiente industrial possui duas máquinas que emitem níveis de ruído iguais a 86 e 89 db, respectivamente. Qual é o NPS total deste ambiente? Adição e Subtração de Níveis de Ruído Exemplo 01. Um ambiente industrial possui duas máquinas que emitem níveis de ruído iguais a 86 e 89 db, respectivamente. Qual é o NPS total deste ambiente? 26

Adição e Subtração de Níveis de Ruído Exemplo 02. Um operador de empilhadeira trabalha em um ambiente que possui um nível de ruído igual a 84 db(a). Sabe-se que o ruído de fundo (medido com a empilhadeira desligada) é de 77 db(a). Determine o verdadeiro nível ruído emitido pela empilhadeira. Adição e Subtração de Níveis de Ruído Exemplo 02. Um operador de empilhadeira trabalha em um ambiente que possui um nível de ruído igual a 84 db(a). Sabe-se que o ruído de fundo (medido com a empilhadeira desligada) é de 77 db(a). Determine o verdadeiro nível ruído emitido pela empilhadeira. 27

Formas de Ondas e Frequências Para transformar um sinal no domínio do tempo para o domínio da frequência utiliza-se a FFT (Transformada Fast de Fourier). Típicos Sons O ruídos industriais são complexos; O objetivo da análise de frequência é mostrar que o sinal é composto por uma série de frequências distintas em níveis individuais presentes simultaneamente; O número de freqüências discretas apresentado é uma função da precisão a análise de freqüência que normalmente podem ser definidos pelo usuário. 28

Filtros Passa Banda Bandas de oitava Filtro passa Banda Mede a energia sonora contida na banda de um filtro passa-banda. Um medidor de nível de som equipado com filtros de banda de oitava tem a capacidade de dividir o espectro sonoro em bandas menores, para identificar o conteúdo de frequência do ruído. Banda de Oitava Filtros Passa Banda 1/3 de oitava 29

Filtros Passa Banda Bandas de oitava Filtro passa Banda Leitura do Medidor de NPS Freq Central (Hz) 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 NPS(dBA) 71,5 71,7 76,6 82,6 81,8 81 82 69 NPS 10log 10, 10, 10 NPS 88,4 dba Microfones Tipos O Microfone de Campo Livre: O microfone perturba o campo sonoro quando introduzido no meio, mas o microfone de campo livre é projetado para compensar sua própria presença perturbadora. O Microfone de Pressão: Quando o microfone de pressão é utilizado para a medição em um campo livre, ele deve ser orientado em um ângulo de 90 com a direção do som propagação, para que o som não cause perturbações na frente do microfone. O Microfone de Incidência Aleatória: foi projetado para responder de maneira uniforme para os sinais que chegam simultâneo de todos os ângulos. Quando usado em um campo livre deve ser orientado por um ângulo de 70-80 para a direção de propagação. 30

Microfones Tipos Free field (Campo Livre) Pressure (Pressão) Random Incidence (Incidência Aleatória) Microfones Faixa Dinâmica Microfones 31

Microfones Sensibilidade Microfones Instrumentação Medidores de NPS Medidores de NPS (Sound Level Meters) (decibelímetros - errado) Existem quatro classes de medidores de NPS conforme as normas ANSI S1-4-1971 e IEC 651/1979 Classe 0 (calibração em laboratórios) Classe 1 (de precisão) Classe 2 (para uso geral) Calibradores Protetor de vento e poeira Pistofone Calibrador 32

Instrumentação - Dosímetros Dosímetros Utilizados para medição da dose de ruído (ou nível exposição) durante uma jornada de trabalho. Aparelho leve, portátil com um microfone que pode ser colocado perto do ouvido. Circuitos de Compensação Circuitos de Compensação (A) As normas internacionais e o Ministério do trabalho adotaram a curva de compensação A (com resposta lenta - slow) para as medições de nível de ruído contínuo e intermitente. A curva A é a que melhor representa a resposta do ouvido humano. As medições devem ser feitas próxima a orelha do trabalhador. 33

Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído NR-15 (Norma Regulamentadora 15 Atividades e Operações Insalubres) O trabalhador não pode exceder o limites estabelecidos no Anexo 1 quando exposto a ruídos contínuos ou intermitentes. Anexo 1 NR15 Limites de Tolerância para ruído continuo ou intermitente Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído NR-15 (OSHA q(5)) 34

Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído NR-15 (exemplos) Nível de Ação Valor acima da qual devem ser iniciadas ações preventivas de forma a minimizar a probabilidade de que as exposições de ruído causem prejuízos a audição do trabalhador e evitar que o limite de exposição seja ultrapassado. Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído Dose diária de Ruído (D) Definição Critério de Referência CR=85 db(a) (Nível médio para qual, a exposição durante 8 h de jornada de trabalho, corresponderá a 100% da dose) 35

Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído As normas internacionais e o Ministério do trabalho adotaram a curva de compensação A (com resposta lenta - slow) para as medições de nível de ruído contínuo e intermitente. A curva A é a que melhor representa a resposta do ouvido humano. As medições devem ser feitas próxima a orelha do trabalhador. Seguir a norma NHO 01 Fundacentro Procedimentos Técnicos, Avaliação da exposição ocupacional ao ruído. Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído Dose diária de Ruído e Nível de exposição. (conf. NHO-01) O potencial de danos à audição de um dado ruído depende do seu nível e de sua duração. A avaliação da exposição ocupacional ao ruído contínuo ou intermitente deve ser feita através da dose diária de ruído (D) ou através do nível médio de exposição diária chamado de nível de exposição (NE). Estes parâmetros podem ser obtidos utilizando-se de um dosímetros de uso pessoal fixados no trabalhador. 36

Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído Dose diária de Ruído (D) Na ausência de dosímetro portáteis de uso pessoal, poderão ser utilizados medidores portados pelo avaliador. Neste caso a dose diária pode ser determinada por meio da seguinte expressão: Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído Exemplo 02. A tabela abaixo mostra a dose de ruído a que está exposto um trabalhador durante uma jornada de trabalho de 8h. Determine a dose diária a que este trabalhador foi exposto. NPS - db(a) Tempo de exposição 82 2 h 45 min 85 3 h 15 min 90 1 h 96 45 min h 100 15 min Menor que 85 db(a) desconsiderar 37

Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído Exemplo 02. A tabela abaixo mostra a dose de ruído a que está exposto um trabalhador durante uma jornada de trabalho de 8h. Determine a dose diária a que este trabalhador foi exposto. NPS - db(a) Tempo de exposição 82 2 h 45 min 85 3 h 15 min 90 1 h 96 45 min h 100 15 min Este trabalhador excedeu em 33,8% sua dose diária permissível de ruído Menor que 85 db(a) desconsiderar D C T C T C T C T D=, + +,, +, D=1,338 Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído Exemplo 03. Para o exemplo 2, determine o nível de exposição (NE) a que o trabalhador está submetido. NPS - db(a) Tempo de exposição 82 2 h 45 min 85 3 h 15 min 90 1 h 96 45 min h 100 15 min NE=10 log 480 T D 100 +85 38

Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído Exemplo 03. Para o exemplo 2, determine o nível de exposição (NE) a que o trabalhador está submetido. NPS - db(a) Tempo de exposição 82 2 h 45 min 85 3 h 15 min 90 1 h 96 45 min h 100 15 min NE=10 log 480 T D 100 +85 NE=10 log 480 315 133,8 100 +85 NE=88,07 db(a) O nível de ruído que o trabalhador foi exposto equivale a 88,2 db(a) durante 8 horas exposição. Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído Ruído de Impacto (ou impulsivo) A medição do ruído de impacto deve ser feita com o medidor de NPS operando em LINEAR, aquisição FAST e circuito de resposta para NPSPICO. Nesse critério, o limite de exposição diária ao ruído de impacto NP = NPICO é determinado pela expressão: NP=160 10 log (n) Quando o número de impactos (n) ou impulsos diários exceder 10000, o ruído será considerado contínuo e intermitente. Conforme a NR-15, se o limite de exposição ao ruído de impacto de PICO é de 140 db(linear). 39

Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído Exemplo 04. Um colaborador trabalha no setor de estamparia onde uma prensa hidráulica fornece n=5.000 golpes por dia. Determine O nível máximo admissível do ruído de impacto (NP NPICO). Conclusão Para este caso o nível de ruído máximo de PICO que o operador pode estar exposto é de 123 db Critérios de Avaliação Exposição ocupacional ao ruído 40

Referências Bibliográficas E. Brevigliero, J. Possebon, R. Spinelli, Higiene Ocupacional Agentes Biológicos, Químicos e Físicos, 2º ed., SENAC editora, (2006). Bistafa, S. R., Acústica aplicada ao controle do ruído, Ed Edgard Blucher, 1ª edição, (2006). Beraneck, L. L., Vér, I. L., Noise and Vibration Control Engeneering Principles and Aplications, John Willey &Sons, 2º ed., (2006) R. F. Barron, Industrial Noise Control and Acoustics, 1ª ed., editora Marcell Decker, (2003) Measuring Sound Brüel&Kjaer (1984). Enviromental Noise Brüel&Kjaer (2000). S. N. Y. Gerges, Ruído Fundamentos e Controle, 2ª ed, NR editora, (2000). Basic Concepts of Sound, Brüel&Kjaer (1998) Basic Frequency Analysis of Sound, Brüel&Kjaer (1998) Referências Bibliográficas Fernandes, J. C., Curso de Acústica e Ruídos, UNESP, (2009) www.mundofisico.joinville.udesc.br, acesso em 06/02/2011. www.igans.com.br, acesso em 05/05/2011. NR15 Atividades e operações insalubres, Anexos 1 e 2. NHO01 Norma da exposição ocupacional ao ruído. 41