paper ID: 1307 /p.1 Análise da eficiência acústica de diferentes materiais em enclausuramentos de grupos geradores S. S. Goés a, M. F. O. Nunes b, A. M. C. Grisa c, B. F. Tutikian d a AGRALE S.A, BR 116 - Km 145-15.104, 95059-520 Caxias do Sul RS, Brasil. b Laboratório de Tecnologia Construtiva, Universidade de Caxias do Sul, Av Frederico Segala 3099, 95010-550, Caxias do Sul RS, Brasi, mfonunes@ucs.br c Laboratório de Pesquisa em Química de Materiais, Universidade de Caxias do Sul RS, Brasil d Instituto Tecnológico itt Performance, Unisinos, Av. Unisinos 950, 93022-000, São Leopoldo RS, Brasil RESUMO: Os grupos geradores são máquinas que emitem elevado nível de ruído. Portanto, se faz necessária a busca por soluções que minimizem o ruído emitido pela máquina e uma das alternativas é o uso de sistemas de enclausuramento. Este trabalho visa verificar a eficiência acústica de diferentes materiais para o tratamento acústico da carenagem de grupos geradores. Os materiais testados foram espuma flexível de poliuretano, manta de fibras de polipropileno, lã de vidro e painéis perfurados de aço. Estes materiais foram avaliados com a superfície exposta e recobertos por painéis perfurados, na forma revestimentos internos da carenagem. O método incluiu a obtenção dos coeficientes de absorção acústica dos materiais em câmara reverberante e medições de ruído gerado pela máquina com oito diferentes sistemas de enclausuramento. Ao final deste trabalho, verifica-se que a lã de vidro e a manta de fibras de polipropileno são mais adequadas para o equipamento analisado. KEYWORDS: Controle de ruído, enclausuramento acústico de máquinas, absorção sonora.
paper ID: 1307 /p.2 1. INTRODUÇÃO Os grupos geradores são muito utilizados com objetivo de evitar a interrupção no fornecimento da energia elétrica em locais como plantas industriais, construção civil, prédios residenciais, hospitais, etc. A instalação destas máquinas varia de acordo com sua aplicação e deve atender algumas normas regulamentares quanto ao nível máximo de ruído, por se tratarem de máquinas com elevadas emissões sonoras as quais podem chegar a 110 db(a) ou mais [1]. Podem-se citar como principais fontes de ruído de um grupo gerador o motor diesel, o ventilador do sistema de arrefecimento e o sistema de escape. Diante desta informação é de extrema importância o controle de ruído destas máquinas pelo ruído excessivo emitido. Na aplicação de grupos geradores o método mais utilizado é o controle de ruído na trajetória, uma das alternativas é técnica de enclausuramento da máquina a qual funciona como uma barreira acústica [2]. O controle de ruído ideal seria direto na fonte eliminando as causas de ruído na origem, porém na fase de projeto de máquinas nem sempre é possível mensurar o nível de ruído que será emitido. Na maioria dos projetos o ruído irá aparecer depois que a máquina está montada e nestas situações as vezes torna-se inviável a substituição da principal fonte de ruído [3]. Neste caso, quando existe a impossibilidade de alterar a fonte geradora de ruído, a emissão sonora pode ser controlada alterando-se a trajetória da transmissão acústica entre a máquina e o receptor. Esse é o princípio de controle de ruído dos sistemas de enclausuramentos [4]. A fonte geradora de ruído é instalada no interior do sistema de enclausuramento ou caixa acústica. Quando enclausuradas, as máquinas devem manter seu fluxo de calor, já que as fontes que originam o ruído também geram calor [2]. O fluxo de calor adequado é importante para que a temperatura no interior da clausura não seja elevada, pois ela pode vir a danificar alguns componentes da máquina [1]. Para máquinas que geram calor durante se funcionamento, como grupos geradores, o sistema de enclausuramento deve possuir aberturas para a entrada do ar, que tem por finalidade refrigerar a máquina e também aberturas para a saída do ar quente do sistema de arrefecimento (radiador) [2]. O principal fator afetado em enclausuramentos de grupos geradores é o índice de refrigeração (ATB), que é definido como a temperatura ambiente com que o motor sofrerá superaquecimento, geralmente quando a máquina trabalhar em potência máxima segundo norma SAE - Society of Automotive Engineers - J819 estabelecida pela. A utilização do sistema de enclausuramento torna-se insuficiente quando utilizada isoladamente, pois o uso do sistema de enclausuramento torna-se limitado pelas reflexões das ondas sonoras ao incidir a parede da clausura, tornando-se necessário a utilização de materiais com características de absorção [5]. Este trabalho visa verificar a eficiência acústica de diferentes materiais para o tratamento acústico da carenagem de grupos geradores. Os materiais testados foram espuma flexível de poliuretano, manta de fibras de polipropileno, lã de vidro e painéis perfurados de aço.
paper ID: 1307 /p.3 2. MÉTODO 2.1 Determinação dos coeficientes de absorção Os coeficientes de absorção foram determinados em câmara reverberante seguindo os procedimentos da norma ISO 354:2003. A câmara possui dimensões de 8,44 m x 7,02 m x 3,5 m resultando em um volume de 207 m 3. Os ensaios foram realizados na câmara reverberante da Universidade do Vale do Rio dos Sinos em São Leopoldo. Os equipamentos utilizados foram o analisador sonoro marca Bruel&Kjaer 2270, fonte sonora dodecaédrica marca Bruel&Kjaer Ommi Power 4296, amplificador de potência Bruel&Kjaer 2716 e calibrador acústico Quest QC-20. As medições foram realizadas em bandas de 1/3 de oitava nas frequências centrais entre 100 Hz e 5.000Hz. Foram utilizadas amostras de 10,42 m 2 para a lã de vidro e espuma de poliuretano (PU) em forma de placas com dimensões 1220 mm x 610 x 50 mm e 10,23 m 2 para a manta de polipropileno (PP) também em forma de placas com dimensões de 1220 mm x 600 x 50 mm. Os painéis perfurados utilizados com dimensões 1265 mm x 1265 mm x 0,9 mm, diâmetro do furo de 8 mm espaçados entre centros horizontalmente e verticalmente por 37 mm. A perfuração do painel foi obtida a partir da Equação 1, tomando a frequência de 500 Hz como sendo a frequência principal a ser absorvida. Esta frequência está presente no espectro sonora da máquina envolvida neste estudo e foi medida no enclausuramento da máquina sem revestimento. Sendo: F r = frequência de ressonância (Hz); c = velocidade do som no ar (m.s -1 ); P = porcentagem de área aberta do painel; L = profundidade da caixa formada pelo painel (m); e = espessura do painel (m); d = diâmetro do furo (m); q = espaçamento entre furos (m). Foram fabricados painéis 6 painéis de 1,265 m x 1,265 m e 2 painéis de 0,635 m x 1,265 m cada um com 3,6% de perfuração. A Figura 12 ilustra o projeto dos painéis (a) 1,265 m x 1,265 m e (b) 0,635 m x 1,265 m utilizados no ensaio em câmara reverberante. As medições do tempo de reverberação (TR) foram realizadas em sete diferentes configurações (Tabela 1). Tabela 1: Configurações medições tempo reverberação Configuração Descrição da Configuração da câmara TR1 Vazia TR2 Com lã de vidro TR3 Com manta de PP TR4 Com espuma de PU TR5 Com lã de vidro e recobrimento com painel perfurado TR6 Com manta de PP e recobrimento com painel perfurado TR7 Com espuma de PU e recobrimento com painel perfurado (1)
paper ID: 1307 /p.4 A Figura 1 ilustra as configurações utilizadas no ensaio para obtenção dos coeficientes de absorção: lã de vidro com superfície exposta, lã de vidro com painel perfurado, manta de PP com superfície exposta, manta de PP com painel perfurado, espuma de PU com superfície exposta e espuma de PU com painel perfurado. Figura 1 - Configurações de materiais utilizadas no ensaio 2.2 Determinação do nível de pressão sonora do grupo gerador Para comparação da capacidade de absorção acústica de cada material foram realizadas medições de ruído de um grupo gerador de energia elétrica sem e com sistema de enclausuramento. As medições do nível de ruído da máquina foram realizadas nas oito diferentes configurações. Para os pontos 1, 2, 3 e 4 os microfones foram posicionados ao centro geométrico de cada superfície a uma distância (d) de 1 m no sentido horizontal. Para os pontos 5, 6, 7 e 8 o microfone foi posicionado a 1m de distância das laterais correspondente a cada ponto, 1 m de distância da face frontal (pontos 5 e 6), 1m de distância da face traseira (pontos 7 e 8) e a altura do microfone para cada ponto deve se 1m acima da altura total da fonte. O ponto 9 é medido no centro geométrico da face superior da fonte, a 1m acima da altura total da fonte. O nível de pressão sonora foi medido à distância de 3,5 m a partir do centro geométrico da fonte de ruído, em quatro posições perpendiculares à fonte (1 posição em cada sentido) conforme procedimento interno Agrale (1994). A Figura 3 ilustra (a) o centro geométrico da fonte e as direções para o posicionamento do microfone, (b) o grupo gerador identificando os pontos para as medições ponto A (face ao lado da bomba injetora), ponto B (face lado do radiador), ponto C (face ao lado do coletor de escape do motor) e D (face lado do gerador).
paper ID: 1307 /p.5 (a) (b) Fonte: Agrale (1994) Figura 2: Pontos para medição do nível de pressão sonora à 3,5 m A primeira medição a ser realizada consistiu em obter-se o nível de ruído gerado pela máquina sem o sistema de enclausuramento. Depois de medido o ruído do grupo gerador adicionou-se o sistema de enclausuramento (sem os materiais de revestimento) este sistema consiste em chapas de aço 1020 com espessura de 1,2 mm. O sistema de enclausuramento utilizado possui dimensões externas de 2,201 m x 1,335 x 0,838 m, é constituído por um volume interno de (2 m 3 ). As chapas de aço são montadas no entorno da fonte sobre uma base já utilizada para a montagem da máquina, as chapas de aço são fixadas na base e entre si por elementos de fixação (arruelas, parafusos e porcas). A Figura 4 ilustra (a) o grupo gerador sem o enclausuramento (b) vista explodida em CAD 3D dos componentes que compõem o enclausuramento e (c) grupo gerador no interior do sistema de enclausuramento. (a) (b) (c) Figura 3 - Grupo Gerador e sistema de enclausuramento Em seguida foram realizadas as medições com cada material, os materiais foram recortados em forma de placas de acordo com as dimensões internas do sistema de enclausuramento, as placas foram fixadas nas paredes internas da caixa e posicionadas por travamento mecânico utilizando buchas e cintas planas de aço. Este sistema foi utilizado para possibilitar a troca dos materiais e posteriormente a montagem dos painéis perfurados. 3. RESULTADOS
paper ID: 1307 /p.6 Os valores máximos de absorção ocorrem entre 800 e 1000 Hz para os materiais com a superfície exposta. Com a inserção dos painéis perfurados os valores máximos de absorção ocorrem entre 400 Hz e 500 Hz. Na Figura 5 observa-se que os materiais fibrosos apresentaram capacidade de absorção superior ao material poroso em todas as frequências. Quando comparados os materiais fibrosos, a lã de vidro apresenta capacidade de absorção superior a manta de PP até 500 Hz, a partir desta frequência sua capacidade de absorção é similar à da manta de PP. Este efeito pode estar relacionado a porosidade encontrada, onde a lã de vidro é 6,64% mais porosa que a manta de PP, e devido ao comprimento de onda ser maior nas baixas frequências este fator pode ter ocasionado menor dissipação de energia acústica por causar resistência ao fluxo de ar. A partir de 1000 Hz verifica-se uma redução do coeficiente de absorção acústica para os materiais com a superfície exposta. Com a inserção dos painéis perfurados observa-se um aumento da capacidade de absorção dos três materiais até a frequência de 500 Hz, para a manta de PP e para espuma de PU o aumento do coeficiente de absorção é ainda maior. Este comportamento pode ser resultado da não uniformidade na espessura do material, deixando entre a superfície do material e a superfície inferior do painel um espaço vazio, possibilitando também o movimento das moléculas de ar e resultando em maior dissipação de energia acústica do sistema. Figura 4: Gráfico coeficiente de absorção para todas as configurações As Figuras 6, 7 e 8 ilustram os gráficos do nível de pressão sonora medidos para os 4 pontos em função das frequências. De modo geral, nas frequências acima de 1600 Hz ocorre um aumento do nível de pressão sonora gerado pela máquina com a inserção dos painéis perfurados no ponto D, referente ao lado do gerador, em todas as configurações de enclausuramento.
paper ID: 1307 /p.7 Figura 5 - Nível de pressão sonora em função da frequência manta de PP Figura 6 - Nível de pressão sonora em função da frequência da lã de vidro
paper ID: 1307 /p.8 Figura 7 - Nível de pressão sonora em função da frequência espuma de PU Na Tabela 2 estão listados os valores do nível de pressão sonora para os pontos A, B, C e D para espuma de PU, lã de vidro e manta de PP com a superfície exposta e com a superfície recoberta pelos painéis perfurados. Para a espuma de PU nos pontos A, B e D observou-se um aumento de 0,3, 0,8 e 1,6 db respectivamente para o material com painel perfurado, este aumento pode estar relacionado com o aumento nível de pressão sonora a partir de 1000Hz. Tabela 2 - Nível de Pressão Sonora pontos A, B, C e D Configuração Ponto A Ponto B Ponto C Ponto D (db) (db) (db) (db) Espuma PU/Superfície Exposta 75,9 78,1 77,6 74,7 Espuma PU /Painel Perfurado 76,2 78,9 77,3 76,3 Manta de PP/Superfície Exposta 75,5 77,6 76,2 74,6 Manta de PP/Painel Perfurado 75,5 78,2 75,2 75,4 Lã de Vidro/Superfície Exposta 75,4 77,1 75,5 73,1 Lã de Vidro/Painel Perfurado 75,1 76,9 76,5 74,6 Para a lã de vidro nos pontos C e D observou-se um aumento de 1,0 e 1,5 db respectivamente para o material com painel perfurado, este fator pode estar relacionado com o aumento da pressão sonora desde 800 Hz para estes dois pontos. Em A e B há uma redução de 0,3 e 0,2 db.
paper ID: 1307 /p.9 No caso da manta de PP observou-se um aumento de 0,6 e 0,8 db para os pontos B e C respectivamente, para o material com painel perfurado e uma redução de 1dB para o ponto C, esta redução pode estar relacionada por este ponto apresentar uma ampla faixa de redução sonora com a inserção dos painéis. Quando comparados os materiais com a superfície exposta a lã de vidro apresenta capacidade de absorção superior a manta de PP e a espuma de PU apresentando reduções do nível de pressão sonora no ponto A de 0,1 e 0,5 db, no ponto B 0,5 e 1,0 db, no ponto C 0,7 e 2,1 db e no ponto D 1,5 e 1,6 db respectivamente. 3. CONCLUSÕES Nos ensaios de caracterização acústica a lã de vidro com a superfície exposta e com os painéis perfurados apresentou melhores resultados de coeficiente de absorção sonora no ensaio em câmara reverberante para 400 e 500 Hz, sendo estas as frequências de interesse no estudo. Nos ensaios de medição dos níveis de pressão sonora do sistema de enclausuramento as diferenças entre os tipos de revestimento não foram significativas e a utilização dos painéis perfurados não foi eficiente com a espuma de PU. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Bastos LP. Controle de ruído em instalações de grupos geradores. Universidade Federal do Paraná, 2007. [2] Ju H-D, Lee S-B, Jeong W-B, Lee B-H. Design of an acoustic enclosure with duct silencers for the heavy duty diesel engine generator set. Appl Acoust 2004;65:441 55. [3] Bistafa SR. Acústica aplicada ao controle do ruído. São Paulo: Edgard Blücher; 2006. [4] Tandon N, Nakra BC, Ubhe DR, Killa NK. Noise control of engine driven portable generator set. Appl Acoust 1998;55:307 28. [5] Lai JCS, Speakman C, Williamson HM. Control of shear cutting noise-ectiveness of enclosures. Appl Acoust 1999;58:69 84.