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FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA
EDUARDA TOBOLSKI
MILENA MÜLLER LOTTICI
ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DA TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA SONORA
EM ENERGIA ELÉTRICA PARA DIFERENTES CAPTADORES SONOROS
(ELETROSOM)
Orientador: Ramon Fernando Hans
Novo Hamburgo 2016
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EDUARDA TOBOLSKI
MILENA MÜLLER LOTTICI
ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DA TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA SONORA
EM ENERGIA ELÉTRICA PARA DIFERENTES CAPTADORES SONOROS
(ELETROSOM)
Relatório do projeto Análise da Eficiência da Transformação de Energia Sonora em Energia Elétrica para Diferentes Captadores Sonoros – Curso Técnico de Mecânica da Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha, turma 3311, como requisito para aprovação em Feira de Ciências. Orientador: Ramon Fernando Hans.
Novo Hamburgo, setembro de 2016.
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FOLHA DE ASSINATURAS
EDUARDA TOBOLSKI
MILENA MÜLLER LOTTICI
ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DA TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA SONORA
EM ENERGIA ELÉTRICA PARA DIFERENTES CAPTADORES SONOROS
(ELETROSOM)
FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA
CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA
Novo Hamburgo, setembro de 2016.
___________________________
Eduarda Tobolski
___________________________
Milena Müller Lottici
___________________________
Ramon Fernando Hans
Professor orientador
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AGRADECIMENTOS
Agradecemos, primeiramente, ao nosso professor orientador Ramon
Fernando Hans por instruir o grupo ao rumo correto do trabalho, por todo o
carinho e também pelos ensinamentos que foram passados a respeito do
projeto de pesquisa.
Agradecemos também aos nossos pais pelo incentivo, pelo tempo e
disponibilidade para nos fornecer qualquer ajuda, além de todo apoio em todos
os sentidos.
Agradecemos de forma especial, a empresa Alki Metalúrgica Ltda. pelo
fornecimento e patrocínio da caixa utilizada nos testes realizados no trabalho.
Agradecemos, ainda, a banca da pré-apresentação do PID, pois os
pareceres dos professores proporcionaram críticas construtivas que guiaram o
crescimento e o melhor desenvolvimento do projeto.
Agradecemos a professora de língua portuguesa do Curso Técnico de
Eletrônica, Rogéria Silveira, que nos auxiliou na confecção e correção do
relatório final.
Agradecemos o Curso Técnico de Eletrônica pelo fornecimento de
materiais para serem feitos os testes e chegar a maiores conclusões do
projeto.
Agradecemos, por fim, a Fundação Liberato, por ser a escola em que
estudamos e por nos equipar com o suficiente para a realização dos testes
necessários, como o empréstimo do laboratório de Física.
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RESUMO
Em meio a constante necessidade de descoberta de novas fontes renováveis e
limpas de energia, por uso excessivo e irresponsável das fontes não
renováveis, que são as mais utilizadas, o objetivo do projeto consiste em
analisar a possibilidade de uma nova produção de energia para ser utilizada
em determinadas aplicações, fazendo uso de uma fonte que pode estar sendo
desperdiçada, que são as ondas sonoras. Através de ensaios para determinar
o melhor instrumento de captação que gerasse maior corrente elétrica a partir
de um emissor contínuo de fonte sonora, pôde ser feita a escolha do que
melhor se encaixa nos propósitos apresentados pelo projeto e do que melhor
se adapta a um ambiente cotidiano ou específico no qual seria implantado. Os
ensaios foram feitos em dez diferentes alto-falantes, englobando três
categorias distintas (tweeters, woofers e triaxiais), em quatro microfones
dinâmicos e em dois cristais piezelétricos. Com a fonte emissora de ondas
constantes, os resultados foram obtidos a partir de três frequências diferentes,
275Hz, 550Hz e 4800Hz, dentro a faixa de 95dB a 110dB. Todos os testes
foram feitos dentro de uma caixa fechada, tendo as medidas externas de 70
centímetros de comprimento, 50 centímetros de largura e trinta centímetros de
altura, com tratamento acústico feito de madeira, poliestireno (nome comercial:
isopor) e caixas de ovos. O melhor resultado foi apresentado pelo alto-falante
woofer 1, gerando 0,41 mA com 275Hz de frequência, 0,3 mA com 550Hz de
frequência e 0 mA com 4800Hz de frequência, enquanto cinco tweeters, todos
os microfones e cristais piezelétricos não apresentaram valores para nenhuma
das frequências.
Palavras-chave: ondas sonoras, alto-falantes, microfones, cristais
piezelétricos, transformação de energia.
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Sumário
1 INTRODUÇÃO ....................................................................... 7
2 REFERENCIAL TEÓRICO ............................................................ 9
2.1 Ondas Sonoras ..................................................................... 9
2.1.1 Velocidade do Som ............................................................. 9
2.1.2 Propagação do Som .......................................................... 10
2.1.3 Ruídos em Ambientes ....................................................... 11
2.1.4 Decibéis .......................................................................... 11
2.2 Alto Falantes ...................................................................... 12
2.2.1 Funcionamento ................................................................ 12
2.2.2 Eficiência......................................................................... 13
2.3 Microfones ......................................................................... 14
2.3.1 Funcionamento ................................................................ 15
2.3.2 Tipos de Microfones .......................................................... 15
2.4 Cristais Piezelétricos ............................................................ 17
2.4.1 Funcionamento ................................................................ 17
2.4.2 Eficiência......................................................................... 18
2.5 Técnicas de Medição ............................................................ 18
2.5.1 Multímetro ...................................................................... 19
2.5.2 Decibelímetro .................................................................. 19
2.5.3 Gerador de Fonte Sonora Contínua ..................................... 20
2.5.4 Termômetro Para Medição da Temperatura Ambiente ........... 21
3 METODOLOGIA ...................................................................... 22
3.1 Critério de avaliação dos materiais a serem testados ............... 22
3.2 Coleta dos materiais ............................................................ 23
3.3 A caixa de ensaios .............................................................. 23
3.3.2 Isolamento Acústico ......................................................... 24
3.4 Ensaio ............................................................................... 25
4 RESULTADOS ........................................................................ 27
4.1 Medições dos resultados ...................................................... 27
4.1.1 Alto Falantes ................................................................... 27
4.1.2 Microfones ....................................................................... 35
4.1.3 Cristais Piezelétricos ......................................................... 36
5 CONCLUSÕES ........................................................................ 37
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1. INTRODUÇÃO
O Projeto de Integração Disciplinar (PID), aplicado para alunos do
terceiro e quarto ano do Curso Técnico de Mecânica, da Fundação Escola
Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha, tem como objetivo fazer com que os
alunos desenvolvam projetos de pesquisa durante o ano letivo para a possível
participação em feiras científicas internas e externas. O projeto baseia-se em
pesquisas bibliográficas junto de uma pesquisa experimental e serão buscadas
informações em dados qualitativos em busca dos resultados.
Neste projeto é tratada a indiscutível necessidade de descoberta e
utilização de fontes alternativas e renováveis de energia elétrica. A população
mundial esgota todas as formas naturais de obtenção de energia, causando,
assim, um dano irreversível ao ecossistema e a organização natural do globo
terrestre. Então, essa pesquisa tem como tema a captação de uma forma de
energia limpa e sustentável.
No Brasil, a maior fonte de energia elétrica vem das usinas hidrelétricas,
correspondentes a quase 70% da capacidade instalada no país. E isso causa a
perda de inúmeras espécies de animais e plantas, eliminando patrimônios
culturais, históricos e arqueológicos pertencentes à região inundada. Enquanto
a capacidade instalada de energia eólica, que é uma forma limpa e sustentável
de gerar eletricidade, não chega a 2% nas terras brasileiras.
A proposta aqui apresentada é da análise da quantidade de energia
gerada por ondas sonoras em diferentes captadores sonoros, pois, até mesmo
em ambientes silenciosos é possível a medição de ruídos. Porém a quantidade
gerada de energia delimita o seu uso a finalidades que não necessitem de
muita capacidade elétrica.
Considerando pesquisas teóricas para viabilizar a melhor forma para
desenvolver uma fonte de energia elétrica utilizando ondas sonoras, foram
delimitados os instrumentos que são utilizados para analisar a quantidade de
energia gerada, sendo eles: alto-falantes, microfones e cristais piezelétricos.
Os materiais foram analisados e a quantidade de ondas sonoras captadas para
transformação de energia sonora foi verificada.
No referencial teórico, são apresentadas as pesquisas relevantes
relacionadas ao assunto tratado no projeto, a fim de criar uma base para
o desenvolvimento da formação da ideia do trabalho. Na
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metodologia, são explicados todos os passos realizados para a obtenção dos
resultados, trazendo detalhadamente todos os processos, os equipamentos
e as atividades práticas e teóricas feitas pelas pesquisadoras. Por fim, nos
resultados estão expostos os dados obtidos através dos testes realizados.
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2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Ondas Sonoras
Para um fenômeno ser caracterizado como onda ele deve causar uma
perturbação periódica no espaço e no tempo, carregando energia e informação.
As ondas sonoras são as frequências de vibração, que causam uma
deformação elástica no meio em que está sendo aplicado, que são audíveis
pelo sistema auditivo humano. A faixa de captação natural e saudável do
ouvido está entre 20Hz e 20.000Hz. As frequências abaixo dessa faixa são
denominadas como infrassom, e as que se mantêm acima desse número são
denominadas de ultrassom. Tanto os infrassons quanto os ultrassons são
imperceptíveis ao ouvido humano.
O som tem três características qualitativas dadas pelos sentidos quando
o ouvimos, são elas: a altura, sempre relacionada a frequência, que é o que
caracteriza o quão alto será o som, tendo em vista de que quanto mais agudo o
som for, mais alto ele será, e quanto mais grave, mais baixo; a intensidade, que
depende da quantidade de energia transportada e da amplitude da onda, sendo
que quanto mais ampla e mais energia ela transporta, mais forte será o som, e
assim, quanto menor a amplitude e energia transportada, menor será a força. A
intensidade podendo, também, ser subclassificada em física e fisiológica; e o
timbre, que é a característica que faz com que o ouvido saiba diferenciar sons
que tenham altura e intensidade iguais, mas que esteja sendo produzido por
fontes ou instrumentos diferentes.
2.1.1 Velocidade do Som
A velocidade das ondas sonoras depende de um fator muito importante,
que é o meio pelo qual ela está se propagando, e quanto mais rígido esse meio
for, maior será a velocidade de propagação. Em meios sólidos a velocidade da
onda é alta, em meios líquidos ela é intermediária e em meios gasosos ela é
baixa em comparação com as anteriores.
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A velocidade da onda pode ser determinada pela equação que depende
de características específicas do meio pelo qual ela se propaga. No exemplo
abaixo, a equação é usada para determinar a velocidade da onda em fluídos,
onde B é a grandeza denominada elasticidade volumar e ρ é a densidade do
fluído:
𝑣 = √𝐵 𝜌⁄
Alguns exemplos estão listados na tabela abaixo:
Tabela 1 - Velocidade do som em certos meios.
Fonte: JÚNIOR, 2010.
2.1.2 Propagação do Som
Sendo uma onda mecânica, a onda sonora precisa de um meio material
para haver a propagação, podendo ser um meio sólido, líquido ou gasoso. O
som pode ser definido como uma sequência de ondas sonoras, que juntas
perturbam o meio propagado. Esse meio sofre constantes compressões e
expansões em suas moléculas, sempre em relação à fonte sonora.
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A onda sonora tem seu comprimento, que é a distância em que um ciclo
de onda se repete, e tem o período, que é o intervalo mínimo de tempo que
esse ciclo acontece em um certo ponto no espaço.
2.1.3 Ruídos em Ambientes
O ruído nada mais é do que ondas sonoras não harmônicas, com muitas
amplitudes e frequências distintas no mesmo ambiente, sendo caracterizado
por causar desconforto e perturbação para quem o ouve. Porém, ele não tem
uma determinação padrão, pois isso, depende de cada indivíduo, variando
muito por questões como: saúde, cultura, humor, entre outros.
Ruídos podem ser medidos até mesmo nos ambientes mais silenciosos,
pois tudo o produz, então, na vida cotidiana, há muitos ruídos, como exemplo
de alguns deles, estão:
Tabela 2 – Ruídos em diferentes situações.
Motor de avião na decolagem 140dB
Estádios 80dB a 130dB
Trânsito da cidade 90dB
Sirene de polícia 90dB
Aspirador de pó 80dB
Conversa em voz tom de voz normal 60dB
Zona residencial 50dB
Sala silenciosa 40dB
Sussurro suave 30dB
Fonte: Os autores, 2016.
2.1.4 Decibéis
A unidade utilizada para quantificar o som é o Bel (B), porém essa
unidade tem um valor muito elevado para ser utilizada nos sons cotidianos,
então, seu múltiplo utilizado em cálculos e definições é o decibel (dB), sendo
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dez vezes menor do que o Bel. A escala decibel é uma escala logarítmica,
então, quando a pressão sonora duplica, por exemplo, há um aumento de 6dB.
2.2 Alto Falantes
Segundo o Edison Tech Center, 2015, o alto-falante tipo dinâmico
padrão, amplamente utilizado na atualidade, foi construído pela primeira vez
em 1920, e, com sua evolução, consiste em um dispositivo transdutor que
converte um sinal elétrico em ondas sonoras.
O primeiro alto-falante eletrônico foi desenvolvido por Johann Philipp
Reis, um professor em Friedrichsdorf, em 1861 na Alemanha. O aparelho era
capaz de produzir ruídos e consistia apenas de um experimento. Em 1876,
Alexander Graham Bell tentou construir um alto-falante baseado no princípio de
Reis. Entretanto, nesta época, a base de conhecimento na física e engenharia
não era suficiente para que este cientista ou qualquer outro contemporâneo
desenvolvesse um alto-falante eletrodinâmico. A necessidade de telegrafar
sinais por longas distâncias e amplificar o sinal posteriormente ajudou no
desenvolvimento dos amplificadores, que mais tarde tornam-se componentes
importantes dos sistemas de áudio. A ideia de um alto-falante movido a uma
bobina eletromagnética foi formulada por Werner Von Siemens em 1877.
Entretanto, devido à tecnologia disponível na época, ele não encontrou
maneiras de amplificar o som para criar um alto-falante funcional. Finalmente
em 1921 C. W. Rice de General Eletric (GE) e, E. W. Kellogg da AT&T
trabalharam juntos em Schenectady, Nova York, para desenvolver o alto-
falante moderno e o primeiro sistema elétrico de amplificação.
2.2.1 Funcionamento
O principal componente do alto falante é o imã permanente localizado na
armação do alto-falante e a bobina móvel que está fixa no cone de papel. O
funcionamento inicia com a bobina móvel que é imersa no campo magnético do
imã permanente e, à medida que se aplica uma corrente alternada em seus
terminais, é gerada uma densidade de fluxo magnético pela bobina criando
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uma reação de atração ou repulsão - consequentemente gerando o movimento
do diafragma, que está livre para movimento. Essa movimentação
diafragmática cria uma perturbação ritmada no ar, conhecida como onda
sonora.
Na imagem abaixo, pode-se observar o funcionamento de um alto
falante:
Imagem 1 - Funcionamento do alto-falante.
Fonte: Mestresan, 2010.
2.2.2 Eficiência
A maior parte da energia elétrica de excitação do alto falante não é
transformada em energia acústica. A eficiência de conversão de energia é
muito baixa, aproximadamente de 1 a 5% para sistemas de radiação direta, e
de 10 a 40% para sistemas tipo corneta. Para se obter altos níveis de pressão
sonora em sistemas de radiação direta, deve-se aplicar altos níveis de potência
elétrica, visto que cerca de 90 a 95% dessa potência é transformada em calor
na bobina móvel do alto-falante, esse superaquecimento é uma das principais
causas de danos e falhas nos alto-falantes.
A eficiência do processo de conversão eletro-acústico é dada pelo
cociente entre a potência acústica obtida e a potência elétrica aplicada.
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A eficiência de referência η0 serve para facilitar a comparação entre
diferentes alto-falantes, sendo um valor particular de η, que ocorre em duas
frequências, podendo ser calculada pelos parâmetros T-S.
2.2.3 Tipos de alto falantes
Os alto-falantes são classificados de acordo com a faixa de frequência
sonora que eles podem reproduzir. Esta faixa de frequência é estabelecida de
acordo com as propriedades de cada alto-falante.
Dessa forma, podem ser classificados da seguinte maneira: os
subwoofers que reproduz sons subgraves, numa faixa de frequência entre 20 e
100Hz. Indicados para instrumentos como contrabaixo, surdo de bateria, etc.
Woofers projetado para médias e baixas frequências, em torno de 50 a
3500Hz, é o mais utilizado nos trios elétricos pela sua resposta de frequência
estendida.
Mid-Bass envolve frequências entre 100 e 500Hz e uma faixa mais
restrita de baixas e médias frequências e o Mid-Range que reproduzem
frequências médias que variam de 500 a 5kHz, possuem maior fidelidade a
faixa de frequência da voz humana, por isso, são os mais utilizados nos
falantes de voz.
Tweeters são os responsáveis pela reprodução de sons agudos, isto é,
altas frequências. Estão sempre dispostos em forma de corneta. E, por fim, os
modelos Triaxiais que contêm um woofer, um mid-range e um tweeter na
mesma carcaça, por isso podem atuar nestas três faixas de frequência. Esta
abrangente faixa de atuação constitui sua principal importância.
2.3 Microfones
O microfone é um transdutor que converte o som em sinais elétricos.
Eles são usados em muitas aplicações como telefones, gravadores, aparelhos
auditivos, shows e na transmissão de rádio e televisão.
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Os microfones diferem-se através de características como,
sensitividade, características direcionais, largura de banda de frequência, faixa
dinâmica e seus tipos. Além disso, o seu design pode mudar de acordo com o
meio em que as ondas sonoras estão sendo captadas. Por exemplo, para a
transdução de ondas aéreas ou vibrações em sólidos, chamam-se esses
equipamentos de microfones, enquanto que para a sua operação em líquidos é
comum utilizar-se o termo hidrofone.
2.3.1 Funcionamento
Na maioria dos microfones em uso, as ondas sonoras são convertidas
em vibrações mecânicas que pressionam o diafragma fino e flexível que sofrem
pequenos deslocamentos para frente e para trás reproduzindo o movimento
das partículas do ar, e em seguida convertidas em sinal elétrico através de
bobina móvel ou por carga e descarga de um condensador. No caso de
microfones de condensador, esses necessitam de uma tensão de alimentação
contínua, chamada dephantom power, que é de fato uma tensão
de polarização.
Por existir diversos modelos diferentes de microfones, cada um exige
uma peculiaridade em relação seu funcionamento, mas com a mesma função,
alterando pequenas modificações de caminho até chegar aos estímulos
elétricos.
Imagem 2 – Funcionamento do microfone.
Fonte: Desconhecida.
2.3.2 Tipos de Microfones
Existem uma grande variedade de microfones no mercado, com
diferentes tipos, modelos, marcas e funcionalidade. Dessa forma, para
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abranger da melhor forma, foi dividido em dois grades grupos baseados na
característica de captação de ondas, os microfones condensadores e os
microfones dinâmicos.
Microfones Condensadores ou Condenser: são projetados para captar
mais tons e detalhes dos sons de instrumentos e de vozes. Por esse motivo é
um dos tipos de microfone mais utilizados em gravações em estúdio ou até
mesmo ao vivo. Mas de “phantom power” para funcionar. Phantom power é
uma corrente elétrica disponível na maioria das mesas de som que quando
habilitada alimenta o microfone condensador através do próprio cabo de
microfone, permitindo que ele funcione corretamente. Devido à sua extrema
sensibilidade de captação e sem os equipamentos necessários, podem surgir
microfonias indesejáveis.
Microfones Dinâmicos: são construídos com cápsula e diafragma
capazes de suportar alta pressão sonora, como bateria, instrumentos de sopro,
amplificadores e também vocais para uso no palco. Os microfones dinâmicos
são amplamente utilizados no palco em shows ao vivo, pois uma de suas
vantagens é o fato de reduzir o nível de captação de ruídos de manuseio e
sons vindos de outros instrumentos ou caixas de som e retorno presentes no
palco. Devido a essa característica, esse tipo de microfone também reduz a
chance de surgirem microfonias.
Imagem 3 – Modelos de microfones conforme a captação.
Fonte: CALANGO MUSIC, 2012.
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2.4 Cristais Piezelétricos
A piezeletricidade tem origem do termo grego piezein, que significa
pressionar, e da palavra eletricidade que em latim electrum, equivale a âmbar.
Há uma relação entre características mecânicas (pressão, tensão, solicitação
mecânica) e elétricas (da palavra eletricidade) e, de fato, é isso o que
acontece: basicamente, é a transformação de energia de origem mecânica em
elétrica e vice-e-versa. A piezeletricidade é presente em diversos materiais
cristalinos e pode ser dita direta ou inversa.
Os cristais piezelétricos são elementos pequenos e de construção
robusta. Seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão, são
capazes de fornecer sinais de altíssimas frequências de milhões de ciclos por
segundo.
Os cristais piezoeléctricos estão muito presentes na vida cotidiana,
como as impressoras a jato de tinta, os alto-falantes, as guitarras elétricas, as
imagens por ultrassom, etc.
2.4.1 Funcionamento
O efeito piezelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um
potencial elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma
cristalina. Este efeito é altamente estável e exato, por isso é utilizado também
em relógios de precisão.
Quando aplicada uma tensão mecânica no cristal piezelétrico, há o
aparecimento de um potencial elétrico; quando a tensão aplicada for de
natureza elétrica, temos uma deformação física.
O princípio de funcionamento de um sensor piezoeléctrico reside no fato
de que dada dimensão física, pela ação de uma força, é deformada.
Dependendo da concepção de um sensor, "modos" diferentes de polarização
sobre o elemento piezelétrico podem ser usados (eles podem ser comprimidos
transversalmente, longitudinalmente, ou pela ação de cisalhamento).
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A detecção de variações de pressão sob a forma de ondas sonoras é a
aplicação mais comum do sensor. Por exemplo, microfones piezelétricos, onde
ondas sonoras batem no material piezelétrico, criando uma tensão que varia.
Cada transdutor possui uma frequência de ressonância natural, tal que
quanto menor a espessura do cristal que o compõem, maior será a sua
frequência de vibração e melhor será o sinal que este gerará ou será capaz de
emitir. Para várias técnicas de detecção, o sensor pode atuar tanto como um
sensor ou então como captador, sendo então preferencialmente
chamado transdutor.
2.4.2 Eficiência
A carga induzida num material piezo é proporcional a força aplicada.
Onde é uma constante piezelétrica, com unidade Coulomb por Newton.
2.5 Técnicas de Medição
A área da metrologia tem por objetivo monitorar, controla e investigar um
processo, ou fenômeno físico, para estabelecer uma base que transforme
amostras, calibrações e ensaios em informações confiáveis para o processo de
tomada de decisão e qualidade dos produtos. Dessa forma, busca qualificar e
certificar os instrumentos de medição, avaliar as efetivas condições de uso ou
aplicar os resultados obtidos na forma de correção de erros. O processo de
medição é suporte para a ciência, para identificação e solução de problemas,
para controle da produção e para avaliação de produtos e serviços em todas as
áreas da vida humana.
Apesar de ser tão importante, e com o avanço da tecnologia, ela, em
geral, apenas apresenta uma estimativa do real resultado, ou seja, a avaliação
é feita em cima de dados que declaram sua incerteza. Por isso, é exigido que
os instrumentos de medição estejam de acordo com as normas estabelecidas,
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para, então, chegar ao mais próximo possível da exatidão. Para impedir o
máximo de erros, foram utilizados instrumentos devidamente calibrados, em
ambientes apropriados, tomando os cuidados necessários.
2.5.1 Multímetro
É um aparelho destinado a medir e avaliar grandezas elétricas
concernentes a uma corrente elétrica, tais como intensidade, voltagem,
resistência, tensão elétrica, capacitância, frequência de sinais alternados,
temperatura, entre outros. Tem ampla utilização entre os técnicos em eletrônica
e eletrotécnica, pois são os instrumentos mais usados na pesquisa de defeitos
em aparelhos eletroeletrônicos devido a sua simplicidade de uso e,
normalmente, a sua portabilidade.
Imagem 4: Multímetro utilizado nos ensaios.
Fonte: Os autores, 2016.
2.5.2 Decibelímetro
Usualmente chamado de decibelímetro, o medidor de nível de pressão
sonora (MNPS), é um equipamento utilizado para realizar a medição dos níveis
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de pressão sonora, e, intensidade de sons. Esse equipamento é
preferencialmente calibrado para ler o nível de som em decibéis (uma unidade
logarítmica). Atualmente, no mercado brasileiro, existem equipamentos digitais
capazes de realizar medições entre 30dB até 130dB.
Imagem 5: Decibelímetro utilizado nos ensaios.
Fonte: Os autores, 2016.
2.5.3 Gerador de Fonte Sonora Contínua
Para uma melhor medição e padronização dos resultados que seriam
avaliados, foi utilizado um gerador de fonte sonora continua, que possuía
diferentes escalas de frequência, possibilitando mais opções de regulagem.
Esse gerador oferecia quatro escalas diferentes de frequência, a primeira
emitia o que era apresentado no mostrador, a segunda aumentava a frequência
em dez vezes, a terceira aumentava em cem e a quarta em mil, sendo essa
última, não utilizada nos testes, pois alcançava frequências que não eram mais
audíveis ao ouvido humano.
Imagem 6: Gerador de fonte sonora contínua utilizado nos ensaios.
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Fonte: Os autores, 2016.
2.5.4 Termômetro Para Medição da Temperatura Ambiente
No ar, a velocidade de propagação depende de diversos fatores, entre
eles, a temperatura, pressão atmosférica, densidade e da umidade do meio. A
temperatura é um fator extremamente importante, pois quanto mais elevada ela
estiver, maior será a agitação das moléculas do ar, facilitando a propagação do
som. Dessa forma, com um termômetro de mercúrio, foram analisadas as
condições do ambiente.
Imagem 7: Termômetro utilizado nos ensaios.
Fonte: Os autores, 2016.
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A umidade relativa do ar, perante a situação avaliada, tem um efeito
praticamente insignificativo na variação da velocidade do som, o qual pode
levar a um aumento da velocidade de apenas 0,1% a 0,6%, não necessitando
de maiores considerações.
3. METODOLOGIA
Foram feitas diversas pesquisas bibliográficas a respeito do projeto e
sobre os diversos tipos de alto-falantes, microfones e cristais piezelétricos,
para, então, fazer a coleta dos dados quantitativamente e analisá-los para ser
dada a continuidade nos testes realizados.
Dessa forma, foi dividida a execução da obtenção dos resultados em
etapas.
Primeiramente, agrupar os materiais avaliados, conforme os critérios
estabelecidos, segundo sua classificação, coletar aqueles que seriam testados,
desenvolver a caixa isolante para aplicar os testes, e, assim, com tudo
encaminhado, realizar os testes estabelecidos, com os materiais necessários
para obter os resultados. Por fim recolher os dados dispostos e examinar com
prudência as informações.
3.1 Critério de avaliação dos materiais a serem testados
Com grande demanda de equipamentos, foi estabelecido critérios para
avaliá-los e, assim, haver uma padronização. O critério levado em
consideração para a utilização ou não dos mesmos nos testes, utilizando uma
generalidade em respeito ao tipo de material, foi o de observar se ele cumpria o
seu papel principal de funcionamento.
Para os alto-falantes, seria obedecer a função de converter energia
elétrica em energia acústica. Em outras palavras, receber um sinal elétrico que
tem a frequência e a forma de onda de um e o converter em som. E a
finalidade do microfone é converter sons em uma corrente ou tensão cuja
forma de onda, frequência e intensidade correspondam ao som original.
Tanto o microfone, quanto o alto-falante possuem características de
funcionamento muito parecidas, e com critérios estabelecidos não muito
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diferentes. Dessa forma, não houve dificuldades em definir quais seriam os
utilizados.
Por haver grande diversidade de modelos e tipos dos objetos em
questão, o propósito era testar para analisar qual melhor cumpriria o objetivo
proposto pelo projeto. Tudo isso para chegar às melhores conclusões que
foram viáveis dentro do que foi possível executar com a quantidade
arrecadada.
3.2 Coleta dos materiais
Nessa etapa, foram coletados os materiais para serem avaliados. O
fornecimento alguns dos testados, foi por parte do Curso Técnico de Eletrônica
da Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Viera da Cunha, que antes de
aplicados nos testes a serem realizados na prática, foram devidamente
testados para se adequarem aos critérios estabelecidos. O restante dos
equipamentos foi resgatado das residências das alunas pesquisadoras do
projeto e com o auxílio do orientador que disponibilizou mais equipamentos
para serem testados.
No total, foram testados dez alto-falantes, quatro microfones e dois
cristais piezelétricos. Dos microfones, os quatro testados eram do tipo
dinâmicos, não havendo outros modelos em disposição. Dos alto-falantes
coletados, seis se encaixam na categoria de tweeters, três woofers e um
triaxial.
3.3 A caixa de ensaios
Para a realização dos ensaios e para haver uma padronização no
controle dos testes, além de obter resultados que possam ser comparativos, foi
feita uma caixa de madeira com tratamento acústico. Sendo que todos
equipamentos testados e os utilizados para controlar e medir o que era
avaliado ficavam dentro da caixa. A estrutura possui setenta centímetros de
comprimento, cinquenta de largura, trinta de altura e dois de espessura, de
medidas externas. Além de conter dois centímetros e meio de espessura do
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isopor e caixas de ovos de trinta e seis unidades cada, utilizados para o
isolamento acústico, a fim de reduzir a perda de ruídos, evitando a dissipação
de ondas sonoras para haver maior certeza de que os valores recebidos
fossem próximos dos emitidos.
3.3.1 Madeira
A confecção da caixa de madeira foi patrocinada pela empresa Alki
Metalúrgica Ltda., que utilizou material MDF para sua elaboração, de forma que
ficasse fácil o manuseio, pela sua acessibilidade e custo, além de poder
adaptar as necessidades que o projeto exigia.
A propagação das ondas sonoras se dá pela movimentação do ar,
então, essa movimentação pode atravessar até paredes que propagam essa
agitação. Porém, quanto mais denso o material pelo qual as ondas sonoras
tentam ultrapassar, menor será sua intensidade de propagação. Dessa forma,
a madeira dá uma melhor garantia de eficácia e baixo custo no isolamento.
Entretanto, ela não impede a dissipação das ondas sonoras, apenas a
diminui, não efetuando o isolamento, mas sim, um tratamento acústico,
necessitando de mais recursos. E para isso foram utilizados o poliestireno e as
caixas de ovos.
3.3.2 Isolamento Acústico
Com a finalidade de manter o baixo custo do projeto, como revestimento
para isolamento acústico foram utilizados materiais com baixo valor, sendo
também, uma forma de reaproveitamento e reutilização. Além da espessa
placa de madeira, foi utilizado o poliestireno com 2,5 centímetros de espessura
e caixas de ovos feitas de papelão, que têm um formato que ajuda na
diminuição de perda de ondas sonoras quando elas se chocam com a parede
do material.
A combinação das três camadas fez com que a dissipação do som para
fora do interior da caixa diminuísse muito, auxiliando na obtenção de resultados
mais reais no ensaio.
25
3.4 Ensaio
Os testes foram realizados no Laboratório de Física da Fundação
Liberato. Os instrumentos necessários e os materiais a serem testados
estavam conforme o estabelecido anteriormente e normatizado.
Iniciando com a preparação dos testados para se adequarem às
condições do espaço, foi adaptado o decibelímetro nas condições necessárias,
dentro da escala oferecida, que é entre oitenta decibéis e cento e dez decibéis.
Em seguida, foi escolhida uma frequência do gerador de fonte sonora continua,
e essa escolha era feita pela frequência que apresentasse maior nível de
decibéis dentro da caixa isolada de ruídos externa, servindo como base para
utilizar nos ensaios.
Dessa forma, foi estabelecido 275Hz para os sons mais graves, na
primeira escala (x1); 550Hz, com sons intermediários na segunda escala (x10);
e 4800Hz, para os sons mais agudos oferecidos, na terceira escala (x100).
Esses dados foram utilizados para aplicar em cada instrumento a ser
medido, e assim, manter o uma padronização a fim de chegar a resultados
comparativos.
Em vista disso, foi dado início aos testes, que tiveram início com os alto-
falantes, mantendo sua localização no extremo oposto ao gerador de fonte
sonora contínua, que, por fios interligados ao alto-falante emissor no interior da
caixa, estavam conectados com sua fonte e controlador de frequência no
exterior dela. O testado era comunicado com o multímetro para examinar sua
capacidade de transformar ondas sonoras em energia elétrica, que também se
localizava do lado de fora do isolamento acústico. A caixa era fechada
mantendo toda forma de isolamento, e assim, com tudo devidamente
aprontado, era dado início aos testes.
Primeiro, era ligado o gerador de fonte sonora continua até alcançar ou
intermediar o valor previamente estabelecido. Então, ele era regulado, pois
com as falhas existentes no instrumento os valores não são precisos em sua
escala, apenas aproximados, para poder alcançar o maior nível de decibéis
dentro da caixa. Quando o valor era obtido, o multímetro mensurava a
capacidade a ser testada. Tudo devidamente anotado, era feita a troca do valor
da escala do gerador até completar os três testes, um para cada frequência, e
26
quando os testes de determinado instrumento chegavam ao fim, o equipamento
era trocado, e, assim, repetidamente com todos os alto-falantes, microfones e
cristais piezelétricos.
Imagem 8: Ensaio do alto-falante woofer 1.
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 9: Ensaio do microfone dinâmico 2.
Fonte: Os autores, 2016.
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4. RESULTADOS
A partir das medições, foram obtidos resultados positivos e nulos,
aprovando ou reprovando os instrumentos utilizados em cada medição. Nos
tópicos seguintes, estão demonstrados os resultados encontrados a partir da
metodologia aplicada
4.1 Medições dos resultados
4.1.1 Alto Falantes
Imagem 10: Alto-falante triaxial.
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 11: Alto-falante triaxial.
Fonte: Os autores, 2016.
28
Imagem 12: Alto-falante tweeter 1.
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 13: Alto-falante tweeter 1.
Fonte: Os autores, 2016.
29
Imagem 14: Alto-falante tweeter.
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 15: Alto-falante tweeter
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 16: Alto-falante tweeter.
Fonte: Os autores, 2016.
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Imagem 17: Alto-falante tweeter
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 18: Alto-falante tweeter.
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 19: Alto-falante tweeter.
Fonte: Os autores, 2016.
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Imagem 20: Alto-falante woofer 1.
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 21: Alto-falante woofer 1.
Fonte: Os autores, 2016.
32
Imagem 22: Alto-falante woofer 2.
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 23: Alto-falante woofer.
Fonte: Os autores, 2016.
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Imagem 24: Alto-falante woofer 3.
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 25: Alto-falante woofer.
Fonte: Os autores, 2016.
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Imagem 26: Alto-falante tweeter 5.
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 27: Alto-falante tweeter 5.
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 28: Alto-falante tweeter 6
Fonte: Os autores, 2016.
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Imagem 29: Alto-falante tweeter 6.
Fonte: Os autores, 2016.
Tabela 3: Resultados obtidos dos alto-falantes.
dB mA dB mA dB mA
Triaxial 97 0,25 100,5 0,31 94 0
Tweeter 1 98,5 0 97 0 96,5 0
Tweeter 2 97 0,18 99 0,03 96 0
Tweeter 3 97 0 99 0 96 0
Tweeter 4 97,5 0 99,5 0 96,5 0
Woofer 1 98,5 0,41 99,5 0,3 96 0
Woofer 2 96,5 0,31 99 0,2 95 0
Woofer 3 95 0,2 100 0,28 96,5 0
Tweeter 5 98 0 99 0 96,5 0
Tweeter 6 97 0 98,5 0 96,5 0
275Hz 550Hz 4800Hz
Fonte: Os autores, 2016.
4.1.2 Microfones
Imagem 30: Microfones dinâmicos utilizados nos ensaios.
Fonte: Os autores, 2016
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Tabela 4: Resultados obtidos dos microfones.
dB mA dB mA dB mA
Dinâmico 1 96,5 0 99 0 96,5 0
Dinâmico 2 98 0 96,5 0 95,5 0
Dinâmico 3 97,5 0 98,5 0 96,5 0
Dinâmico 4 96,5 0 98,5 0 96,5 0
275Hz 550Hz 4800Hz
Fonte: Os autores, 2016.
4.1.3 Cristais Piezelétricos
Imagem 31: Cristal Piezelétrico 1.
Fonte: Os autores, 2016.
Imagem 32: Cristal Piezelétrico 2.
Fonte: Os autores, 2016.
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Tabela 5: Resultados obtidos dos cristais piezelétricos.
Cristal 1 97,5 0 99 0 96 0
Cristal 2 97 0 98,5 0 96,5 0
275Hz 575Hz 4800Hz
Fonte: Os autores, 2016.
5. CONCLUSÕES
Com os resultados encontrados nos ensaios, conclui-se que o melhor
instrumento para uma futura aplicação é o alto-falante do tipo woofer ou triaxial.
Com eles foram encontrados valores de transformação de ondas sonoras em
energia elétrica entre 0,2 mA e 0,41 mA. E também pode ser observado que
quanto maior a frequência, fazendo com que o som fique mais agudo, menor
eram os resultados, indicando que a aplicação do projeto é mais indicada para
ambientes onde os ruídos são mais graves e com maior intensidade.
Utilizando os valores de corrente obtidos nos testes, é possível calcular
a tensão de saída do alto-falante gerada pela onda sonora. A resistência
padrão de um alto falante é de 8Ω (ohms), então, a voltagem é encontrada
através da fórmula:
𝑉 = 𝑅. 𝐼
Onde V é a voltagem, R é a resistência do alto falante e I é o valor
encontrado nos ensaios, mostrado no multímetro.
Como nos testes só foram encontrados resultados em um grupo
específico de instrumentos, abaixo está representado os valores calculados
dos que forneceram dados:
Tabela 6: Voltagem gerada por cálculos
275Hz 550Hz
Triaxial 1 Volt 1,24 Volt
Woofer 1 1,64 Volt 1,2 Volt
Woofer 2 2,48 Volt 1,6 Volt
Woofer 3 1,6 Volt 2,24 Volt
Tweeter 2 1,44 Volt 0,24 Volt
Fonte: Os autores, 2016.
Para os alto-falantes que não indicavam sua resistência, foi utilizado o
valor padrão de 8 Ω (esses são: woofer 3 e tweeter 2).
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Pode-se observar a diferença de energia gerada comparando suas
frequências. Os maiores valores obtidos foram utilizando os alto-falantes
woofers, específicos para sons mais graves (frequências baixas). Porém,
utilizando a frequência mais alta (4800Hz), nenhum instrumento gerou energia,
assim, como os tweeters em frequências baixas, visto que são alto-falantes
para sons agudos.
Embora tenha gerado pouca energia, pode-se observar as afirmações
acima que os instrumentos de baixa frequência são melhores para a
transformação de ondas sonoras em energia elétrica.
Como as voltagens encontradas foram baixas, poucas aplicações são
possíveis. Uma admissível utilização está na área da estética e tratamentos
terapêuticos.
Segundo Soriano et al (2002), os efeitos das microcorrentes promovem
regenerações das células, aumenta a produção do colágeno e da elastia,
aumenta a circulação sanguínea local o que consequentemente aumenta a
oxigenação celular, clareando a pele, tonificando o tecido e combatendo a
flacidez.
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6. REFERÊNCIAS
SORIANO, M.C.D.; PÉREZ, S.C.; BAKUÉS, M.I.C. Eletroestética Profissional Aplicada: Teoria e prática para a utilização de correntes em estética. Saint Quirze Del Valles: Sorisa, 2002 BEPPU, Fernanda Tiemi et al, CONVERSÃO DE ENERGIA SONORA PARA ENERGIA ELÉTRICA UTILIZANDO ALTO-FALANTES, 2015, trabalho de conclusão de curso - UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ, Curitiba, 2015
FREITAS, R.; MACIEL JUNIOR, V.A., GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA POR ONDAS SONORAS (UMA PROPOSTA DE SUSTENTABILIDADE), FAZU em Revista, Uberaba, n.7, p. 154 - 158, 2010 NETO, Ançano Loschi, ANÁLISE DO SOM TRANSMITIDO POR MADEIRAS DE DIFERENTES DENSIDADES, 2007, dissertação de mestrado, Universidade Federal de Lavras, Minas Gerais, 2007. CALIXTO, Alfredo, VIBRAÇÃO, SOM E LUZ, CONCEITOS FUNDAMENTAIS, 2010, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2010.