Universidade Federal de Uberlândia

Faculdade de Engenharia Mecânica

1º Módulo - Formação Continuada

Convênio UFU / REGAP 2007/2010

Ricardo Humberto de Oliveira Filho

rhofilho@gmail.com

Fontes de Ruído

Introdução• Para estimativas de níveis de pressão sonora, é preciso conhecer os níveis de

potência sonora das fontes em questão.É o caso por exemplo de determinada máquina em ambiente industrial.

• A caracterização acústica de equipamentos requer ensaios, instrumentação e pessoal especializado.

• Normalmente a potência sonora é obtida através de ensaios especializados em laboratório, ou por meio de medidas de intensidade sonora em qualquer ambiente.

• Existem métodos, em geral, baseados em dados empíricos, para estimativa da potência sonora de algumas máquinas e equipamentos.

Fontes Sonoras Omnidirecionais e Direcionais

• Diversos mecanismos produzem sons e ruídos: vibração do diapasão, vibração do diafragma do auto-falante, uma esfera pulsante, etc.

• O sistema de exaustão de um motor de combustão interna gera som por um mecanismo que pode ser associado ao da esfera pulsante.

• Quando o comprimento de onda é muito maior que a dimensão da fonte, as ondas geradas são esféricas.

• Quando o comprimento de onda é da ordem da dimensão da fonte ou menor, a radiação da fonte tende a ser direcional.

• Nas altas frequências (pequenos comprimentos de onda) a fonte apresentará direções preferenciais de radiação sonora.

• Quando uma fonte sonora não apresenta direções preferenciais de radiação, caso da esfera pulsante, diz-se que se trata de uma fonte omnidirecional, caso contrário, trata-se de uma fonte direcional.

Fontes Sonoras Omnidirecionais e Direcionais

• Fontes sonoras perdem a omnidirecionalidade por apresentarem forma não-esférica, ou porque a amplitude e fase das vibrações de suas diferentes superfícies não são uniformes.

• Diferentemente da esfera pulsante, a uma mesma distância da fonte, a pressão sonora gerada por fontes direcionais, será diferente em direções diferentes.

Isolinhas de pressão sonora ao redor de um grande transformador de energia elétrica.

Fonte Sonora Omnidirecional • Quando a fonte sonora é omnidirecional e irradia em campo livre, longe de

superfícies refletoras, a relação entre a potência sonora e a pressão sonora à distância r da fonte é dada por:

• Na eq. acima , o nível de pressão sonora a uma mesma distância r da fonte é o mesmo em qualquer direção.

11)log(20 rNWSNPS dB

Dodecaedro Omnidirecional

Fonte Sonora Direcional

•O nível de pressão sonora de uma fonte direcional depende também da direção do receptor em relação à fonte sonora.

onde:

-NPS é o nível de pressão sonora na direção θ;

- NWS é o nível de potência sonora da fonte direcional;

- DI é o índice de diretividade da fonte na direção θ, em decibéis.

• Para fontes direcionais, a potência sonora não é suficiente para caracterizar acusticamente a fonte. Há a necessidade de se conhecer o índice de diretividade em todas as direções para uma descrição completa de fontes direcionais.

11log20 rDINWSNPS dB

Diagrama polares de índice de diretividade de um alto-falante no plano horizontal em função da direção θ

Índice de Diretividade (DI)

• O índice de diretividade pode ser obtido em um ensaio em campo livre, através de medidas de níveis de pressão sonora, e pela aplicação da fórmula:

onde:

- NPSθ é o nível de pressão sonora medido à distância r, na direção θ;

- é o nível de pressão sonora médio espacial, calculado através da média dos quadrados dos valores eficazes de pressão sonora, medidos em diversos pontos numa superfície esférica hipotética de raio r envolvendo a fonte sonora.

• A diretividade de uma fonte é um fator importante no estudo dos fenômenos acústicos, pois uma fonte que irradia omnidirecionalmente, se colocada no chão de uma fábrica, estará irradiando apenas em um espaço referente a uma semi-esfera, pois ela estará limitada pelo piso.

esfNPSNPSDI

esfNPS

Fator de Diretividade (Qθ)

• Fontes reais dificilmente irradiam som de forma uniforme em todas as direções, elas ainda podem ser limitadas pelo espaço que as circundam ou mesmo devido a própria geometria.

• O fator de diretividade, Qθ , de uma certa fonte é definido como:

• O índice de diretividade se relaciona com o fator de diretividade pela equação:

Valores do Fator de Diretividade(Qθ)

Efeito da presença de superfície na diretividade:

Fontes propagando ao ar livre

•Fonte Pontual Simples

onde:

• Tem-se então 6 dB de atenuação para cada duplicação da distância r.

11log20)()( rDINWSNPS

Fonte Pontual Simples

• Fonte pontual no chão: as ondas de propagação são semi-esféricas e a energia sonora atravessa uma área de valor 2πr2. Neste caso: Qθ=2 e DI=3 dB.

• No caso de fonte unidirecional posicionada na aresta (interseção de duas superfícies rígidas infinitas), tem-se propagação através de uma área de πr2. Então: Qθ=4 e Di=6 dB.

• Para o caso de fonte no vértice (interseção de três superfícies rígidas), tem-se: Qθ=8 e Di=9 dB.

• A relação entre NPS1 (na distância r1) e NPS2 (na distância r2) é dada por:

2

121 log20

r

rNPSNPS

Fonte Linear

• Um fluxo de veículos em uma estrada ou um duto longo carregando fluxo de fluido turbulento ruidoso podem ser considerados como fonte sonora em linha de comprimento l.

• Tem-se então 3 dB de atenuação para cada duplicação da distância.

• A relação entre NPS1 (na distância r1) e NPS2 (na distância r2) na mesma direção θ é dada por:

rlDINWSNPS 2log10)()( ou

8log10)()( rlDINWSNPS

1

221 log10

r

rNPSNPS

Fontes Pontuais em Linha

• Uma linha de máquinas idênticas como por exemplo no caso de máquinas de tecidos ou fios, máquinas de estamparia, etc. pode ser considerada uma linha de fontes.

• Ao longo da distância radial r<b/π, onde b é a distância entre as fontes, a propagação do som é similar ao de fonte pontual simples com atenuação de 6 dB para cada duplicação da distância, ou seja, a contribuição das fontes afastadas é pequena.

•Para r>b/π, a propagação é similar ao caso da fonte em linha, com atenuação de 3 dB por duplicação da distância (a contribuição de todas as fontes é significativa).

Fontes Planas

• A transmissão de ruído através de uma porta, janela ou parede de uma casa de máquinas, pode ser considerada como fonte plana finita.

• Para r<b/π não existe atenuação e para b/π<r<c/π tem-se -3dB por duplicação da distância (fonte linear), e para r>c/π tem-se -6dB por duplicação da distância (fonte pontual).

Modelos de fontes sonoras

Modelo de fontes pontuais para predição de ruído em comunidade

Fontes Sonoras em Movimento

• Quando uma pessoa se aproxima de uma fonte sonora fixa, a freqüência do som ouvido (freqüência aparente) é maior do que aquela de quando a pessoa se afasta da fonte.

• O mesmo resultado seria obtido se a fonte se aproximasse ou se afastasse de uma pessoa parada.

• Suponhamos que uma fonte A emite 100 ondas por segundo. Um observador O perceberá a passagem de 100 ondas a cada segundo. Entretanto, se o observador se move na direção da fonte A, o número de ondas que ele encontra a cada segundo aumenta proporcionalmente à sua velocidade. Surgindo então uma variação aparente da frequência.

• Essa variação aparente da freqüência de onda é chamada efeito Doppler.

Fontes Sonoras em Movimento

• Denominando f’ a freqüência recebida pelo observador (freqüência aparente) e f a freqüência emitida pela fonte, temos:

Aproximação do observador em relação à fonte: f’ > f

Afastamento do observador em relação à fonte: f’ < f

Onde: f’ é a freq. Aparente do som que atinge o observador, f é a freqüência real do som, v é a velocidade do som, vF á a velocidade de aproximação da fonte.

Fontes de ruído industriais•Ventiladores e exaustores:

– Ruído aerodinâmico do tipo banda larga em regiões de fluxo turbulento e vórtices.

– Ruído causado pela passagem das pás próximo a elementos fixos.

– Ruído de origem mecânica emitido por vibrações dos componentes estruturais e das pás.

Fontes de ruído industriais

• Compressores de ar:

– Turbulência de fluxo devido à passagem não suave do fluido.

– Separação do fluxo causado por interação do fluxo nas partes rotativas (rotores) e nas partes fixas (estatores), ou através de outras partes estruturais.

– Fluxo não estacionário (irregular) nas pás dos rotores, que gera ruído na frequência de rotação e nos seus harmônicos.

Compressor de anel líquido Compressor de êmbolo

Compressor de palhetas

Fontes de ruído industriais• Válvulas de Controle

– O ruído é gerado através das mudanças bruscas nas condições do fluido no orifício da válvula.

– Na saída existe condição de baixa pressão com alta velocidade de fluxo. Portanto, o fluxo laminar, antes da válvula, torna-se turbulento após passar pela válvula.

– O ruído da válvula é modelado como ruído de jato confinado.

– O ruído gerado no escoamento de gases através de válvulas de controle é muito mais crítico do que o gerado por líquidos.

– Mecanismos de ruído: turbulência do jato, interação da turbulência com o corpo da válvula e a tubulação, choques, interação da turbulência com choques.

Fontes de ruído industriais• Motores Elétricos

– Ruído Magnético: forças magnéticas que atuam no estator e no rotor, através do espaço de ar, dependendo do projeto do motor. Sendo uma função da densidade do fluxo magnético, do número e forma dos pólos, do número e forma das ranhuras e da geometria do espaço de ar.

– Ruído Mecânico: desbalanceamento do rotor, mancais e rolamentos, fricção das escovas nos anéis de escorregamento, fricção acidental de componentes dos estatores e rotores, ruído devido a componente solto.

– Ruído aerodinâmico: é criado por vórtices e fluxo turbulento do ar de refrigeração, que são produzidos pelas pás do rotor em movimento relativo aos elementos estacionários. Consequentemente a potência sonora depende da velocidade de rotação.

Fontes de ruído industriais

• Tubulações de transporte de fluidos

– Em tubulações retilíneas, a turbulência provocada pela interação do escoamento com as paredes da tubulação é considerada a principal fonte de ruído.

– A parcela da potência mecânica responsável pela geração do ruído é proporcional à queda de pressão ao longo da tubulação.

– Para o escoamento de líquidos, o fator de eficiência acústica é tão baixo, que resulta em ruído geralmente insignificante.

Fontes de ruído industriais

• Queimadores

– O ruído se deve à combinação de três mecanismos: o fluxo de gás combustível, o fluxo de ar e o processo de combustão.

– O ruído de fluxo de gás é dominante no caso de queimadores que operam com gás combustível a alta pressão. Para queimadores que operam com óleo combustível, esse ruído é desprezível.

– O ruído da combustão não é geralmente tão significativo quanto ao ruído dos fluxos de combustível e de ar.

Efeito do tratamento de fontes sonoras