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estudo do áudio para impedância acústica
Typology: Study Guides, Projects, Research
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(Tcc2 - Nº de Inscrição - 34)
Monografia de Projeto de Pesquisa apresentada à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2 do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, como requisito parcial para aprovação na disciplina.
Orientador: Prof. Dr. Marcio Henrique de Avelar Gomes
A todos os que me apoiaram e acreditaram em mim.
A Eliseu, Iracema e Paola Mariani por serem meus maiores incentivadores.
O desenvolvimento deste trabalho foi bastante complicado e sem a ajuda de algumas pessoas creio que não teria conseguido atingir o resultado esperado.
Agradeço ao meu orientador professor Dr. Marcio Avelar que sempre foi muito paciente em tirar dúvidas e compreensivo com minhas dificuldades, não se omitindo da sua responsabilidade como orientador.
Sou grato imensamente aos meus pais Eliseu e Iracema por terem me apoiado e permitido que em alguns momentos eu pudesse me dedicar exclusivamente à faculdade durante o desenvolvimento deste projeto.
Aos meus irmãos Tatiani, Naiara, Lucas, Vinicius, Paulo, Natalia e Sofia que sempre me incentivaram a persistir e sempre me ajudaram nos momentos mais complicados.
A minha amiga Paola Mariani que esteve comigo todos esses anos e foi minha maior incentivadora, além de me ajudar muito durante toda a faculdade e em especial neste trabalho.
Ao professor Dr. Paulo Bonifácio por ter cedido equipamentos para a realização deste trabalho e pelo incentivo. Agradeço ao amigo Luis Henrique Sant’Ana por ter me auxiliado com ideias e nos testes deste projeto.
Busulo, Welington F. Construção de um tubo de impedâncias e teste através do método de função de transferência. 2017. 59f. Monografia – Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba. 2017.
Ao projetar um ambiente ou um equipamento muitas vezes é necessário considerar suas condições acústicas, como a quantidade de som que pode ser transmitido a ambientes próximos, pois muitas vezes há a exigência de um isolamento acústico, como acontece em indústrias, teatros, casas, apartamentos, carros, aviões, etc. Mas para realizar o dimensionamento acústico de alguns materiais e ambientes algumas grandezas físicas devem ser conhecidas, como impedância acústica, absorção acústica e transmissão de som. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um tubo de impedâncias, o qual tem como função a medição de impedância acústica de diferentes materiais e também o coeficiente de absorção acústica dos mesmos. O desenvolvimento do equipamento visa também suprir um déficit de equipamentos de acústica e vibrações para o curso de engenharia mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Portanto o tubo de impedâncias está disponível para uso na UTFPR. Para a confirmação da eficiência deste tubo de impedâncias amostras de diferentes materiais, com valores de impedância acústica e coeficiente de absorção acústico já conhecidos, são usados para efeito de comparação. Para a medição dessas grandezas físicas a técnica utilizada é o “Método de Função de Transferência” utilizando a técnica com múltiplos microfones, a qual fornece os resultados em um tempo mais curto do que a técnica tradicional de ondas estacionárias (SWR).
Palavras-chave: Acústica. Tubo de impedância. Coeficiente de absorção acústica.
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Busulo, Welington F. Construção de um tubo de impedâncias e teste através do método de função de transferência. 2017. 59f. Monografia – Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba. 2017.
When designing an environment or an equipment it is often necessary to consider its acoustic conditions, such as the amount of sound that transmitted to nearby environments, as there is often a need for sound insulation, such as in industries, theaters, houses, apartments, cars, airplanes, etc. However, to do the acoustic dimensioning some physical quantities must know, such as acoustic impedance, acoustic absorption and sound transmission. The objective of this work was the development of an impedance tube, which will have the function of acoustic impedance measurement of different materials also the coefficient of acoustic absorption. The equipment’s development aims to supply a deficit of equipment of acoustics and vibrations for the course of mechanical engineering of the Universidade Tecnológica Federal do Paraná. The impedance tube is available for use in UTFPR. To confirm the efficiency of this impedance tube, samples of different materials with acoustic impedance values and acoustic absorption coefficient already known have used for comparison purposes. For the measurement of these physical quantities, the technique chosen was the "Transfer Function Method" using the multi-microphone technique, which provides the results in a shorter time than the traditional stationary wave (SWR) technique.
Key-Words: Acoustic. Impedance tube. Acoustic absorption coefficient.
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1.1 Contexto do Tema
O som é um tipo de onda mecânica, a qual precisa de um meio físico para se locomover. Como enunciado por Bistafa (2011) O que difere o som de outras ondas mecânicas é a capacidade de ser notado pelo sistema auditivo humano. Dependendo da situação o som pode ser algo inconveniente, como por exemplo o som de um avião, seria impossível para o ser humano realizar viagens aéreas se os aviões não possuíssem um isolamento acústico.
Parte dos estudos em acústica têm como objetivo sempre buscar o conforto biológico dos seres humanos independente da sua atividade. A maneira como cada pessoa assimila um som é próprio e, por isso é complicado quantificar a partir de que nível de intensidade sonora um som começa a incomodar a uma pessoa. Contudo há diversos aspectos físicos que influenciam no conforto acústico. Conforme Bistafa (2011, p.82) podemos listar:
Conteúdo espectral e níveis sonoros associados; A complexidade do espectro e a existência de tons puros; Duração; Amplitude e frequência das flutuações de nível; Tempo de subida de sons impulsivos. Apesar de o conforto humano ser o foco da maioria dos estudos envolvendo a acústica, em engenharia a parte financeira tem um peso relevante. Assim a exigência de um projeto de isolamento acústico de um avião é diferente daquele a ser implementado em um carro, uma casa ou um escritório. Isolamento acústico implica em custos de projeto o que torna necessário escolher um material isolante que se adeque à exigência técnica e financeira do projeto.
Apesar de sua importância técnica, o estudo da acústica é algo pouco desenvolvido no Brasil, algo que podemos constatar ao analisarmos as ementas de diversos cursos de engenharia mecânica e civil nas quais muitas vezes o tema não é devidamente valorizado, limitando-se a estudos de pós-graduação e de interesses comerciais. Segundo dados presentes no site da Federação Iberoamericana de
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1.2 Caracterização do Problema
Simulações numéricas e computacionais atendem muitos casos em que há a necessidade de um projeto acústico. Em algumas situações, no entanto, há variações encontradas na prática que não são assimiladas por programas computacionais. Nestas situações, apenas com um apoio experimental que implique em melhor embasamento de dados, respostas mais satisfatórias serão encontradas.
Dados experimentais são de extrema relevância, mas a coleta deles implica a necessidade em se ter um laboratório à disposição. Medidores de nível sonoro, filtros, filtros ponderadores, filtros de 1/N oitava, analisadores FFT, microfones, fontes sonoras de referência, câmaras reverberantes, anecóicas e tubo de impedâncias (Figura 2) são alguns dos dispositivos necessários para um laboratório de acústica bem equipado.
1.3 Objetivos
A proposta desse trabalho foi a construção de um tubo de impedâncias. Este tubo de impedâncias trabalha em uma faixa de frequências variando entre 190 Hz e 4000 Hz, e seus resultados de medição podem ser comparados com valores de coeficientes de absorção sonora já conhecidos.
A técnica a ser utilizada para realizar as medições neste tubo de impedâncias será o Método de Função de Transferência usando três microfones, que é uma adaptação do método tradicional com dois microfones.
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Figura 2 - Tubo de impedâncias Brüel&Kjaer Type 4206T Fonte: Brüel&Kjaer (2012 )
1.4 Justificativa
O conforto acústico é algo vital para os seres humanos, mas dependendo do ambiente no qual se está inserido há a necessidade de um cuidado maior. Por muitas vezes esses ambientes demandam um estudo e um preparo técnico de modo a evitar que haja qualquer tipo de lesão a um indivíduo.
Independentemente do tipo de ambiente, seja ele um escritório, um carro, uma indústria, avião ou navio o isolamento acústico deve ser atingido. Mas cada um desses ambientes tem características próprias de absorção e isolamento acústico, os quais implicam em diferentes soluções de engenharia. Essas diferentes soluções são alcançadas através de estudos feitos em laboratórios de indústrias/empresas e em muitas vezes nos laboratórios de universidades, sendo que boa parte dos grandes avanços tecnológicos vem destes últimos, seja em artigos e pesquisas próprias ou em parceria com a iniciativa privada.
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2.1 Introdução ao Som
O sistema auditivo do ser humano é sensível à pressão exercida pelo ar ao seu redor, o som é um tipo de onda mecânica que provoca uma pressão de excitação no sistema auditivo humano, conforme definido por Bistafa (2011, p.18) “O som pode ser definido como uma variação da pressão ambiente detectável pelo sistema auditivo”. Pressão sonora a partir de 2 ∙ 10 já são sentidas pelo sistema auditivo e é conhecida como Limiar de Audição, a pressão máxima que o nosso sistema auditivo é capaz de reconhecer chega a ordem de 200 Pa , chamada de Limiar de Dor. Ondas sonoras que possuem frequência entre 20 e 20kHz, desde que dentro da variação supracitada, são captadas pelo nosso sistema auditivo. A tabela 1 apresenta uma classificação de ondas sonoras devido as suas diferentes frequências e como elas são sentidas pelo ser humano.
Vibrações Frequência Audição Infrassons < 20 Imperceptível ao ouvido humano Baixas frequências 20 < < 200 Sons graves Médias frequências 200 < < 2000 Sons médios Altas frequências 2000 < < 20000 Sons agudos Ultrassons > 20000 Imperceptível ao ouvido humano
Tabela 1 - Faixas de Frequência Sonoras Fonte: Carvalho (2006)
Como é enunciado por Bistafa (2011. p 18) para uma onda mecânica ser detectada e compreendida como um som, a variação da pressão deve se apresentar de maneira cíclica, não fosse isso qualquer variação de altura (implicando em diferentes de pressões) seriam notadas pelo nosso ouvido como um som. Devido a essa necessidade de uma variação cíclica, a pressão sonora (pressão acústica) é definida como a variação de pressão ambiente durante um período de tempo “T” (Bistafa, 2011, p. 19).
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Conforme demonstrado por Bistafa (2011) para uma onda sonora cuja fonte emissora é um diapasão, a pressão sonora varia através do tempo com o formato de uma cossenóide (equação 1):
= ∙ ∙ (1) = 2 ∙ = (2)
Onde: ^ é a pressão em função do tempo; é a amplitude da pressão sonora; é a frequência angular ou pulsação.
Figura 3 - Variação do nível de pressão sonora pelo tempo Fonte: Silva (2005)
A distância entre dois picos de pressão máxima ou dois vales de pressão é chamado de comprimento de onda ( ). O comprimento está relacionado com a frequência e a velocidade do som pela equação 3 retirada de Bistafa (2011):
