Acústica dos Edifícios
Table of Contents
Resumo
Introdução à acústica dos edificíos, sendo introduzidos um conjunto de definições e métodos iniciais de análise, de acordo com a legislação portuguesa.
1 Propriedades do som
Uma onda sonora pode ser descrita em termos de:
- Amplitude - mede a diferença entre a pressão máxima e miníma da onda sonora;
- Frequência (f-Hz) - mede o número de vezes que um pico de pressão passa por um determinado ponto do espaço no intervalo de um segundo.
- Velocidade de propagação da onda - Depende do meio de propagação e também da temperatura (T). Na atmosfera terrestre, é dada pela seguinte expressão:
\[ V=3315 + (0,6 \times T) \]
- Comprimento da onda (L - m) - corresponde à distância entre dois pontos sucessivos de igual pressão, pode ser obtido pela seguinte expressão:
\[ L= \frac {V}{f} \]
Verifica-se que a frequência e o comprimento de onda são inversamente proporcionais e, portanto, sons de baixa frequência têm um comprimento de onda elevado e sons a altas frequências têm um pequeno comprimento de onda.
- Potência Acústica (W - em watts) - Define-se como sendo a quantidade de energia emitida pela fonte por unidade de tempo. A potência acústica serve fundamentalmente para classificar, em termos quantitativos, a fonte de ruídos.
- Pressão Acústica (p - Pa) - Mede a variação provocada pelo som na pressão em relação à pressão de equilibrio (\(p_{0}=2 \times 10^{-5}\)). Depende da localização da fonte e das características do meio envolvente (energia libertada/energia absorvida). A pressão acústica é o parâmetro utilizado quando o objectivo é a avaliação de situações de incomodidade ou de risco de trauma auditivo.
- Intensidade Acústica (I - \(w/m^{2}\)) - Identifica a quantidade de energia que atravessa em uma determinada superficie numa determinada direção. A intensidade acústica permite localizar e qualificar as fontes de ruído, sendo por isso extremamente útil no estudo de soluções de controlo de ruído.
1.1 Percepção Auditiva
- o Som mais fraco que um indivíduo consegue ouvir corresponde a 20 \(\mu Pa\) e por isso é considerado o limiar de audição.
- Uma pressão sonora de 20 PA é de tal forma tão elevada que causa dor e por isso é considerada o limiar de dor.
- A percepção do ouvido humano à pressão varia entre os 20 micropascal e os 20 pascal, isto é uma variação de 1,000,000 vezes.
1.2 Lei de Weber e Fechner
para frequências médias a sensação é proporcional ao logaritmo da excitação
- O nível de uma grandeza física é definido como o logaritmo decimal da razão entre os dois valores medidos e o valor de referência dessa grandeza exprime-se em Bel-B (adoptado em memória do inventor norte americano Alexander Graham Bell).
- Como o Bel continua a ser uma escala demasiado grande, torna-se mais conviniente dividi-la em 10 partes - o Decibel (1 Bel=10 Decibel)
1.2.1 Nível de Pressão Acústica, Lp
Mede a variação provocada pelo som na pressão em relação à pressão de equilíbrio, \(P_{0}\). \newline Em decibeis, correspondente a uma pressão sonora, p, em Pa, é dado por:
\begin{equation} L_{p}=10 \times log(\frac{P}{P_{0}})^{2} \quad = 20 \times log \frac{P}{P_{0}} \quad (dB) \end{equation}em que:
- p é o valor medido
- \(p_{0}\) é o valor de referência da pressão sonora = \(20 \mu Pa\) - limiar da audição \(P_{0}=20 \times 10^{-6} \quad Pa\).
2 Níveis Acústicos
2.1 Nível de Potência Acústica, \(l_{w}\)
Corresponde à energia sonora libertada por unidade de tempo. Caracteriza o ruído emitido pela fonte. É obtido pela seguinte expressão:
\begin{equation} L_{w}= 10 \times log \frac{W}{W_{0}} \quad (dB) \end{equation}em que,
- \(W_{0}\) corresponde a potência acústica de referência ( \(W_{0}=10^{-12}W\)).
2.2 Adição de Níveis de Pressão Acústica
Nunca se somam níveis sonoros, somam-se sim os quadrados das pressões.
\begin{equation} L_{A}+L_{B}= 10 log \frac{p_{A}^{2}+p_{B}^{2}}{p_{0}^{2}} \end{equation}2.3 Nível de Intensidade Acústica, \(L_{I}\)
A Intensidade acústica é proporcional ao quadrado da pressão.
\begin{equation} I= \frac{p^{2}}{\rho_{c}} \end{equation}em que:
- c é a velocidade de propagação do som no ar
- \(\rho\) é a massa especifica do ar
- p é a pressão acústica
o Nível de Intensidade Acústica é obtido pela expressão:
\begin{equation} L_{I}(dB)=10 \times log \frac{I}{I_{0}} \end{equation}em que \(I_{0}\) corresponde à intensidade acústica de referência (\(I_{0}=10^{-12}W/m^{2}\)). A intensidade acústica pode-se definir como a quantidade de energia por unidade de superfície de onda.
3 Gamas de Frequência
O ouvido transforma as pressões sonoras em pressões auditivas, mas a sua sensibilidade é limitada, não se apercebendo de todas as frequências de igual maneira.
4 Fonte Pontual
Uma fonte é designada de Pontual quando a sua dimensão é infinitamente pequena. As vibrações emitidas por uma fonte pontual propagam-se em todas as direções do espaço, isto é, segundo uma propagação radial (ondas esféricas). Assim, a Intensidade Acústica a uma distância "d" da fonte é dada:
\begin{equation} I=\frac{W}{S}=\frac{W}{4 \times \pi \times r^{2}}=\frac {W}{4 \times \pi \times d^{2}} \end{equation}em que o raio, r da esfera é igual à distância d à fonte.
5 Reflexão
Uma onda acústica é desviada do seu trajeto quando encontra um obstáculo rígido e de grande dimensões. este fenómeno é designado por reflexão. \newline A intensidade acústica da onda refletida é sempre inferior à da onda incidente, já que uma parte da energia absorvida pelo material que provocou a reflexão (obstáculo), que pode , deste modo, ser caracterizado por um coeficiente de absorção, \(\alpha\).
- Quando as ondas sonoras encontram uma parede, elas podem continuar e refletem-se sobre elas próprias.
- Se a parede é revestida de mármore ou produtos cerâmicos (duros), as ondas refletem-se bem.
- Se a parede for revestida de tecido o som reflectido é fraco, pois parte da energia sonora que incide é absorvida.
- O nível sonoro que se estabelece no local é devido à justaposição do som emitido diretamente pela fonte e pelos sons refletidos por todas as superfícies.
5.1 Espaço Fechado
5.1.1 Campo Reverberado
- O campo reverberado corresponde à soma das primeiras reflexões, com o campo difuso (reflexões sucessivas).
- Se o som emitido for contínuo, o campo reverberado, é confundido com o campo difuso (as primeiras reflexões são rapidamente absorvidas).
- Se a fonte parar de emitir, o campo difuso deixa de ser alimentado, as diversas ondas vão sendo refletidas e absorvidas e a intensidade acústica do campo reverberado decresce progressivamente até ser nula.
- O campo refletido contribui para o campo sonoro da sala. A quantidade de energia refletida depende das características da parede.
- o campo sonoro criado depende do campo direto e do campo reverberado/difuso.
6 Tempo de Reverberação
Corresponde ao Intervalo de Tempo necessário para se verificar um decréscimo de 60 db no nível sonoro após a paragem da fonte.
6.1 Fórmula de Sabine
A duração do tempo de reverberação, tanto maior quanto maior for a potência inicial da fonte.
A energia absorvida por intervalo de tempo é uma fração constante da energia inicial:
\begin{equation} T= \frac{0,163 \times V}{A_{e}} \end{equation}Esta fórmula é baseada em duas hipóteses:
- A energia sonora é uniformemente repartida por todo o espaço - Campo de Difusão Homogéneo
- A absorção é contínua e homogénea.
A utilização desta fórmula apresenta algumas limitações, só apresentando resultados aceitáveis quando:
- Os materiais da envolvente possuem coeficientes de absorção baixos
- Os materiais estão repartidos de forma (mais ou menos) homogénea.
7 Correção Acústica
A correção aústica é o conjunto de procedimentos técnicos que permitem dosificar a intensidade dos fenómenos sonoros percetíveis pelos ocupantes no interior de um ambiente fechado.
7.1 A Correção acústica de uma sala permite:
- obter um ambiente sonoro agradável, ajustando o tempo de reverberação da sala à sua utilização.
- Baixar o nível sonoro devido a fontes de ruído muito incómodas, para tornar cómoda a vivência das pessoas que aí têm de estar.
7.2 Membranas
Consiste em utilizar um painel/membrana flexivel sobre apoios que assentam directamente nas paredes ou pavimentos. A abosrção máxima é atingida para a frequência própria do painel/membrana:
\begin{equation} f_{0}=\frac {600}{\sqrt{m \times d}} \end{equation}7.3 Ressonadores
O comportamento acústico de um ressonador é semelhante ao comportamento de um sopro que chega às proximidades de abertura de uma garrafa. Este som é dependente das dimensões da garrafa e do gargalo dessa garrafa.
\begin{equation} f_{0}=\frac{C}{2 \pi} \times \sqrt { \frac{S}{(L+1,6R) \times V} } \end{equation}em que:
- C é a velocidade de propagação do som no ar
- S é a secção do orifício
- R é o raio do orifício
- L é o comprimento do gargalo
- V é o volume da garrafa
7.4 Materiais Porosos ou Fibrosos
Estes materiais são constituídos por uma infinidade de pequenas fibras que formam entre elas pequenas (e sinuosas) lâminas de ar (materiais fibrosos) ou pequenos poros que comunicam entre eles (materiais porosos), as ondas sonoras podem assim penetrar e propagar-se nestes pequenos espaços, colocando em movimento o ar que estes contém, dissipando-se desta forma uma parte da energia sonora sob a forma de calor.
7.5 Influência do Mobiliário e Ocupantes
- Um determinado espaço é estudado em função da sua atividade e por isso à que prever no estudo acústico o mobiliário que lá será colocado e não esquecer que o espaço será ocupado por pessoas.
- Para o mobiliário e pessoas, não se dispõem de coeficientes de absorção mas sim da área de absorção equivalente.
- Como normalmente os espaços não estão completamente lotados, nem completamente vazios, torna-se dificel obter um tempo de reverberação ótimo para as diversas condições. Uma das formas, de ultrapassar esta condicionante é a utilização de cadeiras rebatíveis, em cujo o fundo, é colocado material absorvente cuja a área de absorção equivalente seja próxima da que a cadeira estivesse ocupada.
7.6 Duração optima do tempo de reverberação
Os fatores principais a considerar para a obtenção do tempo ótimo de reverberação, são:
- Volume da sala
- Destino da sala
- Superficie e natureza das paredes
- Tipo de mobiliário e número de ocupantes
- Localização das fontes sonoras
7.6.1 Fatores determinantes para Estimar o tempo ótimo de reverberação
- Volume do Sala: é aconselhável que o valor do tempo médio de reverberação aumente com o aumento do recinto. Este modo de proceder tende a compensar, em certa medida os efeitos do acréscimo da atenuação do nível sonoro com o aumento das distâncias a percorrer pelas ondas sonoras (entre fonte e os auditores).
- Frequência do som: A duração do tempo ótimo de reverberação deve variar também com a frequência do som. Para frequências baixas são admissiveis tempos de reverberação mais elevados, enquanto que para frequências altas o tempo ótimo de reverberação deve ser mais baixo.
- Superfície e natureza das paredes: Por exemplo numa sala onde se preveja um tempo de reverberação bastante acima do tempo ótimo de reverberação ótimo, a correção poderá ser melhorada com a execução de um revestimento absorvente, na envolvente interior do espaço, que permita uma aproximação do tempo de reverberação ao tempo ótimo de reverberação deste local.
- Localização das fontes sonoras: este é um dos fatores de extrema importância na obtenção de um ambiente sonoro com um nível de intensidade mais ou menos constante em toda a sala, permitindo, deste modo, que o som produzido na sala se faça ouvir em boas condições em toda a sala com um nível de intensidade pouco variável no espaço no interior da sala.
8 Isolamento Acústico
8.1 Transmissão de uma onda sonora através de uma parede
- Quando uma parede é submetida à ação de ondas de pressão e depressão, vibra e emite um som cuja frequência é igual à frequência da fonte.
- Existem então transmissão de energia acústica pela parede do meio
"emissão", onde se encontra a fonte, para o meio "recepção" que
depende:
- Da energia acústica que atinge a parede (energia incidente)
- da Constituição da parede
- Fator de transmissão:
- Caracteriza acústica nessa parede
- Relação entre a energia transmitida e a energia recebida por unidade de superfície
8.1.1 Fator de Transmissão
Estabelece a relação entre a energia transmitida pela parede e a energia que nela incidiu
\begin{equation} \tau = \frac {E_{transmitida}}{E_{incidente}} \end{equation}8.1.2 Índice de Redução Sonora
Parâmetro que caracteriza a aptidão de uma parede para isolar dois espaços contíguos, exprimindos em décibeis.
\begin{equation} R=10 \times log \frac{1}{\tau} \end{equation}9 Regulamentos sobre o Ruído
- Decreto de Lei n. 9/2007 de 17 de Janeiro de 2007
- Decreto de Lei n.96/2008 de 9 de Junho de 2008