ACÚSTICA ARQUITETÔNICA

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ACÚSTICA ARQUITETÔNICA
									 Prof.: Jean Fechine
Campina Grande, Maio de 2013.
ASPÉCTOS FÍSICOS DA ACÚSTICA
O desenvolvimento crescente da tecnologia, entre outros avanços, traz consigo um problema comum e facilmente encontrado no que se refere ao funcionamento de máquinas e outros equipamentos da era moderna. Tal problema denomina-se ruído, e seus efeitos se fazem sentir tanto nos locais de trabalho, quanto nas comunidades, e causam no ser humano danos que podem variar de um simples desagrado a perdas temporárias ou permanentes da capacidade auditiva.
A Segurança e o conforto necessários ao desenvolvimento de diversas atividades sejam por operários, em ambientes de trabalho ou por quaisquer pessoas divertindo-se ou descansando em algum local é objeto de interesse de parte da legislação técnica brasileira.
Normas Regulamentadoras brasileiras, norte americanas, germânicas e de outras nacionalidades apresentam critérios legais e técnicas direcionadas à verificação e análise acústica visando adequar o ambiente construído, privado ou público aos padrões humanos exigidos por seus usuários, sendo estes compatíveis com o tipo de atividades a serem desempenhadas.
Mesmo diante de um suporte legislativo considerável, no Brasil, com certa frequência, encontram-se laudos descrevendo avaliações de ruídos desenvolvidos de forma empírica ou intuitiva. Tal fato se deve, por um lado, ao desconhecimento do assunto e por outro, as dificuldades inerentes á aquisição ou atualização da literatura e dos instrumentos utilizados para este fim.
Como forma de contribuir para o estudo do som relacionado ao homem e ao ambiente construído, esta apostila contempla vários aspectos ligados às técnicas de verificação controle e tratamento do som no ambiente construído.
SOM
Considerando a existência de um espaço de ar, a física define o som como sendo uma perturbação na pressão do gás que gera oscilações que se espalham sob a forma de ondas, de forma similar ao que ocorre com as perturbações mecânicas quando o meio é liquido. (Fig. 01). A perturbação é resultado da transmissão das vibrações de um corpo ao meio que o circunda gerando variações de pressão, que se propagam em ondas longitudinais de rarefação e compressão, não havendo transporte de moléculas do meio, estas apenas oscilam em torno de suas posições de equilíbrio (Fig. 02).
Fig 01: Variações de pressão no meio líquido
Fig. 02: Oscilação e posição de equilíbrio
A ONDA SONORA
Na onda sonora o referido movimento oscilatório ocorre de forma cíclica em um determinado tempo denominado período (T). A sucessão dos ciclos, denominada de frequência (f) ocorre por unidade de tempo e é, portanto, inversa ao período, resultando na equação seguinte, cuja unidade é o hertz (Hz) ou o ciclo por segundo (cps).
 (01)	f = 1/T		Hz ou cps
A onda pode ser descrita graficamente (Fig. 03) ao se colocar nas abscissas o período (T) e nas ordenadas, o deslocamento da posição de equilíbrio cujo valor máximo chama-se Amplitude da onda (A).
Fig. 03: Gráfico da Onda Sonora
PROPAGAÇÃO DO SOM
A velocidade de propagação do som independe da frequência e da amplitude da onda, porém é variável em função das características do meio em que se propaga. No ar, para 22ºC de temperatura (t), o som se propaga com a velocidade (V) de 345 m/s.
Sua variação com a temperatura pode ser expressa pela equação:
			(02) V = 331,4 + 0.607t	(m/s)
De posse desta equação e do anteriormente escrito neste capítulo, pode-se descrever e calcular outras variáveis:
Frente de Onda:	Ao se imaginar uma fonte sonora constante, se propagando em um meio homogêneo, tem-se como resultado a figura de uma esfera perfeita, uma vez que a onda sonora se propaga de forma tridimensional. Uma vez imaginado um afastamento desta esfera, a uma distância suficientemente considerável, seria possível a visualização da onda sonora que se propaga no ar formando uma figura plana (Fig. 04).
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Fig. 04: Onda sonora representada no plano
Com base na Fig. 04, define-se frente de onda como o conjunto de pontos que, em um determinado instante, apresenta-se em uma mesma situação, seja ela de rarefação ou compressão do meio.
Comprimento de onda: Ainda explorando a Fig. 04, comprimento de onda é a distância entre duas frentes de onda consecutivas, ou seja, é a distância (D) percorrida pela onda num período de tempo (T) definida nas equações:
(03)	V = D/T	(m/s)
			(04)	V = D x f	(m/s)	Onde f é a freqüência da onda.
Para o Ouvido Humano, que será abordado adiante, as frequências perceptíveis variam de 16 a 20.000 cps o que resulta, para uma velocidade do som em torno de 345 m/s, em comprimentos de onda que assumirão valores dentro do intervalo de aproximadamente de 0,072 a 17,00 m.
Sons com frequências extremamente baixas, inferiores a 16 cps são chamados de infrassons, já os de altas frequências, superiores a 20.000 cps são chamados de ultrassons, ambos não são percebidos pelo ouvido humano, porém são utilizados para outros fins. 
OUVIDO HUMANO
Para transformar as ondas que o atingem pelo ar em bits de informação a serem transmitidas ao cérebro, o ouvido (Fig. 05) deve funcionar como um transformador que muda as variações de tensão elétrica, que os nervos transportarão ao cérebro.
Para esta complexa transformação, o ouvido está especialmente preparado; anatomicamente e composto de três partes, o ouvido externo,que vai do pavilhão até a membrana do tímpano, pelo canal auditivo; o ouvido médio,composto de uma cadeia de três ossículos – martelo, bigorna e estribo - e cuja função é a de transmitir e amplificar em 15 vezes a energia mecânica da vibração do tímpano, e o ouvido interno, composto basicamente de um canal cilíndrico, enrolado m espiral, chamado caracol. Numa sensível parede deste canal, a membrana basilar, realiza-se essa complexa transformação. A vibração das células origina impulsos eletroquímicos, que serão transmitidos ao cérebro através do nervo auditivo. 
Fig. 05: Aparelho auditivo
INTENSIDADE SONORA
A Intensidade Sonora (I) é definida como a quantidade de energia sonora (E) transportada pela onda sonora por unidade de superfície (S) definida pela equação:
			(05)	I = E/S		(watt/m2)
A partir da equação (05) percebe-se que a intensidade de uma fonte sonora é inversamente proporcional a distância entre o ponto receptor e a fonte, demonstrando que a medida que se propõem um afastamento da fonte, tem-se como resultado uma menor quantidade de energia percebida.
A menor quantidade de energia sonora detectada pelo ouvido humano é da ordem de 10-12 watt/m2, enquanto que a quantidade suportável é de 1 watt/m2. 
Estes valores respectivamente representam os limiares da audibilidade e da dor.
Dada a tamanha amplitude do intervalo, torna-se difícil à manipulação de números desta natureza, fato que complicaria a análise quantitativa do som.
Recorre-se então ao definido por Weber e Fechner onde estudos demonstraram que para se obter incrementos de igual sensação sonora é necessário o uso de incrementos exponenciais na excitação, fato que leva a uma nova unidade denominada Nível de Intensidade Sonora (NIS) expresso em decibel (dB) e definido pela equação:
		(06)	NIS = 10 x log I/I0		(dB)
Onde:	NIS – Nível de Intensidade Sonora
	I – Intensidade Sonora em questão
	I0 – Intensidade Sonora de Referência (Limiar de Audibilidade).
Aplicando na equação (06) um intensidade sonora I = 10-12 watt/m2 tem-se como resultado o Nível de Intensidade Sonora NIS = 0 dB representando o limiar de audibilidade. Já para uma Intensidade Sonora I = 100 ou 1 watt/m2 o Nível de Intensidade Sonora obtido será de 120 dB representando o limiar da dor.
O esquema a seguir (Fig. 06) apresenta os Níveis de Intensidade Sonora de alguns equipamentos e situações.
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Fig. 06 APRESENTAÇÃO DE VALORES DE NIS
Outra forma de se trabalhar com o dB é utilizando como referência o Nível de Pressão Sonora (NPS)em (Pa (micro Pascal), como mostra a equação (07), sendo a pressão mínima perceptível (P0) igual a 20 (Pa.
		(07)	NPS = 20 log P/P0 	(Pa, 
Onde:		 P = Pressão Sonora em questão (Pa
Uma vez trabalhando com a equação (06), comprova-se que para cada multiplicação da Intensidade Sonora pelo fator 10 (dez) tem-se como resultado um acréscimo de 10 dB no NIS.
Em relação ao enfraquecimento sonoro, devido ao afastamento da fonte sonora, é necessário recorrer a equação (05), onde S será a área de uma esfera gerando assim uma nova equação (08) escrita da seguinte forma:
		(08)	I = E/4(r2	watt/m2
Admitindo-se que a fonte sonora gerará uma quantidade de energia sonora constante, nota-se que a variável na equação (08) será o raio. Isolando as partes constantes da equação e as denominando pela letra (K) é possível reescrevê-la de outro modo:
		(09)	I = K/r2	watt/m2	snedo K = E/4(
Com a aplicação das equações (06) e (09) é possível demonstrar que para cada duplicação da distância para fonte, o Nível de Intensidade Sonora (NIS) decrescerá em 06 dB e a Intensidade Sonora (I) será dividida por quatro.
TRANSMISSÃO SONORA
Após o conhecimento do anteriormente exposto neste capítulo iniciam-se as aplicações da acústica no que diz respeito ao ambiente com vistas a duas preocupações referentes ao ambiente construído:
Isolamento Acústico;
Tratamento Acústico.
Para entendermos sobre transmissão sonora é necessário o conhecimento de como se dá a transmissão da energia sonora quando esta encontra um obstáculo. No exemplo da Fig. 07 o obstáculo em questão representa uma alvenaria de vedação no ambiente construído.
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Fig. 07: TRANSIÇÕES POR MEIOS DIFERENTES
Analisando a Fig. 07 nota-se da intensidade incidente (Ii), uma parte é refletida e outra transmitida. Dela pode-se explorar as noções de coeficientes de reflexão, absorção e transmissão sonora, pois descrevendo a figura sob a forma d e equação tem-se:
Ii = Ir + Id + It
Sendo:	Ir/Ii = Coeficiente de Reflexão (r)
		Id + It = Ia, logo Ia/Ii = Coeficiente de Absorção (a)
		It/Ii = Coeficiente de Transmissão (t)
Com relação à qualidade acústica no ambiente construído é importante é importante deter o conhecimento acerca da reflexão e da transmissão sonora.
Reflexão: de forma semelhante ao que acontece com a luz, pode-se demonstrar graficamente a reflexão sonora, pois, como mostra a Fig. 08, a onda sonora refletida gera com a superfície refletora um ângulo equivalente ao formado pela onda incidente.
Fig. 08: REFLEXÃO SONORA EM SUPERFÍCIES PLANAS E CURVAS
Caso a superfície não seja rígida e polida, não se aplica o esquema da Fig. 08. Já nas superfícies curvas, a concavidade influenciará significativamente no resultado, pois as superfícies côncavas tendem a concentrar, de forma não homogênea, os raios sonoros refletidos, enquanto que as superfícies convexas apresentam-se como difusoras dos sons refletidos.
Falar de transmissão sonora é também falar de isolamento acústico, uma vez que para isolar acusticamente um determinado ambiente construído é bastante que se dimensione com peso e massa consideráveis para que não haja transmissão sonora.
A capacidade que determinada vedação possui de reter a transmissão sonora receberá o nome de Amortecimento Sonoro (As) e será definido pela equação:
 (11) 		As = 10 log1/t (dB), 
onde t é o coeficiente de transmissão do material.
Tomando-se como exemplo a seguinte situação: uma fonte sonora emitindo um NIS1 = 60 dB, encontrando a sua frente uma parede composta apenas por um material construtivo, verifica-se que do outro lado da vedação o NSI2 = 40 dB, logo, pode-se afirmar que o amortecimento sonoro (As) foi de 20 dB.
No entanto, a situação será um pouco mais complexa uma vez que a maioria das vedações não é compostas apenas por um tipo de material construtivo. Para se analisar o amortecimento sonoro em tais condições será necessário definir o amortecimento do conjunto (Asc), que é feito de modo a se calcular o coeficiente de transmissão médio (tm) a partir da média ponderada levando em consideração o coeficiente de transmissão de cada material relacionado com sua respectiva área.
 Asc = 10 log 1/tm
TRATAMENTO ACÚSTICO
Em alguns locais os sons externos não são bem vindos e, por conta disso, se lança mão de materiais de vedação que atendam a exigências pertinentes ao amortecimento sonoro (isolamento acústico). Por um lado, resolve-se o problema de isolamento e, por outro, é gerado um problema referente à qualidade acústica no interior do ambiente, pois a medida que o som produzido fora do ambiente não entrará, o produzido no interior não sairá. Surge, portanto, a chamada intensidade de som reverberante, resultante do som refletido.
Tal som reverberante passa a atrapalhar a qualidade acústica do ambiente, diminuindo a inteligibilidade, uma vez que o som reverberado tarda um instante para se dissipar. Este instante é definido como Tempo de Reverberação.
TEMPO DE REVERBERAÇÃO
A propagação do som reverberante persiste um certo tempo após a interrupção da sua fonte. Caso este tempo tarde de forma considerável, provavelmente prejudicará a clareza na percepção sonora; já, se o tempo for demasiadamente pequeno também acarretará dificuldades na percepção sonora, sobretudo em locais mais afastados da fonte. Nota-se então, que em cada situação, que envolva o tema qualidade acústica, será requerido, portanto, um tempo ótimo de reverberação.
O tempo ótimo de reverberação é determinado experimentalmente em função do volume do local e da atividade nele desenvolvida, dependendo ainda das características relacionadas à dependência entre a absorção sonora dos materiais e as diversas freqüências. A Fig. 09 traz alguns locais e seus respectivos tempos ótimos de reverberação.
Fig. 09: TEMPOS ÓTIMOS DE REVERBERAÇÃO
É aconselhável estudar o tempo ótimo de reverberação no mínimo em três freqüências, sendo as mais usadas as de 125, 250, 500, 1000, 2000 e 4000 cps, devendo ser observado ainda o fator de correção ilustrado na Fig. 10.
Fig. 10: FATOR DE CORREÇÃO DO TEMPO DE REVERBERAÇÃO
Para o dimensionamento do tempo de reverberação são encontradas diversas equações que consideram a relação entre tempo de reverberação e características do ambiente construído. Entre elas, podem ser destacas as de Sabine, Norris-Eyring e Millington.
Sabine:
		(13)	TRev = 0,161V
				 Ag
Onde:	TRev -= Tempo de Reverberação em Sabines
	V = Volume do local em m3
	Ag = Absorção global em Sabines
0,161 = Constante que corresponde aos valores em unidade MKS. Em unidades inglesas seria 0,049.
É importante salientar que esta equação (13) é melhor aplicável para regime difuso e em locais com absorção média baixa.
Outras equações podem ser utilizadas em locais com absorção sonora média alta, tais como:
Norris-Eyring:
		(14)	TRev 0,161V .
				-2,3 . S . log10(1-()
Onde: 	S = Superfície total absorvente m2
	( = Coeficiente de absorção médio ponderado em superfície
Millington:
(15)	TRev 0,161V .
				-2,3 . Si . log10(1-(i)
Onde: 	Si = Superfície absorvente de cada material m2
		(i = Coeficiente de absorção sonora de cada material.
Para se calcular a absorção global em Sabines é necessário conhecer a área de cada material construtivo aparente e seu respectivo coeficiente de absorção sonora; a quantidade e o coeficiente de absorção dos objetos contidos no ambiente; e ainda, o volume e o coeficiente de absorção sonora do ar contido no ambiente. Tal procedimento pode ser escrito da seguinte forma:
		(16)	Ag = (Si(i + (ni(i + (arV
Onde:	Ag = Absorção Global em Sabines
	Si = Superfície de cada material em m2
(i = Coeficiente de absorção sonora de cada material ou objeto em Sabines
ni = Quantidade de objetos (ou pessoas) contidas no local
(ar = Coeficiente de absorção sonora do ar em Sabines
V = Volume de ar do local em m3.É importante salientar que a sistematização dos dados em tabela (planilhas) facilita a compreensão e a manipulação dos mesmos.
Da análise das equações anteriores nota-se a importância do conhecimento relacionado a quantidade de absorção sonora obtida por cada material em determinada frequência. Tais informações na maioria das vezes não aparecem nos catálogos de fabricantes da maioria dos materiais tidos como “materiais acústicos”.
ABSORÇÃO SONORA DOS MATERIAIS
Os materiais absorvem o som de maneira distinta em função da variação de frequência, e, hoje temos uma gama de alternativas facilitando assim a composição plástica no interior de um ambiente tratado acusticamente. Deste modo, no desenrolar do curso iremos exercitar, na pratica, utilizando as equações expressas no item anterior, o emprego dos materiais em projetos de interiores de ambientes especiais que demandem um tratamento acústico específico.
Referências 
COSTA, Ennio Cruz da. Acústica técnica. São Paulo: Edgard Blücher, 2003.
De MARCO, Conrado e silva. Elementos da Acústica Arquitetônica. São Paulo: Nobel, 1986.
MANUAIS DE LEGISLAÇÃO ATLAS. Segurança e Medicina do Trabalho. 46.ed. 2000.
NEUFERT, Ernst. Arte de projetar em arquitetura. 17.ed. Barcelona: Gustavo Gili, 2007.
SOUZA, Lea Cristina Luca, et al. Bê - á - Bá da Acústica Arquitetônica. São Paulo, ,Ed. UFSCAR, 2006.
SILVA, Pérides: Acústica Arquitetônica & Condicionamento de AR 5a Ed. Belo Horizonte: Edital E. T. Ltda, 2005.
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