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UTILIZAÇÃO DE REFLECTOMETRIA ACÚSTICA NA DETECÇÃO DE OBSTRUÇÕES EM DUTOS Guilherme de Sá Valadão Lopes Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Orientador: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto Rio de Janeiro Outubro de 2014 UTILIZAÇÃO DE REFLECTOMETRIA ACÚSTICA NA DETECÇÃO DE OBSTRUÇÕES EM DUTOS Guilherme de Sá Valadão Lopes DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA MECÂNICA. Examinada por: ______________________________________________ Prof. Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto, Dr.Ing. ______________________________________________ Prof. Ricardo Eduardo Musafir, D.Sc. ______________________________________________ Eng. Paulo Medeiros Massarani, D.Sc. ______________________________________________ Prof. Nelson Velho de Castro Faria, Ph.D RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL OUTUBRO DE 2014 iii Lopes, Guilherme de Sá Valadão Utilização de reflectometria acústica na detecção de obstruções em dutos / Guilherme de Sá Valadão Lopes – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2014. VIII, 95 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto Dissertação (Mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Mecânica, 2014. Referências Bibliográficas: p. 64-66. 1. Acústica. 2. Identificação de obstruções. 3. Ensaio Não destrutível. I. Pinto, Fernando Augusto de Noronha Castro. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Mecânica. III. Título. iv Agradecimentos Agradeço a todos que me ajudaram na elaboração do texto, experimentos e na análise dos resultados. Ao meu orientador, Prof. Fernando Castro Pinto pela indicação do tema e pela confiança que sempre depositou em mim, ao Prof. Ricardo Musafir pelas aulas sempre empolgantes e por toda a ajuda teórica-filosófica, ao Eng. Paulo Massarani pelos comentários que ajudaram a enriquecer a dissertação. Ao Prof. Nelson Faria e à Ginette Jalbert que foram muito importantes para minha formação acadêmica, me incentivam e sempre estiveram dispostos a ajudar. Aos meus pais e à minha família que me ajudaram muito nos últimos anos, e incluindo nessa lista, meu amigo Guilherme Pedroto pelas diversas conversas sobre acústica, música e diversos outros temas e à Isabela Justiniano Simão, cuja presença e ajuda foram essenciais em todos os quesitos para que o trabalho fosse concluído. v Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) UTILIZAÇÃO DE REFLECTOMETRIA ACÚSTICA NA DETECÇÃO DE OBSTRUÇÕES EM DUTOS Guilherme de Sá Valadão Lopes Outubro/2014 Orientador: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto Programa: Engenharia Mecânica Nesse trabalho é estudada a utilização do método da reflectometria de pulso acústico (RPA) para a detecção de alterações, tanto obstruções como furos, em tubulações. A RPA consiste na sondagem da tubulação via pulsos acústicos utilizando alto-falante e microfones. Um pulso é emitido e suas reflexões são medidas por um conjunto de microfones instalados na parede da tubulação. Ao se comparar os tempos de medição dos pulsos emitido e refletido, têm-se uma indicação da distância entre o microfone e a seção geradora da reflexão, ou seja, onda há a descontinuidade na impedância acústica da tubulação. Divide-se virtualmente a tubulação em diversos trechos de comprimentos iguais e foi calculada a refletância para todos os trechos. As refletâncias são desprezíveis onde não há nenhuma modificação na impedância acústica, ao contrário do que é observado nos locais onde há algum defeito na tubulação. Foram avaliados quatro sistemas distintos de tubulação. Como diferenciais, em relação aos trabalhos anteriores, podem ser destacados a identificação das direções de propagação das ondas via análise multicanal e a obtenção do coeficiente de refletância para toda a tubulação. Com a adição desses dois pontos pretendeu-se obter uma metodologia de avaliação e identificação de múltiplas anomalias na parte interna da tubulação, localizadas em quaisquer posições ao longo do sistema. vi Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfilment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) USAGE OF ACOUSTIC PULSE REFLECTOMETRY FOR THE DETECTION OF OBSTRUCTIONS IN DUCTS Guilherme de Sá Valadão Lopes October/2014 Advisor: Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto Department: Mechanical Engineering This work presents a study of the usage of acoustic pulse reflectometry (APR) for the detection of modifications in pipes, such as holes, obstructions and fouling. The APR method consists of duct scanning by acoustic pulses. A known pulse is injected in a given duct system and the reflections generated are recorded by microphones installed in the duct walls. By comparing the time difference between the emitted and reflected pulses, it is possible to calculate the position of the defect. To evaluate the presence of anomalies on the diameter, the given duct system was virtually divided in equal length tubes and sound reflection coefficients were calculated for each small partition. Those coefficients will exist only in the sections where there are differences in the acoustic impedance and therefore having a cross section discontinuity. Four different systems were evaluated with this methodology in order to confirm the presence of defects. The major differences of this work, when compared to the past projects, are the usage of multi-channel analysis for the identification of wave directions and the calculation of Sound Reflection coefficients for the whole system. The goal on the adoption of these two points was to obtain an analysis procedure to discover the position and to identify multiple anomalies occurring on piping systems. vii Sumário 1. Introdução.................................................................................................................. 1 1.1. A Indústria de Petróleo ...................................................................................... 1 1.2. Acústica Aplicada .............................................................................................. 2 1.3. Objetivo ............................................................................................................. 3 1.4. Estrutura do trabalho .......................................................................................... 3 2. Teoria e Revisão Bibliográfica .................................................................................. 4 2.1. Ensaios acústicos em guias de onda .................................................................. 4 2.2. Propagação unidimensional de ondas em dutos com seção transversal variável6 2.2.1. Avaliação de uma tubulação sem descontinuidades ................................... 7 2.2.2. Avaliação da Reflexão de uma mudança na impedância ........................... 8 2.3. Revisão histórica da Reflectometria de Pulso Acústico (RPA) ....................... 10 2.4. Processamento de Sinais ..................................................................................11 2.4.1. Janelamento do sinal medido .................................................................... 11 2.4.2. Adição de zeros (Zero padding) ............................................................... 12 2.4.3. Sobreposição de blocos (Overlapping) .................................................... 13 2.4.4. Média Síncrona Temporal (MST) ............................................................ 14 2.4.5. O Espectrograma ...................................................................................... 14 3. Metodologia de Medição e Análise ......................................................................... 17 3.1. Obtenção da Resposta Impulsiva ..................................................................... 17 3.2. Identificação dos Pulsos Refletidos e localização da alteração ....................... 19 3.3. Divisão do sinal medido ou tubulação analisada. ............................................ 21 3.4. Calculo das Refletâncias ao longo da tubulação .............................................. 22 4. Sistemas analisados ................................................................................................. 24 4.1. Aparato Experimental ...................................................................................... 24 4.1.1. Parâmetros utilizados nas Medições ......................................................... 25 4.2. Descrição dos Sistemas analisados .................................................................. 25 4.2.1. Medição do Sistema #1 – Tubulação sem alterações ............................... 26 4.2.2. Medição do sistema #2 – Válvula de esfera ............................................. 28 4.2.3. Medição do sistema #3 – Câmara de Expansão ....................................... 30 4.2.4. Medições do Sistema #4 – Obstruções concêntricas ................................ 31 4.2.5. Resumo das Medições realizadas ............................................................. 32 5. Resultados das Medições e Análise do Sistema de Tubulações.............................. 34 viii 5.1. Sistema de Tubulações #1 – Tubulação sem “defeitos” .................................. 34 5.1.1. Sistema com terminação aberta ................................................................ 34 5.1.2. Sistema com terminação fechada ............................................................. 40 5.1.3. Sistema com terminação anecóica ............................................................ 42 5.2. Sistema de Tubulações #2 – Tubulação com Válvula de Esfera ..................... 44 5.2.1. Válvula Aberta (0°) .................................................................................. 44 5.2.2. Válvula na Posição 1 – Ligeiramente Fechada (~20°) ............................. 47 5.2.3. Válvula na Posição #2 – Fechamento Intermediário (~45°)..................... 49 5.2.4. Válvula na Posição 3 – Ligeiramente aberta (~70°) ................................. 52 5.2.5. Válvula Fechada (90°) .............................................................................. 54 5.3. Sistema de Tubulações #3 – Câmara de Expansão .......................................... 56 5.4. Sistema de Tubulações #4 – Obstruções concêntricas ..................................... 58 5.5. Avaliação dos Resultados Obtidos .................................................................. 59 5.5.1. Avaliação da Localização das alterações na tubulação. ........................... 59 5.5.2. Avaliação do Aumento da área obstruída. ................................................ 60 5.5.3. Avaliação do aumento do comprimento obstruído ................................... 60 5.5.4. Avaliação da relação entre Refletância e Obstruções ............................... 61 6. Considerações finais e trabalhos futuros ................................................................. 62 6.1. Considerações Finais ....................................................................................... 62 6.2. Melhorias e Trabalhos Futuros ........................................................................ 63 Bibliografia ..................................................................................................................... 64 APÊNDICE A Código computacional elaborado para a análise .................................... 67 APÊNDICE B Figuras selecionadas do Sistema #4 Obstrução do 4º spool .................. 77 1 1. Introdução 1.1. A Indústria de Petróleo Há mais de um século o petróleo é uma das principais matérias primas utilizadas em todo o mundo. Seus derivados não se limitam apenas aos combustíveis, inúmeros outros produtos são utilizados nas mais diversas aplicações. Contudo, basta analisar o consumo de combustíveis e a geração de energia para se constatar que mundialmente há uma grande dependência ao petróleo. Segundo [1], 57% dos combustíveis consumidos no mundo são provenientes de reservas de petróleo e gás. No Brasil esse número é de 56%. E avaliando a geração de energia, em [2] afirma-se que no Brasil 39,3% da oferta de energia é originaria do Petróleo e seus derivados. A Figura 1 mostra a fontes de energia e o consumo de combustíveis no mundo e no Brasil. As empresas que atuam no setor de óleo e gás têm investido muito no aumento da disponibilidade de energia para suprir a demanda crescente da população mundial. Além disso, existe um continuo interesse no aumento da lucratividade em toda a cadeia produtiva. Em função disso, grandes desenvolvimentos vêm sendo feitos para melhorar, por exemplo, o desempenho, a segurança e a facilidade de manutenção dos equipamentos e das instalações de produção de petróleo. Figura 1 - Consumo de combustíveis no Brasil e no mundo, dados retirados de [1] Esses investimentos levaram a um aumento significativo da produtividade durante os últimos 50 anos. Na indústria de petróleo moderna é comum encontrar unidades produzindo 100 mil barris por dia. Então, a interrupção da atividade produtiva Oil 33% Natural Gas 24% Coal 30% Nuclear Energy 4% Hydro electric 7% Renew- ables 2% 2012/13 - Consumo de Combústiveis no mundo Oil 46% Natural Gas 10% Coal 5% Nuclear Energy 1% Hydro electric 34% Renew ables 4% 2012/13 - Consumo de Combustíveis no Brasil 2 por apenas meio dia resultaria em perdas de alguns milhões de dólares, visto que, no atual cenário, os preços do petróleo estão na casa de 100 dólares por barril. Em geral, na indústria de óleo e gás, são utilizados dutos para transportar tanto a matéria prima, petróleo bruto e gás, quanto os produtos obtidos no tratamento do óleo e a ocorrência de alterações nos sistemas de tubulação utilizados podem trazer diversos problemas. Por isso, diversos estudos vêm sendo feitos para detectar e resolver esses problemas, sendo a análise das variações das propriedades acústicas da tubulação uma das ferramentas para tanto. 1.2. Acústica Aplicada A acústica musical estuda, entre outros temas, os parâmetros construtivos de instrumentos musicais. Procura-se entender como uma determinada geometria e material de um instrumento se relacionam com os parâmetros acústicos daquele instrumento. Simplificadamente pode-se considerar que instrumentos musicais são sistemas de tubulação. Portanto, é possível se utilizar das ferramentas desenvolvidas pela acústica musical para analisar tubulações industriais ao invés de instrumentos musicais. Para instrumentos de sopro , segundo [3], os principais parâmetros são o perfil de diâmetros interno e a razão entre a pressão acústica e a vazão volumétrica de ar na entrada do instrumento, a chamada “impedância de entrada” (input impedance). Ao avaliar essas duas variáveis para diferentes instrumentos, pode-sedescrever a diferença entre as construções e os sons resultantes. É possível ainda, obter diversos outros parâmetros acústicos que também o caracterizam. Diversos métodos foram desenvolvidos e adaptados para medir essas quantidades. Dentre eles, a Refletometria de Pulso Acústico (RPA, ou APR em inglês), também chamada de ensaio acústico ou ensaio Pulse-Echo, mostra-se interessante por ser um método não destrutivo e que permite a medição em locais não acessíveis. A RPA é um método que se baseia na comparação entre os pulsos incidentes e refletidos. A partir das diferenças nos tempos de vôo, ou de percurso, das formas e das amplitudes dos pulsos é possível identificar onde são geradas as reflexões, obter diversos parâmetros acústicos e também reconstruir o perfil dos diâmetros internos dos instrumentos. 3 1.3. Objetivo Essa dissertação se propõe a estudar a utilização da RPA para detectar obstruções, furos e outras alterações que tubulações (de petróleo, água, gás e etc.) possam sofrer, gerando dados para serem utilizados no desenvolvimento de sistemas de monitoramento instalados diretamente nas tubulações ou em equipamentos portáteis que possam ser utilizados para avalia-las externamente. Devido à possibilidade de se fazer avaliações remotas e não destrutivas, a RPA pode ser utilizada para realizar inspeções periódicas em tubulações sem a necessidade de se esvazia-las, ou seja, sem a necessidade de uma parada na operação da unidade. Assim sendo, a utilização dessa técnica se mostra interessante para diversas aplicações industriais, especialmente na indústria petrolífera. 1.4. Estrutura do trabalho Essa dissertação está dividida em 6 capítulos. O Capítulo 1 é a introdução, nele é exposta a motivação do estudo, o contexto em que presente trabalho se situa, a técnica utilizada na avaliação das tubulações e os objetivos pretendidos. No Capítulo 2 é apresentada a teoria em que se baseia o método, os diferentes ensaios realizados em tubulações e as diferentes técnicas de processamento de sinais utilizadas no aprimoramento das respostas obtidas. O Capítulo 3 descreve a metodologia utilizada na análise experimental, o pós- processamento, e a obtenção dos resultados. No Capítulo 4 são mostradas as diferentes configurações de tubulação utilizadas nas medições. O Capítulo 5 apresenta os sinais medidos, espectrogramas e refletância obtidos a partir da avaliação feita e analisa as diferentes indicações da presença de alterações nas tubulações avaliadas. O Capítulo 6 contém as conclusões, avalia-se o cumprimento dos objetivos propostos, que melhorias podem ser empregadas para obter respostas mais confiáveis e sugestões que trabalhos futuros. 4 2. Teoria e Revisão Bibliográfica Antes de abordar a teoria, é necessário frisar que a Refletometria de Pulso Acústico é uma técnica utilizada para analisar guias de onda a partir da relação entre pulsos emitidos e as reflexões geradas pelo sistema avaliado. Ela é baseada nas propriedades de propagação de ondas em dutos com seção transversal variável, que será, portanto, a teoria fundamental exposta neste capítulo. Outros tópicos importantes mencionados no capítulo são: • Histórico e objetivos de ensaios acústicos em dutos • Revisão da RPA • Técnicas de Processamento de Sinais 2.1. Ensaios acústicos em guias de onda Ao longo dos anos, diversas técnicas foram desenvolvidas para se obter os mais variados parâmetros característicos em dutos e tubulações. Nesse item é feito um breve resumo de algumas diferentes técnicas, suas limitações, vantagens, parâmetros medidos e resultados obtidos. Normalmente, os objetos de estudo dos quais se levantam as informações são os diversos equipamentos comumente instalados em dutos e tubulações, como abafadores, silenciadores [4] e ressonadores de Helmholtz [5], ou para a obtenção de coeficiente de absorção sonora em [6] e [7]. Já em [8] há interesse em redes complexas de tubulações e nas características de atenuação sonora que essas redes geram, mas novamente não há interesse específico nas características de propagação no duto e na localização de defeitos na tubulação. Em [9] se estudam as características da propagação em tubos como filtros acústicos, mas apenas com interesse nas características de decaimento sonoro ao longo da tubulação e não nas reflexões geradas pelas mudanças nas condições internas do sistema. Nos artigos citados no ultimo parágrafo, são feitas análises em regime permanente, ou seja, considerando a geração continua do sinal em uma extremidade da tubulação, com o objeto de interesse do estudo posicionado ao longo da tubulação e na outra extremidade uma terminação anecóica, ou seja, que é construída para evitar reflexões. Nesse método os microfones são posicionados antes e depois da amostra 5 (método de duas cargas, duas fontes ou outros). Esse aparato experimental é ilustrado na Figura 2 Figura 2 - Esquema de medição com amostra entre microfones estáticos. Outro método clássico de medição posiciona o objeto de estudo na extremidade da tubulação e utiliza ou um microfone móvel (método das ondas estacionarias) ou dois microfones fixos (método da função de transferência) posicionados entre alto-falante e a amostra, como a Figura 3 ilustra. Figura 3 - Esquema de medição com amostra em uma terminação. Miles, [10], [11] e [12] obtém equações para calcular a onda refletida devido a mudanças na seção transversal em dutos circulares, mas a abordagem proposta utiliza os valores de pressão acústica nas proximidades da mudança de seção. Esse fato impossibilita o seu uso para a localização dos obstáculos em linhas de transporte de óleo, água ou de outros insumos com sistemas embarcados de medição, ou seja, aqueles com sensores em posições fixas. Já na década de 70, em [13] é utilizada uma técnica similar a RPA para se evitar o problema da confecção da terminação anecóica. Além disso, são utilizadas janelas para isolar os pulsos incidente, refletido e transmitido. Então, calculando o auto- espectro e o espectro cruzado das ondas incidente e transmitida consegue-se estimar a perda na transmissão de silenciadores. 6 Em [14] utiliza-se medições de pressão acústica e vazão em um sistema excitado por varreduras de seno de curta duração. São feitas medições consecutivas em intervalo suficiente para que as reflexões na tubulação decaiam para níveis próximos ao do ruído de fundo. São calculadas, então, médias síncronas temporais para aumentar a relação sinal/ruído e determinar os parâmetros das matrizes de transferência. Apesar de essas técnicas clássicas gerarem resultados e parâmetros úteis para diversas aplicações, a utilizada em [13] se mostra satisfatória quanto à facilidade na geração, medição e interpretação dos dados (pós-processamento) para a localização de alterações na tubulação. As medições com pulsos acústicos para sondagem de tubulações se difundiram e são utilizadas em diversos outros trabalhos, recebendo então o nome de reflectometria de pulso acústico, sendo, também, utilizada em aplicações menos tradicionais. Por exemplo, na medicina, essa técnica auxilia na detecção de alterações no trato vocal e vias respiratórias, [15] [16] [17], no ouvido, [18] [19] [20], assim auxiliando no diagnóstico das doenças que tem essas anomalias como sintomas. Já na indústria, destaca-se sua utilização na detecção furos em tubulações de gás, [21] e, para inspecionar trocadores de calor [22] [23]. 2.2. Propagação unidimensional de ondas em dutos com seção transversal variável Como mencionado no item anterior, é a equação da propagação de ondas em dutos com seção transversal variável que fundamenta a RPA. Nesse estudo, será utilizada apenas a sua forma unidimensional, que segundo [24], pode-se obteressa equação a partir das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e de energia: � ���� = −�� � � ��� (1) �� ���� = − � � (2) � = ����′ (3) onde � é a massa específica, �� a massa específica média, � a área da seção transversal, � a velocidade de partícula, a pressão acústica, �� a velocidade do som no meio, a coordenada espacial, � a temporal e � �′ as variações acústicas de e �. 7 Deriva-se a primeira equação no tempo, a segunda no espaço e somam-se as duas equações, e depois se substitui a terceira para eliminar o ρ. Assim é obtida a equação unidimensional de propagação de ondas com seção transversal variável, como vista em [25], pagina 609 e em [24], pagina 72: 1 ��� �� ′ , �� ��� − 1 � � � � �� � � ′ , �� � � = 0 (4) É interessante, ainda, abrir o segundo termo da equação para reescrevê-la da forma: 1 ��� ∂�p′ x, t� ∂t� − ∂�p′ x, t� ∂x� − 1 A x� ∂A x� ∂x ∂p′ x, t� ∂x = 0 (5) Essa equação tem solução analítica apenas para alguns casos de variação de seção, por exemplo, seção exponencial. Para outros casos a solução passa a ser apenas numérica. Alguns desses casos são tratados em [25], capítulo 15, item 3, outros casos são mostrados em [26], [27] e diversos outros artigos. Mas, em geral, as soluções obtidas só funcionam bem para seções transversais sem mudanças abruptas. Já para sistemas com seções transversais complexas, a metodologia de análise costuma ser a divisão da tubulação em diversos trechos de seção transversal constante ou variável de forma conhecida, avalia-se então a compatibilidade das soluções com as condições nas interfaces do sistema em estudo, como visto em [28]. A Figura 4 mostra uma seção transversal complexa seccionada em diversos trechos. Figura 4 - Seção transversal complexa seccionada. Adaptada de [28] 2.2.1. Avaliação de uma tubulação sem descontinuidades Antes de analisar o sistema de forma seccionada, é necessário entender as soluções dentro de cada um dos trechos. Considera-se, para simplificar a equação (5), 8 que não há mudanças de seção em cada trecho, como visto em [25], capítulo 3. Com isso, obtêm-se apenas os dois primeiros termos da equação (5) que é a equação unidimensional de propagação de ondas com seção transversal constante: 1 ��� �� ′ , �� ��� − �� ′ , �� � � = 0 (6) que tem como solução geral a expressão: ′ , �� = � − ��� + � + ��� (7) Os dois termos da solução representam ondas propagando em direções distintas, uma delas na direção crescente de x e outra na direção decrescente de x. Em cada trecho reto é assumida a presença dessas duas soluções e é a compatibilidade entre as soluções nas interseções que fornecerá a resposta completa. 2.2.2. Avaliação da Reflexão de uma mudança na impedância A avaliação da propagação da onda nos limites de cada um dos trechos é realizada ao se considerar um subdomínio do problema, como o mostrado na Figura 5. A partir das condições de contorno calculam-se as expressões das ondas incidente e refletida nos trechos de área � e !. Figura 5 - Descontinuidade na seção transversal, retirado de [28] Na interseção entre os dois trechos pressão e velocidade devem ser contínuas, essas relações podem ser escritas como: �" = #�"$% &'()*� �( = #�($% &'")*� !" = #!"$% &'()*� 9 �" + �( = !" (8) +�" + +�( = +!" (9) onde, +%± e #%± representam a vazão volumétrica e a pressão na seção i e referentes às ondas propagando nas direções positiva ou negativa do eixo x. Dividindo-se uma equação pela outra e usando a definição de impedância acústica: -% = %+%± = � �� % (10) obtém-se então: �" + �( �" − �( = -!-� (11) Que pode ser reescrita para se explicitar o coeficiente de reflexão sonora .: |.�,!| = � " �( = -! − -�-! + -� = � − ! � + ! (12) Como exemplo, é mostrado na Figura 6 o coeficiente de reflexão sonora para razões entre os diâmetros de dutos circulares 0!/0�� e entre áreas !/ ��. Figura 6 - Relação entre a refletância e área ou diâmetro de passagem 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100% In d ic id e d e R e fl e xã o S o n o ra ( r) Percentual livre da seção transversal Relação entre áreas Relação entre Diâmetros 10 A partir da expressão do coeficiente de reflexão e do conhecimento dos valores de pressão acústica incidente e refletida é possível obter uma relação entre as áreas a montante e jusante da interseção. A Tabela 1 mostra a amplitude refletida de um pulso unitário gerada em interseções com diferentes razões de áreas da seção transversal. Tabela 1 - Valores de Pico das Reflexões para diferentes obstruções Amplitude do Pulso refletido para diferentes seções livres 23/24 95% 90% 85% 80% 70% 60% 55% 50% 45% 40% 30% 20% 10% 5% p [Pa] 0.05 0.10 0.16 0.22 0.34 0.47 0.54 0.60 0.66 0.72 0.83 0.92 0.98 1.00 NPS [dB] 68.2 74.4 78.1 80.8 84.7 87.4 88.6 89.5 90.4 91.2 92.4 93.3 93.8 93.9 2.3. Revisão histórica da Reflectometria de Pulso Acústico (RPA) Em [29] e [3], são feitas boas revisões históricas da Reflectometria de Pulso Acústico, assim, o presente trabalho se limita a expor apenas os pontos mais importantes. Primeiramente, a RPA é utilizada para sondagem das características de uma tubulação, sendo baseada em dois princípios, como visto em [30]: I. Geração de reflexões devido às mudanças de impedância II. Diferentes reflexões são geradas por diferentes das mudanças de impedância Em toda a literatura pesquisada é atestado que Ware & Aki, [31], foram os pioneiros ao propor a RPA em para a avaliação do problema inverso da propagação de ondas planas em meios estratificados. Para obter uma solução do problema direto a abordagem teórica utilizada foi realizar mudanças de variáveis para transformar a equação de onda numa equação de Schrödinger unidimensional, de solução analítica já conhecida. Já quanto ao problema inverso, a partir do seccionamento do domínio em trechos com tempos de percurso constante e da obtenção das refletâncias nas interseções dos mesmos que são obtidas as respostas das equações. A abordagem experimental proposta por Ware & Aki foi a sondagem de um sistema através de pulso acústico e a gravação das reflexões geradas. Durante a década de 70 essa abordagem foi utilizada em diversos trabalhos, conforme lista em [3], mas tendo como objetivo a obtenção dos perfis em tratos vocais e vias aéreas. Já no inicio da década de 80 a RPA começa a ser utilizada para a medição de instrumentos de sopro, também utilizando pulsos acústicos. 11 Todavia, em alguns casos, a relação sinal-ruído obtida com a mera utilização de pulsos não era favorável. Assim, melhorias foram feitas para obtenção de respostas impulsivas de maior qualidade, algumas delas expostas em [32], são também utilizadas em medições de resposta impulsiva em salas. O objetivo de se utilizar a RPA na acústica musical é a reconstrução da seção transversal dos instrumentos. Porém, essa abordagem não se torna necessária para a detecção de defeitos em tubulação, [21], bastando então, obter os coeficientes de reflexão sonora a partir da resposta impulsiva. A Figura 7 ilustra uma resposta impulsiva obtida experimentalmente, mostrando o pulso emitido e as reflexões gerados pelo sistema estudado. Figura 7 - Exemplo de resposta impulsiva com as reflexões Através do tempo de percurso (travel time) e da velocidade do som no meio, pode-se descobrir a distância entre o elemento sensor e a alteração no sistema causador da reflexão. Mais adianteserão detalhadas as expressões utilizadas na localização dos defeitos nas tubulações. Todavia, devido às diversas fontes de incerteza de medição, é necessária a aplicação de técnicas de processamento de sinais para que sejam obtidos resultados satisfatórios na análise utilizando a RPA. 2.4. Processamento de Sinais Nesse item são discutidas as técnicas de processamento de sinais utilizados durante a análise para, entre outras coisas, melhorar a interpretação dos resultados. 2.4.1. Janelamento do sinal medido A utilização das chamadas “Janelas” (multiplicação do sinal original por uma curva de ponderação) é bem difundida em acústica e tem como objetivos evitar o 12 “leakage” (como visto em [33] e [34]) e separar diferentes intervalos de um sinal. No presente trabalho, as janelas foram utilizadas para realizar a separação de pulsos emitido e refletido ao longo de toda a tubulação. Em geral, podem-se caracterizar as janelas, como visto em [21], por dois parâmetros, o número de amostras, 56'7 e a sua curva de ponderação (ver Figura 8). 2.4.2. Adição de zeros (Zero padding) A adição de zeros foi adotada para melhorar a resolução em frequência obtida na análise espectral do sinal. Ao adicionar um vetor de zeros ao final do sinal original, aumenta-se virtualmente o número de amostras, e consequentemente, a resolução em frequência melhora. 8� = �9:/56'7 (13) onde 8� é a resolução em frequência, �9: a frequência de aquisição do sinal e 56'7 o número de amostras do sinal. A Figura 8 ilustra a utilização de uma janela do tipo tukey (curva vermelha) com 300 amostras e a adição 300 zeros ao final dessa janela. Figura 8 - Ilustração do Janelamento e da Adição de Zeros em um Sinal Para fins de elaboração em códigos computacionais são definidos o fator de adição de zeros (ZPF), a partir do número de amostras adicionadas (>6'7), como sendo: -#? = >6'7/56'7 (14) 13 2.4.3. Sobreposição de blocos (Overlapping) Em algumas ocasiões é necessário aumentar o número de médias que estão sendo feitas de um determinado sinal. Quando não é possível realizar novas medições com uma duração maior, o procedimento mais difundido é a adoção de sobreposição entre os blocos. Assim segundo, [33], capítulo 7, consegue-se reduzir os erros aleatórios nas medições. Porém, existem outras possibilidades da utilização de blocos com sobreposição. Neste trabalho a sobreposição dos blocos foi utilizada com dois objetivos, o primeiro sendo diminuir a resolução espacial e o segundo garantir que as janelas contenham as diferentes reflexões geradas no sistema de tubulações. A Figura 9 mostra três blocos com sobreposição de cerca de 90% do bloco e com adição de zeros no final dos blocos. Figura 9 - Ilustração de Blocos com uma grande sobreposição A sobreposição dos blocos foi definida a partir do número de amostras sobrepostas, mas poderia ser também definida a partir do deslocamento no sinal. Podem-se definir, então, os fatores de deslocamento do sinal (ΔA) e de sobreposição (BC?) como: ΔA = 5DEF97/56'7 (15) BC? = G6'7/56'7 (16) 14 com nIJKLM sendo o número de amostras novas, oOPM o número de pontos sobrepostos. Essas duas formulações são equivalentes, como se pode ver na equação 17: BC? + ΔA = 5DEF97 + G6'756'7 = 1 (17) 2.4.4. Média Síncrona Temporal (MST) Médias Síncronas temporais são utilizadas quando se está medindo algum fenômeno periódico e se quer melhorar a relação sinal ruído. Assim, medem-se diversas ocorrências (ver Figura 13), e, por meio de “gatilhos” (Figura 12) as diversas ocorrências são sincronizadas. É então feita a média temporal desses vários sinais no tempo para obter a MST daquele conjunto de eventos, como visto na Figura 14. 2.4.5. O Espectrograma O espectrograma é uma das ferramentas utilizadas quando se deseja realizar análises tempo-frequência. Em [33] é mostrado que existem diversas formas de se obter um espectrograma. Os primeiros espectrogramas eram obtidos com a utilização de um banco de filtros passa banda e os espectros mostrados ao longo do tempo. Outras maneiras de se obter uma análise tempo-frequência são a utilização das chamadas transformadas de Fourier de curta duração (Short-Time Fourier Transforms, STFT), transformada de Wiegner-Ville ou a utilização de wavelets. Nesse trabalho são utilizadas as STFTs com janelas tukey móveis, sobreposição e adição de zeros para melhorar a resolução em frequência e a resolução espacial. Os principais parâmetros em um espectrograma são a resolução temporal (ou espacial) e em frequência. Porém, há um compromisso entre essas duas resoluções, que segundo [33] é conhecido por princípio da incerteza. 2.4.5.1. Resolução Temporal (QR) e Espacial (QS) O espectrograma utilizando as STFTs é obtido a partir da divisão do sinal em vários trechos e do cálculo dos espectros de cada um. Assim, dada uma frequência de aquisição de dados e um número de amostras do sinal medido, obtêm-se a resolução temporal do espectrograma, que pode ser calculada utilizando-se a equação: 8T = 56'7�9: (18) 15 A utilização de overlapping resulta em uma diminuição na resolução temporal de 8T para 8TEFUVW966%DX. Os espectros passam a ser calculados a cada deslocamento de (G6'7) amostras na janela. 8TEFUVW966%DX = G6'7�9: (19) Além da resolução temporal pode-se falar também em resolução espacial. Para a presente aplicação é mais interessante pensar na última, pois representa a distância de cada seção de tubulação analisado A expressão para calcular a resolução espacial é: 8C = ��. 8T (20) 8CEFUVW966%DX = ��. G6'7�9: (21) 2.4.5.2. Resolução em Frequência (QZ) A resolução em frequência é o espaçamento entre cada valor em frequência no espectro obtido. Normalmente ela pode ser calculada a partir de: 8� = �9:56'7 (22) A adição de um vetor de zeros no final do sinal altera a resolução em frequência para δf�OL] a partir do aumento de amostras na janela em que será calculado o espectro. 8��69^ = �9:56'7 + >6'7 (23) 2.4.5.3. Relação entre a Resolução Temporal e em Frequência Analisando as resoluções em frequência e temporal, ou espacial, percebe-se que elas estão relacionadas da seguinte forma: 8� = 18T = ��8C (24) Assim, ao aumentar a resolução temporal, para uma boa localização de um determinado fenômeno, perde-se informação no domínio da frequência, e vice-versa. A Figura 10 exemplifica essa situação para uma varredura de senos em uma tubulação. A primeira imagem mostra o espectrograma com uma resolução em frequência pequena, enquanto na segunda imagem é mostrada uma pequena resolução espacial. Já na Figura 16 11 é mostrado o espectrograma do mesmo sinal com resoluções em frequência e temporal ajustadas o suficiente para se observar melhor o sinal medido. Figura 10 - Exemplificando a relação entre resolução em frequência e espacial (eixo de frequências na vertical e eixo temporal na horizontal) Figura 11 - Espectrograma com resolução temporal e em frequência adequadas (eixo de frequências na vertical e eixo temporal na horizontal) Fr eq uê n ci a [H z] Fr eq uê n ci a [H z] Tempo [s] Tempo [s] 17 3. Metodologia de Medição e Análise Este capítulo descreve os passos executados na análise dos sistemas de tubulação avaliados nessa dissertação. São eles: I. Obtenção da Resposta Impulsiva (IR) do sistema. II. Identificação dos Pulsos refletidos e localização da seção obstruída. III. Cálculo das Refletâncias ao longo da tubulação. A primeira etapa para a análise é a obtenção da IR, como mostrado em [21], ela fornece informação sobre as reflexões geradas pelas tubulações a serem analisadas,e a partir dela são obtidos outras informações importantes para a análise, os espectrogramas e coeficientes de refletância. 3.1. Obtenção da Resposta Impulsiva A IR dos sistemas analisados nessa dissertação foi obtida a partir da média síncrona temporal (MST) do sinal dos microfones. O procedimento utilizado foi: I. Gerador de sinais emite pulsos a cada 500 ms (ver Figura 12) II. O sinal dos microfones é gravado por ao menos 30 s (ver Figura 13). III. Usa-se um “Trigger” para separar os diversos pulsos medidos. IV. É feita a MST dos pedaços obtidos no passo III (ver Figura 14). Figura 12 - Pulsos emitidos a cada meio segundo pelo Gerador de Sinais durante 15 segundos 18 Figura 13 - Resposta do sistema gravada pelos microfones – 10 segundos de sinal Figura 14 - Resposta Impulsiva de uma tubulação, após a média síncrona temporal. 19 3.2. Identificação dos Pulsos Refletidos e localização da alteração Sabendo-se as posições relativas entre microfones e alto-falante é possível determinar o sentido de propagação da onda, ao comparar a ordem de ocorrência dos pulsos no sinal dos diferentes microfones. É o que se verifica na Figura 15. Figura 15 - Ordem de chegada dos sinais nos microfones para as reflexões Em azul no primeiro gráfico está o sinal do gerador, e o primeiro evento é a emissão do pulso pelo gerador. O segundo evento ocorre depois do tempo referente à distância entre alto-falante e microfones, sendo o pulso acústico acontecendo no microfone #1, e depois nos microfones consecutivos. Quando há reflexão há a mudança na direção de propagação e consequentemente na ordem de medição, como se vê na Tabela 2 e Figura 16. Tabela 2 - Tempos de detecção dos pulsos emitido e refletido Microfone #1 #2 #3 #4 Detecção do Pulso [ms] 2.461 2.617 6.582 7.207 Detecção da Reflexão [ms] 13.26 13.11 11.07 10.45 20 Figura 16 - Detalhe da passagem e reflexão dos pulsos A inversão da ordem de chegada do pulso é muito clara e com isso a identificação da direção de propagação daquele trecho do sinal é obtida. Entretanto, ainda é necessário identificar em que posição da tubulação aquela reflexão foi gerada. A IR do sistema nos fornece o atraso, diferença nos tempo de percurso, entre o pulso emitido e as diversas reflexões geradas. A distância pode então ser calculada a partir da velocidade do som e dessa diferença. Levando-se em conta que o tempo de percurso se refere à ida e à volta do pulso na tubulação, obtém-se: Δ� = Δ �� = 2 V − `��� (25) onde Δ� é o intervalo entre a medição do pulso e da reflexão, V, ` são as posições do defeito e do microfone, e se considerarmos essa ultima como posição zero, temos: V = ��. Δ�2 (26) 21 Pode-se então transformar o eixo temporal dos gráficos em um eixo de posição. Consequentemente, a distância relativa entre as alterações nas tubulações e os microfones é facilmente calculada. 3.3. Divisão do sinal medido ou tubulação analisada. Em [21] a IR é separada em apenas dois pedaços por meio de janelas. É feita, ainda, a adição de um vetor de zeros para melhorar a resolução em frequência. Então é feita a transformada de Fourier dos dois pedaços e, por fim, é calculada a refletância. No presente trabalho, pretende-se avaliar, simultaneamente, diversos trechos da tubulação. Assim, serão utilizadas várias janelas móveis para separar os diversos trechos da resposta impulsiva, o que permite calcular as refletâncias dos diferentes trechos do sinal. A Figura 17 mostra os diversos blocos gerados por janelas móveis. Percebe-se que não são todos os blocos que contêm uma reflexão completa e por isso passa-se a utilizar blocos com sobreposição. Figura 17 - Divisão da Resposta impulsiva em blocos estruturados É interessante analisar a tubulação em trechos pequenos, a cada meio metro, por exemplo, e devido à largura do pulso emitido, isso só é possível quando são utilizados blocos com sobreposição. Como a resolução em frequência diminui com a redução no tamanho dos blocos, torna-se necessária também a utilização da técnica de adição de zeros. No capítulo 4 serão expostos os valores utilizados para o número de zeros adicionados e para o número de amostras superpostas em cada um dos blocos. 22 3.4. Calculo das Refletâncias ao longo da tubulação Após a identificação dos pontos geradores de reflexões e da separação do sinal em diversos blocos, devem-se analisar as refletâncias de cada trecho do sistema para que seja possível identificar o tipo de alteração encontrada na tubulação. Os coeficientes de refletância de todos os trechos da tubulação são calculados a partir da expressão: .a(% = .bc, VUdWU'%^E| %De%^UD'Uf = %a %% = #% ⋅ #a∗#% ⋅ #%∗ + i (27) com j sendo o bloco equivalente a um determinado trecho da tubulação, k sendo o bloco do pulso incidente, %a o espectro cruzado, %% o auto-espectro, #% e #a as transformadas de fourier das das respectivas janelas, #%∗ e #a∗ os complexos conjugados das transformadas e i sendo um resíduo para evitar a divisão por zero. Obtidos, então, os coeficientes de reflexão em frequência ao longo da tubulação escolhe-se apresenta-los como uma superfície tridimensional como a mostrada na Figura 18 ou como linhas de contorno de mesma refletância, como mostrado na Figura 19 Figura 18 - Superfície de Refletância ao longo da tubulação 23 Figura 19 - Refletância em Linhas de contorno Resumindo, as etapas para a obtenção das refletâncias ao longo de toda tubulação são: • Medição da Resposta Impulsiva: o Emissão de Pulsos a cada 500 ms o Calculo da Média Síncrona Temporal • Cálculo das Refletâncias no Sistema analisado: o Identificação dos pulsos emitido e refletidos o Localização dos defeitos na tubulação o Divisão da IR pelas janelas (com zero padding e overlapping). o Cálculo das transformadas de Fourier. o Cálculo das Refletâncias O código, elaborado no MATLAB, para realizar os cálculos das refletâncias é mostrado no Apêndice A. 24 4. Sistemas analisados Nesse capítulo serão expostos os equipamentos e parâmetros utilizados nas medições e análises, assim como os diferentes sistemas de tubulação que foram medidos. 4.1. Aparato Experimental Como observado nos diversos artigos mencionados no capítulo 2 desta dissertação, a RPA pode ser utilizada na medição de diversos sistemas diferentes. Pode- se dizer que o aparato experimental típico para ensaios de RPA é constituído dos elementos mostrados na Figura 20. Essa construção é independente do sistema analisado. Os equipamentos mostrados na Figura 21 e listados na Tabela 3 foram utilizados nas medições realizadas para o presente trabalho. Figura 20 – Desenho esquemático do aparato experimental – Adaptado de [28] Equipamento Marca / Modelo Qtd. # Gerador de Sinais RIGOL® 1 Amplificador WATTSOM® 1 Alto-falante SILENTIUM® 1 Microfones BSWA® ½” e ¼” 2 de ½ ” 2 de ¼” Sistema de Aquisição de dados National Instruments® (cDAQ e DAQMx) 2 de 4 canais Computador Pessoal Intel Core i7® 1 Tabela 3 - Listagem dos equipamentos utilizados 25 Figura 21 – Aparato para Medição da Resposta Impulsiva com Válvula de esfera 4.1.1. Parâmetros utilizados nas Medições Para a realização das medições foram utilizados os parâmetros de aquisição de dados, geração e processamento de sinais mostrados na Tabela 4: Tabela 4 - Parâmetros de Medição Parâmetro Valor Utilizado Frequência de Aquisição de dados �9: = 51200 mn> Largura do pulso (@ Gerador) ΔT6oW7E = 250 pq b�6oW7E = 4 mn>f Número de Amostras na MST Ntuv = 5120 Ttuv = 100 ms� Número de Amostras nas Janelas nOPM = 299 T{LI|}L = 5 ms� Comprimento da JanelaΔC = c� ∗ T{LI|}L ≅ 2 m Fator de sobreposição OLF = 89% nIJKLM = 29� Resolução Espacial da Análise δL = c ∗ nIJKLM/fL ≅ 0.2 m Fator de adição de zeros -PF = 100% zOPM = nOPM� Resolução em Frequência δf = nOPM + zOPM�/fL ≅ 86 Hz Com a utilização desses parâmetros, obtêm-se resoluções espaciais e em frequência boas o suficiente para possibilitar a observação da separação das diferentes reflexões geradas ao longo dos sistemas de tubulação, bem como das mudanças nos perfis espectrais de refletância. 4.2. Descrição dos Sistemas analisados Os sistemas de tubulação construídos e analisados no Laboratório de Acústica e Vibrações (LAVI) foram feitos com tubulações de PVC com diâmetros nominal de 50 mm e 1½″. Outro grupo de medições feito no Laboratório de Tecnologia Submarina, com tubulações de 100 mm de aço, e também foi analisado. 1 - Gerador de Sinais 2 - Amplificador 3 – Alto-falante 4 – Sistema Analisado 5 - Microfones 6 – Sistema de Aquisição de Dados 26 4.2.1. Medição do Sistema #1 – Tubulação sem alterações O primeiro sistema de tubulações avaliado possuía como perturbações apenas uniões, joelhos e curvas. As avaliações foram feitas para terminações aberta, fechada e anecóica. A Figura 22 mostra o sistema com a tubulação fechada. Figura 22 - Foto do Sistema de Tubulações #1 com a terminação fechada Os comprimentos das tubulações e a posição de cada uma das perturbações em relação ao Microfone 1 são mostrados na Tabela 5. As posições em relação ao microfone #1 em que são esperadas reflexões, mesmo que pequenas, estão marcadas em negrito e sublinhadas. É esperado observar pulsos refletidos nessas posições quando for avaliado o sinal dos microfones, além de um aumento nos índices de reflexão sonora. Tabela 5 - Dimensões do Sistema #1 Trecho do Sistema Descrição Diâmetro Nominal Comprimento [mm] Tempo de Percurso [ms] Distância ao M.#1 [m] Tubulação #1 C'!(! Alto-Falante ao Mic #1 1 1/2" 360 0,000 -0,360 C'!(� Espaço entre Mic #1 e #2 55 0,321 0,055 C'!( Mic #2 até Conexão 906 5,603 0,961 Tubulação #2 C'�(! Conexão ao Mic3 1 1/2" 474 8,367 1,435 C'�(� Espaço entre Mic. #3 e 4 192 9,487 1,627 C'�( Espaço entre Mic #4 e 5 30 9,662 1,657 C'�( Mic #5 até Conexão 225 10,974 1,882 Mudança de Direção Ca Joelho 1 1/2" 1 1/2" 100 11,557 1,982 Ce Curva 1 1/2" 1 1/2" 250 13,015 2,232 Mudança de Tubulação CoV União Roscável 1 1/2" 53 13,324 2,285 C9^ Adaptador 1 1/2" 50 mm 44 13,580 2,329 Tubulação #4 C' Liso 50 mm 1474 22,175 3,803 Mudança de Direção Ca� Joelho 50 mm 50 mm 95 22,729 3,898 C`'! Liso 50 mm 25 22,875 3,923 Ca� Joelho 50 mm 50 mm 95 23,429 4,018 Tubulação #4 C' Liso-Fim 50 mm 2015 35,178 6,033 27 A Figura 23 mostra o sinal medido com o eixo horizontal convertido em distâncias para que a comparação seja direta entre as posições reais e as medidas. Figura 23 - Sinal dos Microfones para o Sistema #1 Observa-se o pulso emitido na posição 0,4 m, reflexões entre 1,4 e 3,0 m, entre 4,0 e 4,5 m e uma última reflexão próxima a 6,2 metros. Mostram-se em detalhes os pulsos emitidos e refletidos na Figura 24 e Figura 25 Figura 24 - Vista aproximada do Sinal Medido - Pulsos e Reflexões Medidas (parte 1) 28 Figura 25 - Vista aproximada do Sinal Medido - Pulsos e Reflexões Medidas (parte 2) Comparando esses valores com os que estão na Tabela 5, percebe-se que os valores estão próximos, com cerca de 5% de desvio entre os dois. Os sinais das outras duas condições de medição e as refletâncias serão mostradas no capítulo 5. 4.2.2. Medição do sistema #2 – Válvula de esfera O segundo sistema avaliado possui a mesma estrutura do primeiro, com as seguintes alterações: A colocação de uma válvula de esfera após a tubulação #4; e a inclusão de um trecho de tubulação pequeno para conectar a válvula ao joelho seguinte. Foram feitas medições para a válvula aberta, fechada e em três posições intermediárias. Em todas elas foi utilizada uma terminação anecóica para evitar a reflexão do fim da tubulação. A Figura 26 mostra a foto do sistema de tubulações. 29 Figura 26 – Foto do Sistema de tubulações #2, com válvula de esfera. A Tabela 6 mostra os comprimentos e posições de cada trecho desse sistema. Novamente, são marcadas as posições em que devem ser observadas as reflexões. Tabela 6 - Dimensões do Sistema #2 Trecho do Sistema Descrição Diâmetro nominal Comprimento [mm] Tempo de Percurso [ms] Distância ao Mic. #1 [m] Tubulação #1 C'!(! Alto-Falante ao Mic #1 1 1/2" 360 0,000 -0,360 C'!(� Espaço entre Mic #1 e 2 55 0,321 0,055 C'!( Mic #2 até Conexão 906 5,603 0,961 Tubulação #2 C'�(! Conexão ao Mic3 1 1/2" 474 8,367 1,435 C'�(� Espaço entre Mic. #3 e 4 192 9,487 1,627 C'�( Espaço entre Mic #4 e 5 30 9,662 1,657 C'�( Mic #5 até Conexão 225 10,974 1,882 Mudança de Direção Ca Joelho 1 1/2" 1 1/2" 100 11,557 1,982 Ce Curva 1 1/2" 1 1/2" 250 13,015 2,232 Mudança de Tubulação CoV União Roscável 1 1/2" 53 13,324 2,285 C9^ Adaptador 1 1/2" 50 mm 44 13,580 2,329 Tubulação #4 C' Liso 50 mm 1474 22,175 3,803 Válvula de esfera CFX Válvula 50 mm 140 22,991 3,943 Mini Tub #1 C`'! Liso 50 mm 25 23,137 3,968 Mudança de Direção Ca� Joelho 50 mm 50 mm 95 23,691 4,063 C`'! Liso 50 mm 25 23,837 4,088 Ca� Joelho 50 mm 50 mm 95 24,391 4,183 Tubulação #5 C' Liso-Fim 50 mm 2015 36,140 6,198 30 4.2.3. Medição do sistema #3 – Câmara de Expansão No terceiro sistema de tubulações analisado, foi instalada uma câmara de expansão, conforme ilustra a Figura 27. Figura 27 - Foto do Sistema de Tubulações #3 – Câmara de Expansão A Tabela 7 mostra as dimensões, tempo de percurso e distâncias ao microfone #1 nesse sistema de tubulações, além das posições onde são esperadas reflexões. Estas estão marcadas em negrito e sublinhadas, para facilitar a comparação entre a posição das reflexões no sinal medido e a posição real das alterações na tubulação. Tabela 7 – Dimensões do Sistema #3 Trecho do Sistema Descrição Diâmetro nominal Comprimento [mm] Tempo de Percurso [ms] Distância ao Mic. #1 [m] Tubulação #1 C'!(! Alto-Falante ao Mic #1 1 1/2" 360 0,000 -0,360 C'!(� Espaço entre Mic #1 e 2 55 0,321 0,055 C'!( Mic #2 até Conexão 906 5,603 0,961 Tubulação #2 C'�(! Conexão ao Mic3 1 1/2" 474 8,367 1,435 C'�(� Espaço entre Mic. #3 e 4 192 9,487 1,627 C'�( Espaço entre Mic #4 e 5 30 9,662 1,657 C'�( Mic #5 até Conexão 225 10,974 1,882 Mudança de Direção Ca Joelho 1 1/2" 1 1/2" 100 11,557 1,982 Ce Curva 1 1/2" 1 1/2" 250 13,015 2,232 Tubulação #3 C'|! Conexão até Mic #1 1 1/2" 234 14,379 2,466 C'|� Espaço entre Mic #1 e 2 51 14,676 2,517 C'| Mic #2 até Conexão 151 15,557 2,668 Silenciador LM Expansão 100 mm 235 16,927 2,903 Mudança de Tubulação CoV União Roscável 1 1/2" 53 17,236 2,956 C9^ Adaptador 1 1/2" 50 mm 44 17,493 3,000 Tubulação #5 C' Liso-Fim 50 mm 1000 23,324 4,000 31 4.2.4. Medições do Sistema #4 – Obstruções concêntricas Para esse grupo de medições, o sistema é constituído de 16 trechos retos de tubulação, com oito spools (trechos curtos de tubulação que são removíveis) onde foram colocadas as obstruções. A Figura 28 mostra um diagrama esquemático do sistema de tubulações usado nesse grupo de medições. Figura 28 – Desenho esquemático do Sistema de Tubulações #4 A Tabela 8 mostra os comprimentos, tempos de percurso e distâncias ao microfone #1 para os diversos trechosde tubulação que compõe o sistema #4. Os microfones foram posicionados no spool #1 e as obstruções nos outros spools. Foram realizadas 12 medições para cada spool, avaliando quatro razões de área obstruída e três comprimentos diferentes de obstrução. É importante enfatizar que, nesse sistema, nenhum tratamento foi utilizado para evitar as reflexões secundárias geradas no alto-falante, mas devido à distância entre ele e os microfones, as reflexões primária e secundária são medidas separadamente. Tabela 8 - Dimensões do Sistema #4 Trecho do Sistema Descrição Diâmetro Nominal [mm] Comprimento [mm] Tempo de Percurso [ms] Distância ao Mic. 1 [m] Tubulação #1 C! Alto-Falante ao Flange 100 5000 -29,825 -5,115 Spool #1 C!(! Flange ao Mic.#1 100 115 0,000 0,000 C!(� Mic#1 ao Flange 385 2,245 0,385 Tubulação #2 C� Flange a Flange 100 6000 37,230 6,385 Tubulação #3 C Flange a Flange 100 6000 72,216 12,385 Spool #2 S2 Flange a Flange 100 500 75,131 12,885 Tubulação #4 C Flange a Flange 100 6000 110,117 18,885 Curva #1 Ce! Curva de 180º 100 476 112,892 19,361 Tubulação #5 C Flange a Flange 100 6000 147,878 25,361 Tubulação #6 C Flange a Flange 100 6000 182,863 31,361 Spool #3 S2 Flange a Flange 100 500 185,778 31,861 32 Trecho do Sistema Descrição Diâmetro Nominal [mm] Comprimento [mm] Tempo de Percurso [ms] Distância ao Mic. 1 [m] Tubulação #7 C Flange a Flange 100 6000 220,764 37,861 Tubulação #8 C Flange a Flange 100 3000 238,257 40,861 Spool #4 S2 Flange a Flange 100 500 241,172 41,361 Curva #2 Ce� Curva de 180º 100 476 243,948 41,837 Tubulação #9 C Flange a Flange 100 3000 261,440 44,837 Spool #5 S2 Flange a Flange 100 500 264,356 45,337 Tubulação #10 C!� Flange a Flange 100 6000 299,341 51,337 Tubulação #11 C!! Flange a Flange 100 6000 334,327 57,337 Spool #6 S2 Flange a Flange 100 500 337,242 57,837 Tubulação #12 C!� Flange a Flange 100 6000 372,227 63,837 Curva #3 Ce Curva de 180º 100 476 375,003 64,313 Tubulação #13 C! Flange a Flange 100 6000 409,988 70,313 Tubulação #14 C! Flange a Flange 100 6000 444,974 76,313 Spool #7 S2 Flange a Flange 100 500 447,889 76,813 Tubulação #15 C! Flange a Flange 100 6000 482,875 82,813 Spool #8 S2 Flange a Flange 100 500 485,790 83,313 Tubulação #16 C! Flange a Flange 100 5000 514,945 88,313 4.2.5. Resumo das Medições realizadas Como se observa, foram realizadas medições de quatro sistemas de tubulações, cada uma delas em diferentes condições de “defeitos” na tubulação. A Tabela 9 lista as diferentes medições, sistematizando as informações a respeito dos acidentes. Tabela 9 - Identificação dos diferentes sistemas medidos Identificação do Sistema # Medição Material Diâmetro Nominal Descrição do defeito Sistema #1 S #1-001 PVC 50 mm e 1 ½” Terminação Aberta S #1-002 PVC 50 mm e 1 ½” Terminação Fechada S #1-003 PVC 50 mm e 1 ½” Terminação Anecóica Sistema #2 S #2-001 PVC 50 mm e 1 ½” Válvula de esfera Aberta S #2-002 PVC 50 mm e 1 ½” Válvula de esfera na Posição 1 S #2-003 PVC 50 mm e 1 ½” Válvula de esfera na Posição 2 S #2-004 PVC 50 mm e 1 ½” Válvula de esfera na Posição 3 S #2-005 PVC 50 mm e 1 ½” Válvula de esfera Fechada Sistema #3 S #3-001 PVC 50 mm e 1 ½” Câmara de Expansão Sistema #4 A100-01 Aço 100 mm Obstruções no Spool #2 A100-02 Aço 100 mm Obstruções no Spool #3 A100-03 Aço 100 mm Obstruções no Spool #4 A100-04 Aço 100 mm Obstruções no Spool #5 A100-05 Aço 100 mm Obstruções no Spool #6 A100-06 Aço 100 mm Obstruções no Spool #7 33 No sistema #4, foram avaliadas 12 obstruções para cada spool, a partir das combinações dos dois parâmetros mostrados na Tabela 10, mas apenas um conjunto de medições é mostrado no Apêndice B, assim evitando-se um aumento desnecessário no tamanho da dissertação. Tabela 10 - Parâmetros de construção das obstruções avaliadas Área obstruída [%] 10 25 50 75 Comprimento Obstruído [mm] 100 250 500 34 5. Resultados das Medições e Análise do Sistema de Tubulações Neste capitulo são mostrados os resultados obtidos. Para cada um dos sistemas de tubulação analisados, são apresentadas as seguintes informações: 1. Respostas Impulsivas em gráficos [Amplitude × Distância] 2. Espectrogramas das Respostas Impulsivas 3. Coeficientes de Reflexão Sonora (Refletâncias) Em seguida, são discutidas as informações extraídas de tais gráficos e explica-se como é possível localizar e quantificar as alterações nas tubulações. 5.1. Sistema de Tubulações #1 – Tubulação sem “defeitos” 5.1.1. Sistema com terminação aberta 5.1.1.1. Resposta Impulsiva É mostrada na Figura 29 a resposta impulsiva obtida para os microfones #1 e 2 enquanto a Figura 30 mostra a resposta impulsiva nos microfones #3 e #4. Figura 29 - Resposta Impulsiva - Sistema #1 com terminação aberta Microfones #1 e #2 A partir da Resposta Impulsiva, percebem-se quais são os pulsos emitidos e refletidos, bastando comparar a posição em que ocorrem esses eventos para localizar a alteração na tubulação. Ao se observar o sinal, percebe-se que, entre 0,4 m e 1,3 m, o sinal do microfone #1 está adiantado em relação ao do microfone #2 e, a partir de 1,3 metros, os sinais se invertem, ou seja, o sinal do microfone #2 passa detectar primeiro os eventos ocorridos. Assim, o sentido de propagação das ondas medidas em diferentes instantes de tempo está definido e, com isso, identificam-se os pulsos refletidos. 35 É importante ressaltar que algumas reflexões detectadas estão em oposição de fase ao pulso emitido. Nelas, primeiro observa-se a rarefação, enquanto no pulso emitido, é vista primeira a compressão. Como exposto no capítulo 2, diferentes defeitos ou alterações na tubulação provocarão reflexões em fase ou em oposição de fase ao pulso emitido. A localização dos defeitos na tubulação é feita a partir do cálculo da distância entre o pulso refletido e o pulso emitido. Nos microfones #1 e 2, o pulso emitido é medido na posição 0,4 m e algumas reflexões são vistas entre 1,3 e 5,0 metros. Uma ultima reflexão é vista na posição 6,2 m, sendo essa gerada pela terminação aberta. As pequenas reflexões que ocorrem entre 1,3 e 5 metros são referentes às uniões entre os diversos elementos do sistema de tubulação. Devido a discrepâncias na fabricação, adaptação e montagem dos elementos que compõe o sistema, há sempre alguma descontinuidade nas seções transversais das conexões. Cumpre destacar que nos joelhos, curvas e adaptadores utilizados, ocorrem pequenas reflexões que estão muito próximas. Isso compromete a localização de pequenos defeitos nessa região, já que não será possível distinguir as reflexões decorrentes dos defeitos daquelas decorrentes das conexões. A Tabela 11 lista os pontos de medição das reflexões e os acidentes do sistema analisado, para que seja possível compara-los. Tabela 11 - Posições reais, medidas e erro relativo. Evento Descrição do Evento Posição [m] Distância Medida [m] Distância Real [m] Desvio [%] Pulso Emitido Emissão no Gerador 0,15 -0,25 -0,360 -44,0% Pulso Emitido Medição nos Mics. 0,40 0,00 0,00 - Reflexão Oposição de Fase União roscável a uma tubulação 1,30 0,90 0,961 -6,78% Reflexão Oposição de Fase Conexão roscável do joelho 2,20 1,80 1,882 -4,56% Reflexão Concordância de fase União entre joelho e Curva 2,60 2,20 2,232 -1,45% Reflexão Oposição de Fase União, adaptador, joelho e curva 3,00 2,60 2,329 10,42% Reflexão Concordância de Fase - Conexão soldável entre tubulação e joelho 4,10 3,70 3,803 -2,78% Reflexão Concordância de Fase – Conexão soldável entre joelhos 4,303,90 3,923 -0,59% Reflexão Oposição de Fase – Terminação aberta da tubulação 6,20 5,80 6,033 -4,02% 36 Ao analisar os dados obtidos, percebe-se que são pequenos os desvios entre as posições medidas e as posições reais das diferentes anomalias no sistema. Já a posição do alto-falante em relação aos microfones não coincidiu com a posição real. Figura 30 - Resposta impulsiva – Sistema #1 com terminação aberta Microfones #3 e #4 A mesma análise feita para os microfones #1 e #2 pode ser aplicada aos outros dois microfones. O pulso emitido é medido nas posições 1,1 e 1,2 metros pelos microfones #3 e #4, mas devido à proximidade com o joelho e a curva, percebe-se uma reflexão logo na posição 1,6 metros. Novamente, percebem-se pequenas reflexões entre as posições 2,2 e 4,4 metros, referentes às uniões entre as tubulações, joelhos e curvas. A reflexão do final da tubulação é medida próximo às posições de 5,4 e 5,5 metros, como visto na Figura 30. É importante ressaltar que o sistema possui 6 metros de comprimento e, portanto, todas as perturbações que ocorrem após a posição de 7,2 metros dizem respeito a reflexões secundárias. Tabela 12 - Posições Medidas, reais e desvios no sinal do microfone #3 e 4 Evento Descrição Posição [m] Distância Medida [m] Distância Real [m] Desvio [%] Pulso Emitido Emissão no Gerador 0,15 1,25 1,075 16% Pulso Emitido Medição nos Mics. 1,1 0 - - Reflexão Oposição de Fase – União roscável do Joelho 1,6 0,5 0,447 11,86% Reflexão Oposição de Fase – Terminação Aberta 5,5 4,4 4,598 -4,31% Ao analisar os dados obtidos para os quatro microfones, percebe-se que há uma razoável precisão na localização das conexões com as curvas e da terminação da 37 tubulação. Os desvios relativos foram, em geral, menores que 10% e os desvios absolutos não superaram 20 cm. Contudo, o presente trabalho objetiva diferenciar os diferentes acidentes no sistema de tubulações e não apenas identifica-los. Pretende-se fazer essa diferenciação a partir da análise dos pulsos refletidos no domínio da frequência. 5.1.1.2. Espectrogramas A análise tempo-frequência, via cálculo dos espectrogramas da resposta impulsiva, fornece os espectros dos pulsos emitidos e refletidos no sistema analisado, e assim, permite o cálculo dos coeficientes de reflexão ao longo de toda a tubulação. Ressalte-se que a janela temporal utilizada possui comprimento equivalente a um metro de tubulação e o espaçamento entre cada bloco equivale a 20 cm, em função do valor de sobreposição adotado. Assim, percebem-se mudanças graduais do espectro ao longo do eixo espacial. Os espectros máximos representam a melhor sincronia entre a janela e a posição da reflexão (pulso refletido) e, portanto, indicam a distância entre o sistema de detecção e o defeito na tubulação com mais precisão. Os espectrogramas dos sinais dos quatro microfones dessa medição são mostrados na Figura 31. O eixo X é o das distâncias a partir do pulso medido em cada microfone, o eixo Y, das frequências e o eixo Z dos níveis de pressão sonora. Figura 31 - Espectrogramas do sistema #1 - terminação aberta 38 O aumento nos níveis de pressão sonora evidencia a passagem dos pulsos emitidos e das diversas reflexões. Destaca-se que a reflexão gerada ao final da tubulação é percebida 6,0 metros após os microfones #1 e 2. Nos microfones #3 e 4, essa reflexão é observada após 4,5 metros. A Figura 32 mostra em maiores detalhes os espectros dos sinais dos microfones #1 e 3, possibilitando o reconhecimento das distinções entre eles. Figura 32 - Detalhe dos espectros dos microfones #1 e 3 Cabe frisar que os espectros das reflexões geradas pela terminação são diferentes dos espectros observados nas reflexões geradas por outras descontinuidades no sistema, como as uniões roscáveis, joelhos e curvas. Observa-se, também, uma diferença entre os espectros do pulso emitido nos dois grupos de microfones, em decorrência da existência de uma união roscável entre os microfones. 39 5.1.1.3. Coeficientes de Reflexão (Refletâncias) De posse dos espectros associados a todo o sistema, através das expressões expostas no capítulo 3, podem ser calculadas as refletâncias ao longo da tubulação. A Figura 33 mostra os gráficos de refletância para o sistema #1 com terminação aberta. Figura 33 - Coeficientes de Reflexão sonora - Sistema #1 - Terminação aberta A figura mostra pequenas reflexões um metro após os microfones #1 e 2. No trecho compreendido entre 4,0 e 5,0 metros, não se observa qualquer reflexão. Em seguida, a partir de 5,0 metros, a reflexão do final da tubulação já se torna perceptível, devido ao tamanho da janela utilizada. Resultado semelhante é obtido pela análise do sinal dos microfones #3 e 4. Entretanto, nesse caso, percebem-se pequenos coeficientes de reflexão após o fim da tubulação. Trata-se, na verdade, de reflexões de ordens superiores, associadas aos diversos elementos de conexão utilizados na montagem e estão aqui retratadas somente para demonstrar que sempre aparecerão nas medições. Dentro da metodologia simplificada utilizada neste trabalho, contudo, elas são desconsideradas. Nos próximos itens, será feita a mesma análise para as outras medições realizadas e ao final do capítulo 5 serão discutidas as diferenças entre as medições correlatas, tanto para as Resposta Impulsiva, quanto para os espectros e refletâncias. 40 5.1.2. Sistema com terminação fechada Diferentes condições de impedância acústica são encontradas no final da tubulação quando a terminação do sistema está aberta ou fechada, e por isso espera-se que as reflexões geradas sejam também diferentes. Assim, foram realizadas medições com diferentes condições na terminação, com o objetivo de avaliar essas diferenças. 5.1.2.1. Resposta Impulsiva A Figura 34 mostra o sinal no tempo obtido na medição do Sistema #1 com terminação fechada. Ressalta-se que apenas a reflexão na terminação fechada é diferente. Figura 34 – Resposta Impulsiva medida - Sistema #1 - Terminação Fechada Nota-se que, concordando com o que está estabelecido na literatura, a reflexão é gerada em fase com o pulso emitido, e invertida quando comparada à reflexão gerada na terminação aberta. Fica evidente, então, que a diferença de fase entre pulsos emitido e refletido é uma informação relevante na determinação de diferentes defeitos na tubulação. 5.1.2.2. Espectrogramas Os espectrogramas para a terminação fechada são mostrados na Figura 35, tendo as distâncias no eixo X, frequências no Y e as amplitudes dos espectros no eixo Z. 41 Figura 35 - Espectrograma - Sistema #1 - Terminação Fechada Como esperado, são vistas, novamente, as diferenças entre os espectros do pulso emitido no primeiro e segundo grupo de microfones, as reflexões dos elementos de conexão utilizados e as reflexões de ordem superior. 5.1.2.3. Coeficientes de Reflexão (Refletâncias) As refletâncias obtidas para o Sistema #1 com terminação fechada são mostradas na Figura 36, sendo observados os mesmos padrões obtidos na medição anterior. Figura 36 - Coeficientes de Reflexão Sonora - Sistema #1 - Terminação Fechada 42 5.1.3. Sistema com terminação anecóica Dando continuidade à análise inicial, foi avaliada a utilização de uma terminação anecóica. Ela foi obtida com a inserção de 10 cm de material fono-absorvedor no final da tubulação e posterior fechamento da terminação com um tampão (cap). 5.1.3.1. Resposta Impulsiva A Figura 37 mostra a resposta impulsiva na medição com terminação anecóica. Figura 37 – Resposta Impulsiva nos microfones #3 e 4 - Sistema #1 - Terminação Anecóica Comoesperado, são percebidas normalmente as reflexões iniciais, originadas pelas conexões utilizadas, já que estas não foram modificadas. No entanto, a reflexão do final da tubulação praticamente desaparece. Um detalhe importante é a movimentação de quase 20 cm para frente da reflexão da terminação, o que se explica pela inserção da espuma no interior da tubulação. 5.1.3.2. Espectrogramas Para apontar as diferenças nos espectros dessa nova medição, são mostrados os espectrogramas na Figura 38. As principais alterações são a mudança na reflexão final e a diminuição das reflexões de ordem superior. 43 Figura 38 - Espectrograma - Sistema #1 - Terminação Anecóica 5.1.3.3. Coeficientes de Reflexão (Refletâncias) Como elucidado, as refletâncias são obtidas a partir dos espectrogramas e das respostas impulsivas. Assim sendo, percebem-se, aqui, as mesmas mudanças já destacadas nos sistemas anteriores. Na Figura 39 são exibidos os coeficientes de reflexão sonora no presente sistema. É interessante notar que a reflexão medida é composta, basicamente, por baixas frequências justamente onde os coeficientes de absorção nos materiais são menores. Figura 39 - Coeficientes de Reflexão Sonora - Sistema #1 - Terminação Anecóica 44 5.2. Sistema de Tubulações #2 – Tubulação com Válvula de Esfera Após o estudo do sistema contendo apenas os elementos construtivos, passa-se a avaliação das tubulações com alterações, representando as obstruções ou expansões que podem ocorrer em redes de tubulações reais e normalmente são geradas por incrustação, deposição de material, corrosão, desprendimento de revestimento interno ou do material da própria tubulação. A instalação de uma válvula de esfera no sistema anterior possibilita a avaliação de diversas condições de obstrução na linha de maneira rápida. Além disso, por ser um item encontrado em tubulações industriais, é interessante que seja feita a sua avaliação, facilitando, assim, a identificação desses “acidentes” em medições futuras. Primeiramente, com a medição da válvula aberta, avalia-se como sua inserção na rede de tubulações alterará os sinais medidos. Avalia-se, também o crescimento da área obstruída através da medição de três posições intermediárias e do seu fechamento total. 5.2.1. Válvula Aberta (0°) 5.2.1.1. Resposta Impulsiva A Figura 40 mostra a resposta impulsiva do Sistema #2 com a válvula esfera aberta. Figura 40 - Resposta Impulsiva nos microfones - Sistema #2 - Válvula Esfera Aberta 45 Avaliando a resposta impulsiva obtida com o primeiro grupo de microfones, percebe-se que até 3,6 metros são vistas as mesmas reflexões das medições anteriores. Para além dessa posição, no entanto, percebe-se uma pequena mudança na fase da onda refletida em 4 metros e um afastamento de aproximadamente 0,2 metros na posição do pulso refletido pela terminação anecóica. É interessante ressaltar, também, que o pulso refletido pela válvula aberta é menor que os pulsos refletidos nos joelhos e uniões roscáveis. O referido aumento da distância até a terminação é explicado pela inserção da válvula gaveta e de um pequeno trecho de tubulação, como mostrado na Tabela 5 e na Tabela 6. Já a mudança na fase da onda refletida está associada às descontinuidades internas da construção da válvula. A Figura 41 mostra em detalhes o interior da válvula utilizada. Figura 41 - Desenho construtivo da válvula esfera - Retirado de [35] Com relação ao segundo grupo de microfones, percebe-se, também, o afastamento da reflexão do fim da tubulação. Porém, ao contrário do que acontece nos dois primeiros microfones, a reflexão gerada pela válvula de esfera não é claramente percebida, sendo confundida com outras reflexões do sistema. Essa mistura entre as diferentes reflexões se deve à coincidência nos tempos de percurso, ou seja, no atraso entre a geração e a medição das reflexões ocorridas em diferentes posições no sistema. Fica demonstrada, assim, a importância de se utilizar posições espaçadas entre os microfones ou conjuntos de microfones, evitando-se, assim, que em todos os sensores utilizados ocorra essa coincidência e alguma obstrução deixe de ser observada. 46 5.2.1.2. Espectrogramas O espectrograma do sistema #2 com válvula aberta é mostrado na Figura 42. Figura 42 - Espectrograma - Sistema #2 – Válvula de esfera aberta Apesar de estarem com níveis bem menores que o pulso emitido, as reflexões da válvula e do fim da tubulação são vistas facilmente. Além disso, são percebidas diferenças claras entre os espectros nos dois grupos de microfones, bem como mudanças razoáveis entre os espectros dos sinais dos microfones #3 e 4. Como já evidenciado, essas desigualdades são explicadas pelas diferentes posições dos microfones e as distâncias até as alterações na tubulação. Quanto às formas dos espectros, deve-se citar que, as reflexões da válvula medidas nos microfones #1 e #2 têm um espectro de banda mais concentrada se assemelhando a dois picos, com máximos perto de 1000 e 1500 Hz. Já para o microfone #3, há um pico por volta de 1700 Hz, mas com um aspecto mais plano. Por fim, para o microfone #4, o espectro no entorno da posição 2 metros é mais largo e com amplitudes ligeiramente menores que nos outros casos. 5.2.1.3. Coeficientes de Reflexão (Refletâncias) As diferenças comentadas no item anterior influenciam nos coeficientes de reflexão calculados. As refletâncias obtidas são mostradas na Figura 43, em que novamente são observadas as pequenas reflexões referentes aos elementos de união da tubulação e da reflexão no final da tubulação. 47 Figura 43 - Coeficientes de Reflexão Sonora - Sistema #2 - Válvula aberta Nos microfones #1 e 2, percebem-se as refletâncias dá válvula por volta de 1,0 e 1,5 kHz, como comentado anteriormente. No microfone #3, observa-se uma refletância menor que no primeiro grupo de microfones, com valores próximos a 0,2 ao redor de 1700 Hz e 2100 Hz. No quarto microfone, a refletância está próxima a 0,3 ao redor de 1700 Hz e próxima a 0,1 entre 1000 e 2000 Hz. Em baixa frequência (até 500 Hz), são vistas pequenas valores de refletâncias ao longo de toda a tubulação, mas que se elevam nas posições das anomalias do sistema. 5.2.2. Válvula na Posição 1 – Ligeiramente Fechada (~20°) Após a avaliação com a válvula de esfera aberta, foram feitas medições com um pequeno deslocamento da alavanca na direção de fechamento, e consequentemente, com a seção transversal diminuída e deformada. 5.2.2.1. Resposta Impulsiva Aumentando a área obstruída, com a mudança na posição da esfera, aumenta-se a descontinuidade nas impedâncias acústicas localizadas, levando a um aumento na amplitude dos pulsos refletidos, como observado nas medições. A resposta impulsiva obtida para essa configuração do sistema #2 é mostrada na Figura 44. As únicas alterações visíveis são a amplificação dos pulsos refletidos nas posições relativas às válvulas e das reflexões de ordens superiores (mas ainda próxima ao ruído de fundo). 48 Figura 44 - Resposta Impulsiva nos microfones #1 e 2 - Sistema #2 Válvula de esfera na Posição 1 5.2.2.2. Espectrogramas Os espectrogramas obtidos são mostrados na Figura 45. Figura 45 - Espectrograma - Sistema #2 – Válvula de esfera na posição #1 Percebe-se que, nos quatro microfones, o fechamento parcial da válvula leva a um aumento nas frequências mais altas nos espectros das reflexões, resultando em espectros praticamente planos a partir de 1,0 kHz, mas de baixas amplitudes (40-50 dB). 49 5.2.2.3. Coeficientes de Reflexão (Refletâncias) As refletâncias obtidas são mostradas na Figura 46 Figura 46 - Coeficientes de Reflexão Sonora - Sistema #2
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