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Conforto Ambiental: Acústica Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Me. Vanderlei Rotelli Revisão Textual: Prof.ª Me. Natalia Conti Conceitos Físicos do Som • Conceitos Físicos do Som. • Conhecer os conceitos de conforto ambiental e conceitos físicos do som. OBJETIVO DE APRENDIZADO Conceitos Físicos do Som Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como seu “momento do estudo”; Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo; No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam- bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados; Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus- são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. UNIDADE Conceitos Físicos do Som Conceitos Físicos do Som Nesta disciplina vamos estudar as principais características físicas do som, além de entender como nossos projetos de urbanismo e de arquitetura são afetados por este item, e, principalmente, como podemos tratar este incômodo. Podemos entender o Conforto Ambiental como um estado de satisfação de uma pessoa em um determinado local, ou seja, uma pessoa está confortável em um am- biente quando todos os estímulos que proveem deste ambiente deixam-na em um estado de tranquilidade e calma. Resumidamente, podemos dizer que uma pessoa está confortável em relação a um fenômeno quando pode observá-lo ou senti-lo, sem incômodo ou preocupação. Como você já sabe, estar confortável em um local vai além do que apenas a acústica, ou seja, depende do conforto térmico, do conforto luminoso, do conforto ergonômico, entre outros fatores. Além disso, existe um fator psicológico, que é difícil de ser quantificado, por ser pessoal, isto é, se você gosta do estilo de música que está tocando no rádio, você está aproveitando o fenômeno de maneira plena e sem desconforto, enquanto que, se você não gosta do estilo de música, você não está aproveitando o fenômeno, independentemente do volume do som, e da quali- dade dos aparelhos que estão sendo utilizados. De qualquer maneira, a redução das interferências e dos ruídos é um pré-requi- sito para o conforto acústico, e vamos estudar como isso pode ser medido e como podemos resolver estes problemas. Vamos começar? A primeira coisa que vamos estudar são as características físicas do som, pois é preciso entender como o som funciona, para entender como as formas de absorção e vedação vão trabalhar. A nossa primeira pergunta deve ser: “O que é o som?” E teremos várias respostas para esta pergunta, de acordo com a fonte na qual você for pesquisar, isto é, se você procurar uma resposta na Física, você terá que “o som é uma forma de energia vibratória que se propaga em um meio”; a psicologia dirá que “o som é uma sensação inerente a cada indivíduo”; ou seja, cada ciência nos dará uma resposta para esta pergunta, mas o que precisamos entender para nosso uso é mais simples e direto, ou seja, como vamos deixar o indivíduo confortável com relação ao fenômeno acústico, independentemente da definição que vamos assumir. Fisiologicamente, percebemos o som pela vibração das moléculas de ar que estão suspensa no ambiente; o som parte de uma fonte sonora, que inicia o mo- vimento destas partículas; conforme as partículas mais próximas da fonte vão se movendo, elas vão atingindo outras partículas, que também se movem, e desta ma- neira, o som vai se propagando. Quanto mais distante da fonte sonora a partícula estiver, menor será a força com a qual ela será atingida e se moverá. O som pode ser percebido entre ambientes, por menor que seja a vibração; como o som se propaga pela vibração das moléculas, quando estas moléculas se 8 9 chocam contra uma parede, por exemplo, elas farão com que esta parede vibre, transmitindo, desta maneira, o som para cômodos contíguos. Quanto mais fina for uma parede, mais ela irá vibrar, e mais som será transmitido. O som também pode ser definido como uma diferença de pressão, ou seja, a pressão atmosférica é constante e estática; quando eu falo ou faço algum barulho, estou interferindo na pressão, causando um abalo que será sentido pelas outras pessoas como um som; dependendo da pressão sonora envolvida, este abalo na pressão pode ser sentido fisicamente, pelo deslocamento do ar, além do barulho, como por exemplo, em uma explosão. Vamos começar entendendo alguns conceitos importantes para entender o com- portamento do som, e como podemos tratá-lo. O mais importante é saber que o som é uma onda, e se propaga de maneira tridimensional, ou seja, a partir de um emissor o som irá se propagar em todas as direções. Além disto, como qualquer tipo de onda, o som precisa de um meio físico para se propagar, isto é, o som só se propaga se houver um material no qual ele vá se espalhar. Vamos estudar alguns parâmetros desta onda, que a caracterizam e que nos permitem a quantificação do som. Vamos começar entendendo o que é o “Período”. Como você já imagina, o pe- ríodo de uma onda tem relação direta com o tempo. O período de uma onda é o tempo de duração de um ciclo. Posição de Equilíbrio Amplitude Tempo Período Vibração T A A Figura 1 – Período É possível ver na figura 1 que o período é o tempo que a onda precisa para completar um ciclo completo, ou seja, para sair do estado de repouso e atingir a sua menor e a sua maior amplitude, e retornar ao ponto de repouso. Este período pode ter uma variação praticamente infinita de tempo; é claro que quando falamos em som, estes tempos são bastante pequenos. O próximo parâmetro de uma onda que devemos entender é a “Frequência”. A frequência de uma onda pode ser entendida como o número de ciclos que uma onda faz em um determinado período. 9 UNIDADE Conceitos Físicos do Som O físico que definiu este tipo de medição foi Heinrich Rudolf Hertz, que definiu que a frequência é o numero de ciclos em um segundo; esta medida, em homena- gem ao físico alemão, é conhecida como Hertz. Figura 2 – Frequência Na figura 2, podemos ver que em um período de tempo de 1 segundo a onda percorre dois ciclos completos, o que significa que esta onde tem uma frequência de 2 Hertz, ou 2 Hz. É fácil entender estes parâmetros, certo? E estes dois conceitos juntos se expli- cam, isto é, como já vimos, a onda que está representada na figura 2 tem uma fre- quência de 2 Hz; desse modo qual seria o período desta mesma onda? Isto mesmo! 0,5 segundo, ou que significa dizer que em um período de 0,5 segundo ela faz um ciclo completo. Agora tenho a certeza que estes parâmetros ficaram mais claros.Apenas como curiosidade, pois estudaremos isto adiante, as menores frequências com as quais trabalhamos em acústica são de 250 Hz. Um outro parâmetro que utilizamos para definir as ondas sonoras é a “Ampli- tude”. Podemos definir a amplitude de onda como a distância entre o ponto de equilíbrio da onda e o seu pico ou o seu vale. Como falamos em distância, a medida de unidade da amplitude de onda pode ser o metro, o centímetro ou ainda o milímetro. Também podem ser utilizadas outras medi- das, como o Pascal, mas para nossos trabalhos, utilizaremos o metro ou suas divisões. Al tu ra x /cm t (s) 0.012 -0.012 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 0.04 -0.04 0 A= 0,012 cm Figura 3 – Amplitude 10 11 Na figura 3 é possível ver que a amplitude da onda que está representada na figura é 0,012cm; lembre-se que a amplitude vai do repouso até o pico da onda. Isto é simples, certo? Apenas para fixar os conceitos que vimos, qual é o período da onda representa- da na figura 3? Isso mesmo! Esta onda tem um período de 2 segundos, ou seja, a onda faz um ciclo completo em 2 segundos. E qual seria a frequência desta mesma onda? Esta é um pouco mais difícil, certo? Mas como sabemos que a frequência é medida em segundos, podemos verificar que a frequência desta onda é de ½ Hz, ou seja, em um segundo, a onda consegue fazer metade de um ciclo. Está ficando mais simples, não é? O próximo parâmetro a ser estudado é o “Comprimento de Onda”. Como na ca- racterística anterior, o comprimento é dado em metros, centímetros ou milímetros, pois é uma medida de distância. Esta distância é medida entre características iguais da onda, isto é, a distância é medida entre o momento de repouso, ou o pico, ou o vale; o comprimento de onda dá a distância entre pontos iguais. Pr es sã o P (Pa) 30 -30 2 4 6 8 10 12 14 0 �= 10 m x (m) Figura 4 – Comprimento de onda Você deve ter reparado na imagem que existe uma letra grega, o λ (lambda). Este é o símbolo utilizado para indicar o comprimento de onda. Na figura 4 podemos ver que o comprimento de onda é de 10m, ou seja, a distância entre pontos iguais desta onda é de 10m. Também é possível perceber que não temos a presença do tempo neste gráfico, então não podemos calcular o período e a frequência das ondas. Outro parâmetro que existe para todas as ondas, e, também para as ondas sono- ras, é a “Velocidade”. A velocidade, obviamente, é uma medida da rapidez com que a onda se propaga em algum meio. A velocidade, como você certamente já sabe, é representada pela letra “v”. A velocidade de propagação (v) é a divisão da distância percorrida pela onda, pelo tempo necessário para percorrer esta distância. Como estamos falando em uma distância dividida por um tempo, a unidade de medida da velocidade de pro- pagação vai ser dada em metros por segundo (m/s). 11 UNIDADE Conceitos Físicos do Som Você já deve ter percebido que a velocidade de onda é uma relação entre o comprimento de onda (λ) e o período, ou seja, a velocidade de onda é a divisão do comprimento de onda pelo período. Figura 5 – Velocidade de Propagação da Onda No caso do som, quanto mais denso o meio onde a onda está se propagando, mais rápida é esta velocidade. Isto significa que o som se propaga mais rápido na água do que no ar, por exemplo. Para que se tenha uma ideia, consideramos que a velocidade do som no ar é de 340 m/s. Tabela 1 – Velocidade do som em diferentes meios SÓLIDOS Vidro (20º C) 5130 m/s Alumínio (20º C) 5100 m/s LÍQUIDOS Glicerina (25º C) 1904 m/s Água do Mar (25º C) 1533 m/s Água (25º C) 1493 m/s Mercúrio (25º C) 1450 m/s GASES Hidrogênio (0º C) 1286 m/s Hélio (0º C) 972 m/s Ar (20º C) 343 m/s Ar (0º C) 330 m/s Fonte: Adaptado de http://bit.ly/2M2QOeN Para nós, arquitetos, pensando no conforto acústico de nossos clientes, o som se propagar mais rapidamente no concreto do que no ar, por exemplo, pode ser um problema muito grave, e difícil de ser resolvido. E porque você acha que isto pode 12 13 ser um problema? Exatamente! Como o som se propaga mais rápido em meios mais densos, ele também é mais difícil de ser absorvido pelos materiais isolantes. Importante! Conhecendo a velocidade do som no ar, é possível calcular a distância que um raio caiu, contando-se os segundos que o som leva para chegar. Quando você vir o clarão de um raio, comece a contar os segundos. Se o som demorar, por exemplo três segundos para chegar, é sinal que o raio caiu a aproximadamente 1 Km. Você Sabia? Já que estamos falando sobre a velocidade de propagação do som, tenho a cer- teza de que você já assistiu a algum filme da série “Guerra nas estrelas”, ou algum outro filme de ficção cientifica. Você deve ter percebido que a maior parte destes filmes tem varias cenas de ação, com explosões, raios disparando e naves voando para todos os lados. Outra coisa presente na maior parte destes filmes é o som das explosões, das armas e das naves. Você acha que estas cenas aconteceriam de verdade, caso não tivéssemos a tecnologia, isto é, as batalhas seriam tão barulhen- tas? Isso mesmo, é claro que não ouviríamos nenhum som, porque o som precisa de um meio para se deslocar, e no espaço temos o vácuo, o que quer dizer que não existe nenhum meio físico que permitiria o deslocamento do som. Esta é uma liberdade que os cineastas tomam, para que os filmes fiquem mais emocionantes, apenas isso. Vamos agora estudar algumas qualidades fisiológicas do som, que tem a ver com a nossa audição e a nossa percepção do som. A primeira característica sonora que vamos estudar é a “Intensidade Sonora”. A inten sidade sonora tem relação direta com a quantidade de energia transportada pela onda sonora. A intensidade sonora é o que chamamos, normalmente, de volume do som. Quando uma pessoa pede para que aumentemos o volume do rádio ou da televi- são, ela está pedindo para que aumentemos a intensidade sonora, ou seja, a quan- tidade de energia que aquela onda sonora está transportando. A intensidade sonora é medida em decibéis, que é uma divisão de 1 bel; esta escala é relativa, isto é, não tem dimensão; e logarítmica, ou seja, 2dB não são o dobro de 1dB, já que a escala aumenta de forma logarítmica. 0 dB é o limiar da audição, ou seja, o som mais baixo que o ser humano con- segue ouvir, enquanto que 120 dB é o limiar da dor, causando a surdez com uma exposição muito curta; o decibel será usado em nossos cálculos acústicos. Existe uma lei da física que nos ajuda a entender como a intensidade sonora diminui com a distância. É a lei do inverso do quadrado da distância. 13 UNIDADE Conceitos Físicos do Som r 2r 3r I Potência da fonte S A A A A A A A A A A A A A A I I 9 4 Figura 6 – Lei do inverso do quadrado da distância Na figura 6 podemos entender como o som perde sua potencia conforme vai se distanciando da fonte. Na figura, se você tem uma distancia “r”, o som atinge uma área “A”; se dobrarmos a distância para “2r”, a área atingida pelo som quadruplica, ou seja, a intensidade sonora é inversamente proporcional ao quadrado da distância. Na pratica isto significa que se da fonte sonora estiver saindo uma intensidade de som igual a “X”, no ponto “r”, localizado a 1m de distância da fonte, estará che- gando a mesma quantidade de som “X”. No ponto 2r, localizado a 2m de distancia da fonte, a intensidade de som que estará chegando é de “X/4”, ou seja, apenas ¼ do som que sai da fonte original. No ponto “3r”, que está localizado a 3m de distancia da fonte original, a intensi- dade de som que estará chegando será de “X/9”, nove vezes menos do que o som que saiu da fonte. Isto pode ser um grande problema para um show, por exemplo, pois as pessoas mais pertos das caixas acústicas ouvirão uma quantidade ensurdecedora de som, para garantir que as pessoas mais distantes dos palcos e das caixas acústicas con- sigam ouvir algum som. Você consegue perceber como isto vai influenciar diretamente nossos projetos de auditórios e teatros? Onde colocaras caixas acústicas, de tal forma a garantir que todos os presentes ouçam a mesma quantidade de som? Acertar este cálculo e este posicionamento é um grande desafio para os especialistas em som arquitetônico. Figura 7 – Posicionamento das caixas acústicas Fonte: somaovivo.org 14 15 Na figura 7, temos um grupo de caixas acústicas na posição “ST1”. Esta é a po- sição mais tradicional de uso destas peças, no palco, próximo aos músicos, ou no púlpito, próximo ao pastor ou ao padre, se pensarmos em um local de culto. Nesta posição, podemos ter a certeza de que se o ouvinte “ov1” estiver ouvindo conforta- velmente, o ouvinte “ov2”, mais distante do palco, ou do púlpito, não estará ouvindo praticamente nada, enquanto que se o ouvinte “ov2” estiver ouvindo confortavelmen- te, certamente o ouvinte “ov1” estará com uma intensidade sonora ensurdecedora. Já a posição do conjunto de caixas acústicas indicado na posição “ST2”, no alto do palco, vai diminuir a diferença entre as distâncias que o som deve percorrer en- tre os ouvintes “ov1” e “ov2”, o que quer dizer que a diferença entre a intensidade sonora ouvida pelos dois ouvintes será menor. Esta é uma das formas de resolver este problema; você consegue pensar em alguma outra maneira de resolvermos este problema? Isso mesmo! Podemos ter um conjunto de caixas acústicas, com menor potência, na parte dos fundos da sala. Podemos ainda, colocar os alto falantes pendurados no centro da sala. Você perce- be como existem saídas, o que precisamos é entender a física do som, e em como podemos resolver os problemas de nosso cliente. Escala de Decibéis, disponível em: http://bit.ly/2GFWnLQ Ex pl or No link acima mostra a escala de decibéis; é possível notar que sons com até cerca de 50 dB são considerados repousantes, já que não incomodam. A partir dis- to, os sons começam a incomodar, fatigar, e chegam a ser perigosos ou dolorosos. É importante que o arquiteto conheça esta escala por vários motivos, como por exemplo, escolher o melhor caixilho para a vedação de uma janela, em função do local onde o imóvel está sendo construído. Locais mais barulhentos vão pedir es- quadrias com mais poder de vedação e isolamento acústico. Caso o profissional esteja fazendo uma reforma de um imóvel que vai mudar de uso, se transformando em uma indústria, por exemplo, é preciso que se pense em fazer um tratamento acústico, diminuindo o stress tanto dos funcionários, como dos moradores do entorno. Você já deve ter percebido que nem sempre isto é feito, já que todos conhe- cemos casos de alterações que resultaram em pioras na vizinhança, mas temos a obrigação de não cometer estes erros. A segunda característica do som que vamos estudar é o “Timbre”. É esta a ca- racterística que nos permite diferenciar as fontes sonoras; aliás, esta é uma caracte- rística da fonte sonora, e não do som. Você já deve ter ouvido falar em instrumentos que tem uma afinação diferente dos outros, certo? Isto acontece com frequência em uma orquestra, onde um violi- no, por exemplo, pode ter uma afinação diferente de outro violino. É o timbre que nos permite reconhecer a diferença entre violinos com diferentes afinações; é o timbre que faz com que o maestro reconheça um instrumento fora 15 UNIDADE Conceitos Físicos do Som do tom em meio a uma orquestra com dezenas de instrumentos, ou um condutor perceba uma voz desafinada em um coral com dezenas de outras vozes. O timbre nos permite distinguir sons que tenham a mesma intensidade e a mes- ma frequência, identificando a fonte sonora, como faz um maestro ou um condutor, que tem o ouvido treinado para esta função. Comparação entre timbres, disponível em: http://bit.ly/2GFXawi Ex pl or No link acima é possível ver que o timbre tem uma relação direta com a forma da onda, pois muitas vezes a amplitude e a frequência são as mesmas, mas o formato da onda nos permite perceber as diferenças. A terceira característica que vamos estudar é a “Altura do Som”. Altura do som não tem a ver com a intensidade e o “volume” do som. Esta “Altura” à qual esta- mos nos referindo tem a ver com a classificação do som em “Graves”, “Médios” e “Agudos”, e não com a frase usual que diz que “o som está alto” quando o volume de som é muito grande. É importante que você entenda esta diferença. Esta “Altura sonora” está relacionada com a frequência sonora, com o número de ciclos por segundo, ou Hertz, e está muito associado à musica, mas é importan- te para a acústica além disto. Gr av es M éd io s Ag ud os 0 20 400 1600 20000 f (Hz) Sons Ul tra -so m In fra -so m Figura 8 – Altura ou frequência sonora A altura do som está relacionada diretamente com a frequência, como é possível ver na figura 8; quanto menor a frequência, mais grave, ou grosso o som; quanto maior a frequência, mais agudo ou mais fino. Grave Agudo Comprimento de onda Comprimento de onda Amplitude Amplitude Figura 9 – Comparação entre ondas graves e agudas 16 17 Outra característica importante do som é a “inteligibilidade”, ou seja, o grau de compreensão do que está sendo dito. Em arquitetura este é um conceito fundamen- tal! Você já pensou se em um projeto de auditório ou de teatro, as pessoas não conseguirem entender o que está sendo falado? Em termos de acústica arquitetônica este é uma das caraterísticas mais impor- tantes, já que vai garantir a eficiência acústica do espaço. De nada vai adiantar que seu projeto atenda a todas as normas, esteja esteticamente agradável, seja acessível, sustentável, ou qualquer outro parâmetro que você quiser adotar, se as pessoas não puderem se comunicar, ou mesmo permanecer no espaço. Vamos estudar agora, como as ondas sonoras se compartam no espaço, para conseguir entender como podemos fazer o tratamento, tanto de ambientes fecha- dos, como de ambientes abertos. Como já foi dito, uma onda sonora parte de um emissor. Esta onda tende a se propagar de maneira esférica, em todas as direções, caso não haja nenhum obstá- culo, como é possível ver na figura 10. Figura 10 – Propagação da onda sonora Quando estas ondas encontram uma superfície lisa e dura elas irão se refletir, como é possível ver na figura 11. As linhas vermelhas representam as ondas que são refleti- das. É necessário que o bloqueio seja feito por uma superfície dura; caso a superfície não seja resistente, a superfície vai transmitir a vibração para a parte posterior. Quando a onda sonora atinge uma superfície dura e lisa já sabemos o que acon- tece, mas e se a superfície tiver uma abertura, o que vai acontecer? Veja a figura, e tente entender como isso funciona. Figura 11 – Refl exão Figura 12 – Difração 17 UNIDADE Conceitos Físicos do Som Desta maneira fica mais fácil de entender, certo? O que ocorre com esta aber- tura é o efeito da difração, que está representada na imagem pelas ondas na cor magenta, isto é, as ondas sonoras passam pela abertura e continuam com apenas uma perda de potência sonora. Eu sei que a maior parte destes conceitos já são conhecidos, pois são componen- tes da Física que estudamos no Ensino Médio, mas sempre é interessante relembrar algumas coisas antes de seguirmos em frente. Vamos em breve estudar o comportamento do som nos ambientes urbanos e nos ambientes construídos, e as definições que estudamos vão ajudar a entender o que acontece nestes locais e como podemos fazer para resolver os problemas que irão surgir com o excesso de barulho. 18 19 Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Vídeos Propriedades do som - Atura, intensidade, timbre Vídeo sobre as características do som. https://youtu.be/pWqAtp1baqE Ondas Sonoras - Brasil Escola Vídeo sobre parâmetros da onda sonora. https://youtu.be/kR5FSlOPrhI Leitura Novas tecnologias no estudo de ondas sonoras Artigo sobre características do som. http://bit.ly/2Kv9Gjj Parâmetros acústicos subjetivos: critérios para avaliação da qualidade acústica de salas de música Tese sobre característicasde salas de música. http://bit.ly/2Kx0AT3 19 UNIDADE Conceitos Físicos do Som Referências BISTAFA, S. R. Acústica aplicada ao controle de ruído. Ed. Blucher, São Paulo. 1ª ed. 2018. SOUZA, L. C. L; ALMEIDA M. G. & BRAGANÇA, L. Be-a-bá da acústica ar- quitetônica: ouvindo a arquitetura. Ed. UFSCAR, São Carlos, 1ª ed. 2006. 20
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