Vibração, ruído e oscilação

Pesquisadores noruegueses estão monitorando como as ondas sonoras de baixa frequência viajam em edifícios de modo que eles possam recomendar ajustes de projeto para aliviar as vibrações indesejadas.

por Jennifer Hand

Quem já dormiu perto de um aeroporto sabe a sensação — um voo de manhã cedo te acorda, não só porque o motor é barulhento, mas também porque tudo ao seu redor parece estar tremendo. Da mesma forma, as pessoas que vivem perto de turbinas eólicas, instalações militares ou hospitais com helipontos, muitas vezes se queixam de que as janelas tremem e todos os objetos de uso cotidiano emitem um zumbido quando há ruído externo. Mais intrigante para eles é o fato de que, mesmo quando não podem discernir nenhum som, ainda podem notar vibrações irritantes.

Se a resposta do som for de 20 vibrações por segundo (20 Hz), ou menos, que é descrito como infra-sons, significa que o som original geralmente não pode ser detectado pelo ouvido humano. Os efeitos, entretanto, são muito mais fáceis de se detectar. Conforme as ondas batem nas janelas, se propagam pelo chão e afetam as paredes internas, elas induzem uma vibração interior perceptível. As ondas sonoras de baixa frequência são notórias por seu potencial para criar distúrbios irritantes.

Ondas sonoras de baixa frequência em edifícios

O ruído é parte da vida moderna e existem normas formais que utilizam medições de nível de pressão sonora para reconhecer ondas sonoras de alta frequência em níveis de sensibilidade, infiltração e perigo para os seres humanos. De acordo com Finn Løvholt do NFI (Norwegian Geotechnical Institute), a geração de vibração em edifícios devido aos infra-sons é uma area de investigação que não foi explorada exaustivamente. Por esta razão, o NGI, um centro internacional de pesquisa e consultoria em geociências, tem realizado, há vários anos, programas de pesquisa investigativa em nome da Norwegian Defence Estate Agency.

“O som de baixa frequência encontra menor absorção a medida que viaja através do ar do que o som de frequência mais alta, de modo que persiste por distancias maiores. A quantidade de som transmitido de fora para dentro dos edifícios é maior. Estamos interessados no que acontece no limiar de audição”, explica Løvholt. “Queremos entender como os sons de fontes externas interagem com edifícios e geram vibrações que são percebidas pelas pessoas. Podemos, então, recomendar medidas preventivas para evitar a vibração e podemos ser capazes de propor unidades padrão que reconheçam a necessidade de levar em consideração o fator ‘irritação’.”

Simulação da propagação de ondas sonoras

Løvholt e seus colegas decidiram criar um modelo computacional que lhes permitisse separar o mecanismo de ondas sonoras de baixa frequência que atingem e penetram em um edifício. Eles usaram o software COMSOL Multiphysics® para simular uma estrutura de madeira com duas salas separadas por uma parede (veja a figura abaixo), mimetizando a configuração da experiência de laboratório. Dentro do modelo, eles colocaram um alto-falante em uma sala, um microfone na outra, e colocaram várias sondas ao redor da estrutura para monitorar os níveis de pressão sonora e vibrações. Cada componente foi cuidadosamente modelado, incluindo a estrutura de aço, a cavidade do ar e pregos na parede, as janelas, a chapa de madeira compensada e a placa de gesso. “Cada elemento tem uma ressonância que depende do comprimento de onda da onda sonora e da distribuição de pressão. Por exemplo, existe uma alta pressão na sala do alto-falante e menor pressão na sala do microfone, e a ressonância de uma parede dependerá do seu comprimento, espessura e rigidez “, explica Løvholt.

Esquerda: A pressão sonora simulada em um laboratório com duas câmaras divididas por uma parede. Um alto-falante é colocado na sala à esquerda. As simulações mostram que as ressonâncias acústicas dentro de cada sala afetam o isolamento acústico. Direita: Simulação de som de baixa frequência originário de fora, ao redor e dentro de um edifício. Em ambos os casos, as cores indicam a variação na pressão sonora dentro das salas e nas cavidades das paredes.

A equipe também teve de reconhecer ressonâncias compostas criadas quando dois componentes são unidos, como dois pedaços de madeira que são aparafusados juntos. “A vantagem do COMSOL Multiphysics é que ele nos permite inserir todos os parâmetros que precisamos monitorar. Em particular, ele nos permite acoplar físicas para que possamos, por exemplo, ver a acústica de som ao ar livre interagindo com a dinâmica estrutural interna. O acoplamento funciona nos dois sentidos, então podemos identificar o feedback. Este acoplamento é crucial para a nossa análise, porque as ondas sonoras podem gerar uma grande variedade de ressonâncias. O modelo realmente nos permite ver isso.”

“Nós nunca alcançamos antes este nível de acordo com os testes da vida real e tudo se deve a forma como fomos capazes de modelar os diferentes elementos estruturais no COMSOL Multiphysics.” — Finn Løvholt, NGI

A equipe do NGI, então, verificou a sua simulação com testes de laboratório de sons de baixa frequência, conforme eram transmitidos através de uma construção de madeira com duas salas. Løvholt explica que o movimento da parede e o nível de pressão sonora são as principais grandezas medidas e os resultados mostram boa correlação com o modelo do COMSOL Multiphysics (veja a figura abaixo). “A resposta da parede real é muito clara e o modelo imita isso quase com perfeição. Esse é o aspecto mais espetacular.”

O modelo capta com precisão a localização das ressonâncias, bem como o nível dentro de alguns decibéis. Conforme
a frequência aumenta, mais modos em estruturas cada vez menores são excitados. Isso se mostra a medida que aumenta a diferença entre os resultados do modelo e da medição.

O modelo mostra que a transmissão de som dentro de um edifício é governada pela maneira como as ondas de baixa frequência interagem com os modos fundamentais dos componentes da construção, as dimensões do ambiente, e a maneira como o ar escapa do edifício. As vibrações nos tetos e paredes parecem ser a fonte dominante de som interno de baixa frequência, com a vibração do piso impulsionada pela pressão do som dentro do compartimento.

Mais barato e mais rápido do que os testes físicos

“Agora temos uma ferramenta para prever o som e a vibração em baixas frequências”, disse Løvholt. “Podemos usá-la para projetar e testar medidas de mitigação, como a laminação de janelas e o enrijecimento das paredes — se uma parede ou janela se move menos, há menos transferências de som. Além disso, o modelo nos mostra a influência de pequenos detalhes no sistema; por exemplo, como a união aparafusada entre as vigas e placas de gesso pode reduzir o efeito de uma contramedida, uma vez que eles na verdade reduzem a rigidez global da estrutura.”

A próxima etapa para a equipe são os testes de campo em grande escala em uma casa de verdade, em uma área da Noruega, que fica exposta ao ruído de aeronaves. Enquanto isso, a equipe continuará a usar e desenvolver o modelo. “Nunca havíamos alcançado antes este nível de concordância com os testes da vida real e tudo se deve à forma como fomos capazes de modelar os diferentes elementos estruturais no COMSOL Multiphysics”, conclui Løvholt. “O modelo nos permite tomar decisões e atribuir contramedidas. Isso é muito mais barato e rápido do que testes físicos. O modelo pode, então, ser expandido para simular a propagação do som e da vibração em todo um edifício”