Simulação da qualidade acústica de salas

Por Adriana Camargo de Brito, Cristina Yukari Kawakita Ikeda, Elisa Morande Salles, Marcelo de Mello Aquilino, Laboratório de Conforto Ambiental do IPT

Publicado em: 29/03/2021

Texto: Redação AECweb/e-Construmarket

Coordenação técnica: Adriana Camargo de Brito
Comitê de revisão técnica: Adriana Camargo de Brito, Cláudio Vicente Mitidieri Filho, José Maria de Camargo Barros, Luciana Oliveira e Maria Akutsu
Apoio editorial: Cozza Comunicação

29/03/2021 | 10:00 – A avaliação acústica de ambientes, por meio de medições “in loco”, é um método trabalhoso e por muitas vezes de difícil execução devido ao ruído residual do ambiente de seu entorno. Há muitas vantagens de se realizar simulações para a determinação da qualidade acústica de recintos. As simulações possibilitam identificar o impacto de cada decisão de projeto quanto à qualidade acústica ou quanto ao custo de implementação de determinada solução. Podem ser testadas diversas alternativas de projeto, com resultados consistentes (BOREN e LONGAIR, 2011), permitindo a escolha daquela que melhor satisfaz as necessidades dos usuários.

No Brasil a utilização de recursos computacionais visando dar apoio ao desenvolvimento de projetos acústicos ainda não é usual. Algumas razões para isso referem-se à falta de bases de dados de características de materiais e componentes de edifícios nacionais e também à falta de profissionais qualificados para a operação dos softwares e a análise dos resultados, bem como o alto custo dos softwares de simulação.

1. Qualidade acústica de ambientes

O comportamento acústico dos ambientes internos de uma edificação depende, não só da isolação sonora de sua envoltória aos ruídos provenientes do ambiente externo, mas também de sua forma geométrica, volumetria e das características dos materiais de acabamento das superfícies internas. Outros fatores que influenciam o comportamento acústico estão relacionados aos componentes diversos existentes no interior do ambiente, sua área e do tipo de mobiliário.

O tempo de Reverberação (TR), que em linhas gerais, representa o tempo em que um som se mantém audível no ambiente depois de cessada a fonte geradora é um dos principais indicadores ou descritores da qualidade acústica de ambientes. O tempo de reverberação está relacionado, basicamente, à absorção sonora das superfícies internas e ao volume do ambiente. A fórmula de Sabine, normalmente é utilizada para se calcular o tempo de reverberação. Quanto maior o volume do ambiente, mantendo-se a característica de absorção, maior tende a ser o tempo de reverberação.

Dependendo da atividade desenvolvida no recinto, é necessário ajustar o tempo de reverberação do ambiente no conforto acústico dos seus usuários, auxiliar na inteligibilidade da fala e fidelidade da reprodução de sons como, por exemplo, em uma sala de concertos. O tempo de reverberação já foi muito bem estudado e está contemplado em diversas normas sobre qualidade acústica de salas. Para salas de aula, por exemplo, Ikeda (2019) destaca normas de países como Brasil, França, Alemanha, Japão, Estados Unidos e Reino Unido, que indicam a faixa de aceitação do tempo de reverberação em função do volume do recinto, geralmente utilizando como referência frequências de 500 Hz a 1000 Hz.

O tempo de reverberação não é o único fator que caracteriza a qualidade acústica de um ambiente, visto que dois locais com o mesmo tempo de reverberação podem ser percebidos pelos usuários como diferentes. Nesse sentido, além do TR, podem ser considerados também outros descritores para realizar uma análise mais completa do seu comportamento acústico. Dentre esses descritores pode-se destacar a definição (D50), o fator de força (G), o EDT (tempo de decaimento inicial) relacionado à inteligibilidade da fala, o SPL (nível de pressão sonora), o STI (índice de transmissão da fala), o C80 (clareza), o Ts (claridade), LF (fração lateral), BR (calor), dentre outros. Para definir quais descritores acústicos são importantes para uma sala, é necessário saber que tipo de atividade ocorrerá, predominantemente, no ambiente e, dessa forma, estudar o sinal acústico que irá acontecer dentro de seu interior, se é palavra falada, para apresentação de determinado tipo de música, um auditório ou um local de uso misto.

2. Simulações computacionais

A evolução dos computadores e dos softwares de simulação proporcionou a construção de modelos geométricos detalhados dos ambientes e a indicação do seu comportamento acústico com precisão. Após criar o modelo geométrico do recinto, devem ser incluídas as características de todas as superfícies quanto à reflexão, absorção e difusão do som, além da indicação e descrição das fontes sonoras e dos receptores sonoros.

Com essas informações, os programas calculam a resposta sonora do ambiente aos impulsos sonoros gerados pelas fontes de ruído, modelando “raios sonoros” que transportam a energia sonora recebida pelos receptores em função do tempo. Quando uma fonte emite um som, parte desse som pode chegar direto ao receptor e parte pode ser refletida de modo especular ou difuso, ou ambos, ou absorvida pelas superfícies (BRANDÃO, 2016).

3. Análise da qualidade acústica de sala de aula

Para ilustrar a adequação do uso de simulações computacionais para identificar a qualidade acústica de ambientes, foram feitas medições e simulações de uma sala de aula (Figura 1).

As medições incluem o tempo de reverberação (T30), o nível de pressão sonora (SPL), o tempo de decaimento inicial (EDT), a clareza (C80), o Ts (claridade) e o índice de transmissão da fala (STI). Tais fatores foram selecionados por serem alguns dos descritores potencialmente mais adequados para representar a qualidade acústica de salas de aula com base nos estudos de vários autores (IKEDA, 2019; CAMPBELL, 2015; NILSSON, 2012; BRADLEY, 2011).

A sala de aula foi modelada no programa Odeon, contemplando tanto as suas características geométricas quanto aquelas relativas à absorção sonora dos materiais.

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Figura 1– Esquema da sala de aula avaliada, sem escala

As medições foram feitas com base na norma ISO 3382-1:2009 “Acoustics – Measurement of a room acoustic parameters – Part 1: Performance spaces”. Esta norma foi reeditada para a versão de 2017 sem nenhuma alteração em relação a norma de 2009. Uma fonte de ruído foi posicionada no centro do corredor de acesso à sala de aula, afastada do piso 1,65 m para simular a presença de um professor falando. Foi utilizada uma fonte de ruído omnidirecional, configurada de forma a produzir um nível de pressão sonora de 70 dB perpendicularmente a ela a uma distância de 1 m. Isso seria correspondente a uma pessoa falando com voz elevada. As medições foram feitas com os microfones a uma altura de 1,20 m em relação ao piso e posicionados em nove pontos, indicados pelas letras “A” até “I” em ordem alfabética, nos locais onde os alunos estariam sentados. As janelas e porta foram mantidas fechadas e os ventiladores desligados (Figuras 2 e 3).

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Figura 2 – Esquema do sistema de medição (IKEDA, 2019)
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Figura 3 – Esquema da sala de aula com indicação da fonte de ruído (“X”) e receptores (“A” a “I”)

A geometria da sala foi inserida no programa Odeon e foram atribuídas às superfícies do recinto as características de absorção sonora conforme os materiais que as compõe e o coeficiente de espalhamento adequado (ODEON, 2009). Na Tabela 1, são indicados os materiais utilizados e sua absorção sonora por frequência. Para os pisos, teto e paredes foram utilizados coeficientes de espalhamento de 0,05 e para os móveis, de 0,1.

Tabela 1 – Superfícies, materiais e absorção sonora por frequência utilizados nas simulações

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4. Resultados

Nas Figuras 4 a 8 são indicados os resultados medidos e simulados das grandezas analisadas para o receptor “A” a título ilustrativo pois, para os demais receptores os resultados apresentam a mesma ordem de grandeza. Na Figura 9 é apresentado um mapa da distribuição do nível de pressão sonora (SPL) na sala que permite visualizar a homogeneidade dos valores dessa grandeza no recinto.

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Figura 4 – Receptor A: T30
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Figura 5 – Receptor A: SPL
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Figura 6 – Receptor A: EDT
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Figura 7 – Receptor A: C80
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Figura 8 – Receptor A: TS
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Figura 9 – SPL(Lin) na sala em 1000 Hz

Observa-se que para o EDT, TR30, Ts e SPL (dB), os valores são adequados nas frequências próximas de 1000 Hz. Para o C80, os valores são adequados para as frequências de 1000 Hz a 4000 Hz, em geral. Estes resultados permitem analisar o comportamento acústico dos ambientes nas frequências médias basicamente. Para o STI houve diferenças entre valores medidos e simulados da ordem de 0,01, sendo plenamente aceitável. Para a sala de aula foco do trabalho, esses resultados são adequados, visto que o uso da sala se refere à fala humana que normalmente se enquadra entre as frequências de 500 Hz a 4000 Hz. O mapa do SPL na frequência de 1000 Hz complementa os resultados mostrando uma homogeneidade dos dados obtidos para essa grandeza na sala de aula.

5. Considerações finais

As diferenças entre os valores medidos e simulados são adequadas para se analisar o comportamento dos recintos, especialmente em frequências médias, evidenciando o potencial de se estudar alternativas de projeto por simulação computacional. Nesse sentido, seria possível verificar o efeito de se alterar tipos de materiais de revestimentos, na qualidade acústica da sala, compondo cenários para se escolher os mais adequados às necessidades dos clientes, com resultados confiáveis e próximos daqueles que serão obtidos no ambiente construído.

Referências

BOREN B.; LONGAIR, M. A method for acoustic modeling of past soundscapes. Anais: The Acoustics of Ancient Theatres Conference Patras, September 18-21, 2011.

BRADLEY, D. WANG, L. M. Comparison of Measured and Computer-Modeled Objective Parameters for an Existing Coupled Volume Concert Hall. Building Acoustics. V. 14, 79-90, 2007.

CAMPBELL, C.; NILSSON, E. SVENSSON, C. The same time in two identical rooms does not necessarily mean the same levels of speech clarity and sound levels when we look at impact of different ceiling and wall absorbers. Energy Procedia, 2015.

DFES, GREAT BRITAIN DEPARTMENT FOR EDUCATION AND SKILLS. Acoustic design of schools: a design guide (Building Bulletin 93), Stationery Office, 2003.

IKEDA, Cristina Yukari Kawakita. Determinação de faixas de operação de parametros acusticos para avaliação da qualidade sonora de salas de aula. Tese (doutorado), 2019.

INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARIZATION. ISO 3382-1: Acoustics – Measurement of room acoustic parameters – Part 1: Performance spaces. Suíça, 2009.

NILSSON, E. Room acoustic measures for classrooms. Inter noise 2010. Anais. Lisboa 2010.

ODEON. Room acoustics Software, Users Manual, 2009.

Colaboração técnica

Adriana Camargo de Brito – doutora em Engenharia Mecânica pela Universidade de São Paulo (USP), Mestre em Tecnologia do Ambiente Construído pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e arquiteta formada pela Universidade Paulista (UNIP). Trabalha no Laboratório de Conforto Ambiental do IPT desde 2006, atuando em avaliações e consultorias nas áreas de desempenho térmico, acústico, lumínico e ergonômico de edifícios. Também é docente do curso de Mestrado em Habitação do IPT.
Cristina Yukari Kawakita Ikeda – arquiteta e urbanista, doutora pela Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo (USP) e mestre pela Escola Politécnica da USP, trabalha no Laboratório de Conforto Ambiental do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo desde 2009, atuando em avaliações e consultorias nas áreas de desempenho e qualidade acústica.
Elisa Morande Salles – doutora em Física pela Universidade de São Paulo (2018), mestre em Física (2012) e bacharel em Física com habilitação em pesquisa básica (2009) pela mesma instituição. Desde 2012, é pesquisadora do Laboratório de Conforto Ambiental do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo com atuação em consultorias e avaliações do desempenho acústico e térmico de edifícios e componentes construtivos, mapeamento de ruído e simulações computacionais.
Marcelo de Mello Aquilino – físico formado pela PUC-SP com mestrado em Tecnologia na Construção de Edifícios pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo (IPT). Atualmente pesquisador do IPT vinculado ao Laboratório de Conforto Ambiental. Experiência de 32 anos na área de acústica e térmica. Professor do curso de mestrado do IPT.