Artigo para Revista Cipa, edio 381/julho, Novas tecnologias para atenuao do rudo. Prof. Samir N. Y. Gerges, Ph.D. Prof. da UFSC e Consultor de NR Consultoria e Treinamento.

Tecnologia para Atenuao de Rudo das Mquinas

O entendimento fsico das fontes geradoras de rudo e a dinmica de cada mquina, junto com as principais tcnicas de controle,

a melhor ferramenta para especificao, projeto e soluo do problema de rudo. Neste trabalho so abordadas as tecnologia

existentes relativas a rudo gerado por ventiladores, exaustores, vlvulas, motores eltricos e compressores.

Rudo dos Ventiladores e Exaustores

Do ponto de vista de direo do fluxo, existem dois tipos principais de rotores usados na indstria: os de fluxo axial e os de fluxo

centrfugo (ver figura1).

Figura 1. Componentes bsicos do sistema de ventilao. Esquerda centrfuga e direta axial (Gerges, 2000).

Fontes de Rudo

Os principais mecanismos de gerao de rudo em ventiladores ou exaustores so:

1- Rudo aerodinmico do tipo banda larga na freqncia, gerado em regies de fluxo turbulento e vrtices. Este mecanismo de

gerao de rudo contribui com os componentes mais significativos para o rudo total. A presena de elementos estacionrios

nesse campo rotativo, tais como suportes prximos s lminas ou ps do ventilador, pode aumentar o nvel de rudo.

2- Rudo causado pela passagem das ps prximas a elementos fixos.

3- Rudo de origem mecnica emitido por vibraes dos componentes estruturais e das ps.

Reduo do Rudo dos Ventiladores e Exaustores

A soluo clssica do problema de rudo de ventiladores e exaustores atravs da instalao de silenciadores resistivos. Nos

silenciadores resistivos usa-se revestimento das paredes internas dos dutos com materiais de absoro acstica. Tais silenciadores

so usados na sada e/ou entrada de ventiladores, exaustores, etc, para reduo de rudo de mdias e altas freqncias (ver figura

2).

Figura2. Silenciador resistivo para ventilador (Gerges, 2000).

Os silenciadores resistivos consistem de um duto circular ou retangular revestido internamente com materiais de absoro cstica,

alm de, em alguns casos, haver a presena de clulas divisoras paralelas do mesmo material; isto , l de vidro ou l de rocha

envolta por tecido e protegida por chapa perfurada ou tela leve metlica. A presena das clulas divisoras tem por objetivo colocar

maior parte da energia sonora em contato com os materiais absorventes. A figura 3 mostra configuraos tpica de silenciador e a

figura 4 mostra atenuao tpica de um silenciador.

Figura 3. configurao tpica de silenciador (Gerges, 2000).

A eficincia de atenuao de um silenciador resistivo depende dos seguintes fatores:

(1) Caractersticas acsticas dos materiais do revestimento usado e sua fixao e proteo.

(2) Espessura e comprimento dos materiais absorventes usados.

(3) Formas e dimenses dos espaos de passagem do ar.

Figura 4. Atenuao de rudo tpico de um silenciador (Gerges, 2000).

Rudo dos Motores Eltricos

Um motor eltrico um complexo gerador de rudo, devido s vibraes de seus componentes e ao fluxo turbulento do ar de

refrigerao.

Fontes de Rudo em Motores Eltricos

O rudo em motores eltricos pode ser classificado em trs categorias principais: magntico, mecnico e aerodinmico.

Rudo Magntico

O rudo magntico originado principalmente pelas foras magnticas que atuam no estator e no rotor, atravs do espao de ar,

dependendo do projeto do motor, sendo uma funo da densidade do fluxo magntico, do nmero e forma dos plos, do nmero e

forma das ranhuras e da geometria do espao de ar.

Rudo Mecnico

As principais fontes de rudo mecnico so:

1- Desbalanceamento do rotor;

2- Mancais e rolamentos;

3- Frico das escovas nos anis de escorregamento;

4- Frico acidental de componentes dos estatores e rotores;

5- Rudo devido a componente solto;

As fontes 4 e 5 indicam que o motor precisa de reparos e reviso.

Rudo Aerodinmico

criado por vrtices e fluxo turbulento do ar de refrigerao, que so produzidos pelas ps do rotor em movimento relativo aos

elementos estacionrios. Conseqentemente, a potncia sonora depende da velocidade de rotao.

Reduo do Rudo de Motores Eltricos

Um grande nmero de mquinas rotativas acionadoras so as maiores fontes de rudo industrial. A maioria acionada por motores

eltricos do tipo totalmente fechados com ventilao forada (TEFC), na faixa de 1 a 400 HP aproximadamente, com nveis de

potncia sonora de 88 a 112 dB(A). O sistema de ventilao dos motores TEFC utiliza uma ventoinha de ps retas para dar as

mesmas caractersticas nas duas direes de rotao, dependendo da escolha do usurio (figura 5). O espectro de rudo tem forma

de banda larga sendo causado por turbulncias do fluxo de ar (rudo aerodinmico), superposto a isto, os picos das freqncias

discretas de passagem das ps e suas harmnicas.

Figura 5. Ventoinha de pas reta (esquerda) e pas curvas (direta), (Gerges, 2000).

A figura 6 mostra o espectro dos nveis de potncia sonora de um motor de 15 HP (sem carga), girando a 3600 RPM, medido em

cmara reverberante, com e sem ventoinha original de refrigerao. Percebe-se uma diferena entre os nveis totais de at 20 dB, e

em algumas bandas de at 40 dB. Esta grande diferena causada pela ventoinha deste tipo de motor. Os picos no espectro das

freqncias de 780 Hz, 1560 Hz e 2240 Hz so a freqncia fundamental e os harmnicos da freqncia de passagem das ps

(3600 RPM e 13 ps).

Figura 6. Espectro de rudo de motor eltrico com e sem ventoinha (Gerges, 2000).

Uma soluo clssica para reduo dos nveis de rudo atravs da colocao de silenciador na entrada de ar do motor. Esta

soluo efetiva e fornece atenuao de at 10 dB no nvel total de rudo, dependendo da freqncia com nvel mximo de rudo e

do tamanho do silenciador; mas esta soluo considerada muito cara (figura 7).

Figura 7. Silenciador para reduo de rudo de motores eltrico (Gerges, 2000).

Outra soluo pode ser conseguida atravs da substituio da ventoinha de ps retas por outra de ps curvas. Neste caso, deve-se

usar o motor sempre rodando num nico sentido. Esta soluo fornece reduo total de 3 a 7 dB dependendo de cada caso (figura

5 a direita). Uma soluo na fonte atravs da substituio da ventoinha original de ps retas por ventoinha de discos paralelos.

Neste caso consegue-se atenuao de at 22 dB. Esta ventoinha, montada no eixo do motor eltrico constituda por um conjunto

de discos circulares paralelos, fixos entre si atravs de parafusos e afastados um do outro por espaadores (figura 8). A ventoinha

de discos substitui a ventoinha original de ps sem modificaes no motor. Esta soluo foi desenvolvida pelo autor deste artigo e

j est sendo aplicada em vrios tipos de motores satisfazendo a vazo necessria. A figura 9 mostra um dos casos onde foi

aplicada a ventoinha de discos paralelos; neste caso o motor de 20 CV, 3600 RPM. A figura mostra uma atenuao do nvel de

presso sonora de 107 dB para 84,3 dB, isto 22,7 dB de atenuao no nvel total. Alm de ter a mesma vazo e nveis de

vibraes na mesma ordem de grandeza nos mancais, o motor com ventoinha de discos paralelos apresenta uma reduo no

consumo de energia eltrica de 28% em relao ao consumo com ventoinha original.

Figura 8. Motor TEFC com venhoinha de discos pararellos de baixa nivel de ruido (Gerges, 2000).

Rudo de Vlvulas

Vlvulas de descarga ou reguladores de presso so elementos indispensveis em qualquer planta industrial, principalmente nas

petroqumicas. Elas so elementos de descarga de fludos para a atmosfera ou para meio de presso menor. O rudo gerado

atravs de mudanas bruscas nas condies do fludo no orifcio da vlvula. Na sada existe condio de baixa presso com alta

velocidade de fluxo. Portanto, o fluxo laminar, antes da vlvula, torna-se turbulento aps passar pela vlvula. Para valores do

nmero de Reynolds Re 1200 o fluxo laminar, para 1200 < Re < 2200 o fluxo misto, e para Re > 2200 o fluxo turbulento.

A freqncia central de maior rudo fica em torno de 2 a 4kHz. O rudo muito sensvel ao velocidade de fluxo. O aumento do

nvel de presso sonora fica entre 3 e 24 dB, quando se dobra a velocidade de fluxo.

As figuras 9 a 12 mostram exemplos prticos de reduo de rudo gerado por turbulncias do fluxo em vlvulas e dutos para

fornos.

Figura 9. Anel (esquerda acima) e difusor (direita acima) instalados na vlvula

para reduo de rudo aerodinmico (Gerges, 2000).

Figura 10. Silenciador para reduo de rudo aerodinmico em dutos (Gerges, 2000).

Figura 11. Silenciador tubular instalado em queimaduras (Gerges, 2000).

Figura 12. Reduo do rudo gerado por fluxo de ar na entrada do forno (Gerges, 2000).

Rudo de Jatos

Rudo de jatos uma fonte comum de poluio sonora nos meios industriais. O rudo de ar comprimido industrial considerado a

segunda fonte de rudo causadora do alto ndice de perda auditiva, sendo excedido somente pelo rudo de impacto de mquinas e

ferramentas. O rudo de jato ocorre a partir da descarga de mecanismos pneumticos e condies de fluxos intermitentes e

turbulentos. Jatos so usados numa multiplicidade de funes relacionadas transferncia de massa ou energia em um processo de

trabalho com peas. Em geral, o ar comprimido utilizado numa faixa de presso da linha na indstria, de 5 a 8 (Kgf/cm2), sendo

usado na remoo de cavacos da rea de trabalho, na retirada de resduos de gua ou de leo de superfcies de materiais

submetidos a processos de conformao mecnica, na secagem de peas, ejeo de peas conformadas em matrizes, resfriamento

e limpeza. Em cada caso existe a tendncia em se utilizar altas velocidades de jatos visando transferir o mximo possvel de

energia e massa, a fim de aumentar a eficincia das operaes. Portanto, na seleo do bocal para cada aplicao, deve-se

considerar o tipo de escoamento necessrio; por exemplo, para remover cavacos ou impurezas necessrio energia de fluxo

unidirecional, enquanto que para resfriamento de moldes se faz necessrio o mximo fluxo de ar.

Rudo Aerodinmico de Jatos Livres

O mecanismo de gerao de rudo e seu controle no jato depende do conhecimento das fontes envolvidas. Tal rudo criado por

um ou mais dos trs tipos bsicos de fontes aerodinmicas; monopolo, dipolo e quadripolo. A radiao sonora de um dipolo ocorre

quando um fluxo de gs interage com um corpo produzindo foras no estacionrias. J a radiao aerodinmica de um quadripolo

resulta das tenses viscosas em um fluxo de gs turbulento, na ausncia de interao com corpos slidos. As fontes quadripolo

aerodinmicas constituem o tipo dominante de fontes em alta velocidade subsnica e de jatos de ar turbulentos.

Estudos anteriores tem mostrado que o rudo total de jatos formado por vrios componentes. O principal deles e, certamente, o

componente mais difcil de ser eliminado, o devido mistura turbulenta do jato com o meio ambiente, quando da sada do bocal.

Este fenmeno chamado de rudo da zona de mistura (ver figura 13) e o que tem recebido maior ateno nos ltimos anos.

Aumentando-se a velocidade do jato V em um fator 2, aumenta-se o nvel de potncia sonora em 24 dB, enquanto que um

aumento da rea do bocal S pelo mesmo fator, aumenta-se o nvel de potncia sonora em somente 3 dB. Devido a fora do jato

ser proporcional a quadrado da V 2, melhor dobrar a fora aumentando a rea do bocal por um fator de 2, do que a velocidade do

jato por um fator de 1,4 , visto que o aumento na potncia sonora seria menor.

Figura 13. Estrutura de jato (Gerges, 2000).

Existem dois tipos de rudos gerados por jato. O primeiro tipo o devido ao prprio escoamento livre e o segundo ocorre quando

existe interao entre o escoamento e um obstculo na trajetria do fluxo. O jato livre mais simples um fluxo emanado de um

reservatrio atravs de um bocal convergente(figura 14). O gs acelerado de uma velocidade prxima a zero, no reservatrio, a

uma velocidade mxima na seo transversal do bocal. Neste jato idealizado, nenhuma interao assumida entre o fluxo e as

superfcies slidas adjacentes. O rudo somente um resultado dos processos de mistura turbulenta.

Figura 14. NPS medidos a 1m de um jato livre e de um jato obstrudo (Gerges, 2000).

Bocais de Jatos Silenciosos

A partir do conhecimento da gerao de rudo proveniente da zona de mistura turbulenta e como esta atua na estrutura do jato de

um bocal convergente, pode-se projetar bocais que renam caractersticas para atenuar esta fonte de rudo. Baseado nisto, alguns

modelos de bocais menos ruidosos so apresentados a seguir.

Bocal Difusor Mltiplo

Este tipo de bocal difusor substitui um simples orifcio grande por vrios orifcios menores, como mostrado na figura 15. Para

uma dada presso de reservatrio, o sistema com mltiplos orifcios fornece uma fora de jato maior e menor rudo. Tendo-se

alterado o bocal para um com vrios dimetros menores, a velocidade em cada um destes orifcios diminuir, ocorrendo uma

mudana no contedo das bandas de freqncia. Neste caso, o rudo gerado diminui devido reduo do tamanho da zona de

mistura. Finalmente, existe ainda um aumento da fora do jato e da vazo mssica, visto que a rea total de sada dos bocais

aumenta, quando comparada com a de um bocal tubular convencional.

Figura15. Bocal difusor mltiplo (Gerges, 2000).

Bocal Difusor Restritivo de Fluxo

Este tipo de bocal composto de um orifcio preenchido com uma tela ou malha, com o propsito de reduzir a velocidade de fluxo

do jato (figura 16). Sendo o rudo gerado pelo jato proporcional oitava potncia da velocidade de fluxo, haver um grande

decrscimo no nvel de rudo com o emprego deste bocal. Entretanto, a reduo de rudo conseguida tendo-se diminuio da

fora do jato, que proporcional vazo mssica do escoamento.

Figura 16. Boca difusora restritiva de fluxo (Gerges, 2000).

Boca Silenciadora

O princpio da tcnica de controle de rudo aplicado neste bocal o da utilizao de absoro da energia acstica gerada na zona

de mistura turbulenta, atravs das reflexes mltiplas no material. O uso de material absorvente aqui efetivo desde que o

espectro de rudo seja de banda larga e em altas freqncias. O ar aspirado do meio ambiente para acompanhar o fluxo de sada

aumenta a vazo mssica e, portanto, limita o aumento da fora do jato (figura 17).

Figura 17. Bocal silenciadora (Gerges, 2000).

Bocal Amplificador de Ar

A tcnica de controle de rudo empregada neste bocal a da criao de um jato secundrio proveniente de orifcios deslocados da

trajetria do escoamento principal. A colocao de um material poroso, prximo sada do orifcio central, oferece resistncia ao

escoamento, o que resulta em um aumento da presso esttica dentro do bocal. A quantidade de fluxo sob presso na trajetria

central permite que parte dele se desloque formando um jato secundrio. O jato secundrio forma ento uma pelcula fina de ar

que se movimenta em alta velocidade e que possui uma presso esttica inferior presso atmosfrica. Este vcuo parcial criado

pela pelcula permite sua aderncia aos contornos da parede do bocal e tambm induz o ambiente a funcionar como um

amplificador de vazo. Este ar seccionado ento misturado ao fluxo principal de uma forma suave e no turbulenta, criando um

fluxo quase laminar, reduzindo o rudo gerado pelo jato (figura 18).

Figura 18. Bocal Amplificador de Ar (Gerges, 2000).

Levantamentos dos nveis de presso sonora, potncia sonora, vazo do fluxo de ar e fora de vrios bocais de jatos foram feitos.

Os resultados mostram que o espectro de rudo de banda larga at fora da faixa de audio (figura 19).

Figura 19. Espectro tpico do nvel de potencia sonora de jato (Gerges, 2000).

O rudo gerado por descarga do ar comprimido para a atmosfera (mquinas pneumticas) pode ser reduzido usando o bocal de

difusor mltiplo (figura 20) .

Figura 20. Mquinas pneumticas com silenciadores de material poroso da 3M (Gerges, 2000).

Rudo dos Compressores

Os compressores so sistemas mecnicos compostos de uma parte fixa e uma parte rotativa ou alternativa, destinadas a aumentar a

presso dos fludos. Os compressores so classificados de acordo com o tipo de movimento e forma da parte rotativa em:

Compressores alternativos; Compressores de engrenagens; Compressores de lbulos; Compressores de palhetas; Compressores de

mbolos; Compressores de anel de lquido. As partes rotativas dos compressores sero chamadas genericamente de ps, apesar de

assumirem formas de dentes, lbulos, palhetas, etc...

Fontes de Rudo de Compressores

As fontes dominantes de rudo em compressores centrfugos ou axiais so:

(1) Turbulncia de fluxo devido passagem no suave do fludo.

(2) Separao do fluxo causado por interao do fluxo nas partes rotativas (rotores) e nas partes fixas (estatores), ou atravs de

outras partes estruturais.

(3) Fluxo no estacionrio (irregular) nas ps dos rotores, que gera rudo na freqncia de rotao e nos seus harmnicos.

Reduo do Rudo dos Compressores

Os compressores so mquinas rotativas de alta presso e baixa rotao, portanto geram rudo alto em baixas freqncias, por isto,

a reduo do rudo deve ser feita atravs de silenciadores reativos (figuras 21).

Figura 21. Compressor de lbulos mostrando dispositivos de reduo de rudo (Gerges, 2000).

Concluses

O trabalho apresentado mostra as tecnologias que existem hoje para reduo de rudo nas mquinas e equipamentos industriais.

Existem solues para todos os tipos de problemas de rudo em mquinas e equipamentos industriais. A limitao da aplicao de

qualquer soluo est no custo financeiro, que muitas vezes no vivel, assim algumas vezes, a compra de mquina nova mais

barata do que a reforma de uma mquina antiga para a reduo de rudo. O programa de conservao de audio e controle de

rudo, deve envolver no s os nveis de rudo, mas tambm o nmero de pessoas expostas.

Referncia

Rudo: Fundamentos e Controle, Samir N. Y. Gerges, 2000, segunda edio. NR Editora. www.laepi.com.br.