Desempenho acústico de painéis sanduíche

A poluição sonora é um fator determinante na definição da qualidade ambiental. De facto, não só representa uma séria ameaça à saúde humana e ao bem-estar físico e mental, como também tem um efeito significativo no valor dos imóveis, uma vez que uma casa ou um edifício construído num ambiente ruidoso é muito menos atraente.

O desenvolvimento da acústica nas últimas décadas tem sido notável e, ao mesmo ritmo, têm sido desenvolvidas normas relacionadas com diferentes tipos de medições acústicas. Esta normalização tornou-se necessária devido ao crescimento exponencial dos níveis de ruído nas zonas urbanas.

As normas que regem os níveis admissíveis de poluição sonora têm em conta os seguintes factores:

ruído transmitido pelos edifícios industriais ao ambiente;
ruído produzido pelo tráfego e transmitido aos edifícios circundantes;
níveis de ruído no interior dos edifícios e das oficinas;
as condições de isolamento acústico entre divisões de um edifício.

Como é evidente, o controlo do ruído caraterístico e exponencial de um edifício requer uma consideração cuidadosa de todos os aspectos da construção ou renovação durante a fase de projeto. Para o efeito, é necessário verificar os seguintes aspectos:

isolamento acústico das fachadas exteriores;
o isolamento acústico das divisórias verticais e horizontais;
o isolamento dos pavimentos;
o nível de emissão de ruído das instalações sanitárias;
ruído proveniente de instalações de serviço (elevadores, instalações de ar condicionado, autoclaves, etc.).

Por conseguinte, é durante a fase de conceção que toma forma e permite que o edifício seja verdadeiramente protegido contra o ruído exterior e interior.

Natureza do som

O som pode ser considerado como um conjunto de vibrações, produzido por uma fonte vibratória, que se propaga através do ar sob a forma de ondas de pressão e que provoca localmente condições de compressão e rarefação. As partículas de ar são excitadas por estas ondas e oscilam ao acaso, transferindo a sua energia para as partículas vizinhas, e assim sucessivamente. Isto leva ao momento em que chegam ao ouvido humano, que percebe este movimento como uma mudança de pressão e, finalmente, como som.

Os parâmetros fundamentais do som são a frequência e a pressão: a medida da intensidade do som quando este atinge o ouvido humano. A unidade de medida da frequência é o hertz, que se traduz pelo número de ciclos por segundo (ondas de vibração por segundo). Os adultos têm uma gama de audibilidade de 20 Hz a 20.000 Hz, embora o corpo humano possa ser influenciado por sons fora desta gama. Um som abaixo de 20 Hz é chamado de infrassom, enquanto o ultrassom ocorre acima de 20.000 Hz.

De qualquer modo, para uma dada frequência, o ouvido humano responde à pressão sonora, cuja unidade de medida é o Pa (N/m2). A pressão sonora mais baixa que o ouvido humano médio é capaz de detetar é de cerca de 2 x 10-5 Pa, enquanto o limite superior a partir do qual o ouvido começa a sentir dor é de cerca de 20 Pa.

Devido a esta vasta gama, os níveis de pressão sonora são normalmente expressos utilizando uma escala logarítmica. Assim, como a energia de uma onda sonora é proporcional ao quadrado da pressão sonora, a equação seguinte permite-nos definir a unidade de medida geralmente utilizada para a pressão sonora, o decibel (dB):

N p2 p

= 10 log — = 20 log —

po2 po

em que: Np = nível de pressão sonora (dB)

p = pressão sonora efectiva (Pa)

po = pressão sonora de referência: 2 x 10-5 Pa.

A sensibilidade do ouvido humano à pressão sonora varia consoante as várias frequências. O nível mínimo que pode ser percebido pelo ouvido humano numa determinada frequência é conhecido como o limiar de audibilidade. O limiar de audibilidade difere de pessoa para pessoa e também muda com a idade. Quando o som percebido pelo ouvido se torna mais alto, atinge um nível em que o ouvido humano começa a sentir um desconforto intenso. Este nível é conhecido como o limiar da dor e tem um valor de aproximadamente 140 dB. Estes limites, juntamente com os níveis típicos aproximados que ocorrem durante uma conversa ou ao ouvir música, são apresentados na Fig. 10.1.

Parâmetros acústicos fundamentais

O som pode ser absorvido, transmitido ou refletido. Quando uma onda sonora atinge um divisor, como um telhado ou uma parede, parte da energia sonora é reflectida, parte é absorvida no material e parte é transmitida através do material, como mostra a Figura 10.2.

Absorção

A percentagem do som incidente que é reflectida, absorvida ou transmitida depende do elemento de construção, do material de que é feito e da frequência do som. Com base nisto, podemos definir três parâmetros acústicos:

coeficiente de absorção, ? = percentagem do som incidente absorvido pelo elemento;
coeficiente de reflexão, ? = percentagem do som incidente refletido pelo elemento;
coeficiente de transmissão, ? = percentagem do som incidente transmitido pelo elemento.

Conceitos de isolamento e absorção do ruído

O isolamento acústico representa a capacidade de um elemento (por exemplo, um painel sanduíche) de impedir que as ondas sonoras incidentes o atravessem. Esta caraterística é de grande importância em todas as aplicações em que a transmissão de ruído de um ambiente para o ambiente adjacente deve ser reduzida (Fig. 10.3). A capacidade de isolamento acústico depende da frequência do som e da massa por unidade de área do deflector.

A absorção sonora exprime a capacidade da camada isolante do elemento divisório (por exemplo, a placa de lã mineral de um painel em sanduíche) para absorver a energia sonora que incide sobre ela. Esta caraterística é de extrema importância em todas as aplicações em que o nível de ruído dentro de um ambiente deve ser reduzido (Fig. 10.4).

Isolamento acústico

Aspectos fundamentais do isolamento acústico

O som aéreo é o som gerado numa sala ou numa instalação industrial a partir de uma fonte como um altifalante, uma conversa entre várias pessoas, uma televisão, etc. (não confundir com o som de impacto, que é produzido por forças aplicadas diretamente na estrutura, por exemplo, por passos). Pode ser transmitido para divisões adjacentes ou para o exterior através de diferentes vias de transmissão, tais como paredes divisórias, pavimentos, estrutura de suporte do edifício, janelas, portas e condutores, como mostra a Fig. 10.5.

A redução líquida da energia sonora produzida no ar e transmitida através de todas estas vias de propagação é conhecida como isolamento sonoro do ar ou simplesmente isolamento sonoro.

Em particular, é possível distinguir dois métodos diferentes de propagação: a propagação direta, em que a energia sonora passa diretamente através do elemento divisor, e a propagação indireta, em que a energia sonora passa através da estrutura circundante.

A propagação direta ocorre quando uma parede que separa duas salas adjacentes começa a vibrar quando atingida por uma onda sonora, fazendo com que o som se propague para além da parede. Para minimizar ao máximo este fenómeno, é necessário limitar a possibilidade de vibração das paredes, o que implica um estudo cuidadoso das características elásticas e de dissipação dos materiais de construção. Uma análise deste tipo não pode prescindir de medições laboratoriais para determinar as propriedades isolantes dos materiais, para estabelecer dados de conceção ou para verificar a conformidade dos materiais de construção com as normas em vigor.

A propagação indireta permite que o som chegue à sala recetora através de caminhos mais sinuosos do que o som direto. As paredes ou pavimentos junto ao elemento divisório são as principais vias de propagação indireta, mas este fenómeno também pode ocorrer com portas, janelas, vãos de tectos falsos e outros elementos capazes de reduzir a capacidade de isolamento sonoro do ambiente.

Neste caso, a possibilidade de reduzir ou eliminar as fugas de ar na proximidade do elemento divisório tem um efeito significativo no desempenho acústico do elemento divisório. Naturalmente, é altamente improvável que o material em análise apresente, na prática, as mesmas características que as detectadas em condições ideais no local de ensaio. Por esta razão, em qualquer problema de isolamento acústico, é essencial considerar ambos os métodos de propagação e identificar as partes mais fracas da construção.

A medida fundamental do isolamento sonoro proporcionado por uma parede divisória é designada por índice de redução sonora, perda de transmissão sonora ou capacidade de isolamento sonoro: é denotada pelo símbolo R e medida em decibéis (dB).

O valor R é obtido em laboratório, submetendo a amostra de ensaio a um teste de isolamento acústico. Uma vez que não é tido em conta qualquer mecanismo de propagação indireta, este valor indica a capacidade do elemento testado para reduzir a transmissão de energia sonora de um ambiente para outro, e é caraterístico das propriedades físicas do elemento (Fig. 10.6).

Quando as medições são efectuadas num edifício real e incluem os efeitos ligados à propagação indireta do som, às fugas sonoras, etc., o parâmetro de medição do isolamento sonoro é designado por rácio de redução sonora aparente, perda aparente de transmissão sonora ou capacidade aparente de isolamento sonoro: é denotado por R’ e é também medido em decibéis (dB) (Fig. 10.7).

W1 = Energia sonora incidente na parede,
W2 = Energia sonora transmitida através da parede
W3 = energia sonora transmitida lateralmente através da estrutura adjacente

O poder de isolamento acústico R varia em função da densidade da superfície ? da parede, ou seja, em função da massa por unidade de área do divisor (de acordo com a lei das massas) e da frequência f do som.

A lei das massas exprime uma relação clara entre a massa por unidade de área de uma parede e as suas propriedades de isolamento sonoro: se se considerar que a parede com maior massa superficial tem maior capacidade de contrariar os movimentos vibratórios geralmente induzidos pelas ondas sonoras incidentes, esta lei prevê que, cada vez que se duplica a massa por unidade de área de uma parede de uma só camada, o índice de redução sonora aumenta em cerca de 6 dB, reduzindo drasticamente a carga de pressão sonora fisicamente absorvida pelo homem.

Em aplicações práticas de construção, a parede de camada dupla é a solução preferida quando duas divisões adjacentes precisam de ser isoladas acusticamente, uma vez que o espaço entre as duas camadas pode ser preenchido com um material adequado para os valores de isolamento acústico desejados. A capacidade de isolamento acústico de uma parede de camada dupla aumenta consideravelmente quando é inserida uma placa de lã mineral entre as duas paredes.

É de notar que, embora o isolamento acústico possa ser melhorado num espaço habitacional, o ruído de baixa frequência é muito dispendioso e difícil de parar.

As ondas sonoras de baixa frequência, devido às suas grandes dimensões, tendem a envolver todo o ambiente, fazendo com que toda a estrutura vibre em uníssono. Neste caso, os sistemas de isolamento acústico comuns não são eficazes para bloquear estas ondas, uma vez que são demasiado grandes.

Propagação indireta do som

A propagação indireta diz respeito aos sons transmitidos para ambientes adjacentes através de estruturas dentro do elemento divisor. Este fator deve necessariamente ser tido em conta quando se utilizam elementos em sanduíche.

Seguem-se exemplos de soluções estruturais em que a propagação indireta do som pode ser conseguida:

uma parede exterior, construída com painéis em sanduíche, que atravessa um pavimento ou uma parede divisória interior, capaz de proporcionar um elevado grau de isolamento acústico;
paredes divisórias internas, caracterizadas por elevados valores de isolamento acústico, ligadas a um teto construído com painéis sanduíche.

Em ambos os casos, o som é transmitido principalmente através das estruturas em torno do elemento divisório (a parede exterior e o teto), uma vez que este constitui um caminho preferencial através do qual o som se pode propagar. A Figura 10.9 mostra dois exemplos de soluções que podem ajudar a reduzir o risco de propagação indireta.

Classificação de redução sonora para buracos e fendas

A taxa de redução de som oferecida por buracos e fissuras é quase igual a 0 dB. Por conseguinte, a influência de orifícios e fissuras pode ser importante, por exemplo, na correspondência de ligações entre painéis sanduíche, portas e janelas sem o isolamento correto e, em última análise, em quaisquer aberturas necessárias presentes em paredes divisórias.

Se existir um material de absorção de som nas fendas, garante uma maior taxa de redução do som nestes casos. Isto significa que a ligação entre painéis tipo sanduíche com uma camada de isolamento de lã mineral não é tão crítica como a ligação entre painéis em espuma rígida de poliuretano, que tem uma capacidade de absorção sonora muito baixa.

Um fenómeno reconhecido nas estruturas em sanduíche é a deflexão do painel, relacionada com uma diferença de temperatura entre as superfícies exteriores do painel, que pode ter um impacto desfavorável na redução do ruído.

Ensaio de isolamento acústico para a determinação do índice de redução sonora

O método de ensaio para a medição do índice de redução sonora, R, de um painel em sanduíche é realizado em conformidade com as seguintes normas internacionais:

EN ISO 140-3:1995, “Acústica – Medição do isolamento sonoro de edifícios e de elementos de construção – Parte 3: Medições laboratoriais do isolamento de elementos de construção contra o ruído aéreo”;
EN ISO 717-1:1996, “Acústica – Classificação do isolamento sonoro de edifícios e de elementos de construção – Parte 1: Isolamento sonoro a sons aéreos”.

O método de ensaio requer a utilização de duas câmaras adjacentes: uma das câmaras é utilizada como “câmara fonte”, produzindo um campo sonoro na mesma (com a ajuda de uma fonte sonora, como um altifalante omnidirecional), e a outra é considerada a “câmara recetora” (Fig. 10.10).

As câmaras são separadas por uma parede comum, equipada com uma abertura na qual deve ser fixada a amostra a ensaiar, como se mostra nas Fig. 10.11 e Fig. 10.12.

As câmaras de ensaio no laboratório são câmaras de reverberação, construídas de forma a evitar qualquer possível fuga de som, de modo a que, durante o ensaio, toda a energia chegue à câmara recetora exclusivamente através da parede de ensaio (Fig. 10.13).

Se indicarmos com L1 (dB) o nível médio de pressão sonora na câmara fonte e com L2 (dB) o nível médio de pressão sonora na câmara recetora, o rácio de redução sonora entre as duas câmaras é determinado por

R = L1 – L2 + 10 log S – 10 log A

em que S é a área do painel de amostras (m2) e A é a absorção total da câmara recetora (m2).

No final do ensaio, o organismo de certificação processa os resultados e emite um relatório de ensaio (Fig. 10.14), que consiste num gráfico do índice de redução sonora em função das várias frequências.

As curvas do índice de redução sonora, com variação de frequência, dos painéis PanelORG® Wall Sound de 100, 80 e 50 mm de espessura são apresentadas no gráfico seguinte (Fig. 10.15).

Valores indicativos de isolamento acústico de painéis em sanduíche

Os valores do índice de redução sonora obtidos com painéis em sanduíche são mais elevados nos casos em que a camada de isolamento é de lã mineral em vez de espuma de poliuretano.

Os painéis sandwich de espuma PUR permitem obter valores de índice de redução sonora sempre equivalentes a 25 dB.

Os valores do índice de redução sonora garantidos pelos painéis de lã mineral são significativamente mais elevados e dependem da espessura do painel. Os valores aproximados são apresentados no Quadro 10.2:

Espessura (mm)	Índice de redução sonora R (dB)
50	27
80	28
100	30
120	32
150	33

Tabela 10.2: Valores indicativos do índice de redução sonora dos painéis de lã mineral

Absorção sonora

Aspectos fundamentais da absorção sonora

Os painéis sanduíche são geralmente utilizados como paredes e coberturas em fábricas e oficinas: estas são geralmente caracterizadas por níveis de ruído frequentemente muito elevados.

Se forem utilizados painéis com superfícies metálicas e não for fornecido um sistema de absorção sonora adicional, a qualidade acústica do edifício pode não ser satisfatória, uma vez que a maior parte do som é reflectida à volta do edifício.

Para melhorar a qualidade acústica, é necessário instalar materiais de absorção de som no interior das divisões, fixando-os sob os revestimentos ou nas paredes. Os materiais de absorção de som mais comuns são as placas de teto, os elementos de mobiliário macio ou as telas. Estes e outros materiais de absorção sonora mais especializados são utilizados em escritórios, centros de atendimento ao cliente, cinemas, teatros, estúdios de música e televisão, fábricas, oficinas, veículos, etc.

Em todo o caso, os painéis em sanduíche com superfícies metálicas e um núcleo de lã mineral, em que uma das superfícies é perfurada, têm propriedades de isolamento e absorção do som e são adequados para utilização como paredes divisórias (em que não é necessária uma barreira de vapor) e em corpos de máquinas. Infelizmente, a utilização destes painéis é especialmente crítica em aplicações de paredes e envolventes de edifícios aquecidos, quando a temperatura exterior atinge valores particularmente baixos, uma vez que estes painéis não possuem propriedades de barreira ao vapor e podem causar fenómenos de condensação e gotejamento.

Um exemplo de um painel sanduíche com as características acima mencionadas é o PanelSandwich.ORG PanelORG® Wall Sound, apresentado na Fig. 10.16.

A constante material, que define a capacidade de um material absorver o som, é conhecida como coeficiente de absorção sonora, ? O coeficiente de absorção sonora varia com a frequência do som.

Este coeficiente indica a relação entre a energia absorvida e a energia incidente e, por conseguinte, varia entre 0 (reflexão total) e 1 (absorção total). As propriedades de absorção sonora de objectos, como cadeiras ou estofos, são quantificadas por um parâmetro denominado área de absorção sonora equivalente, que é a área de uma superfície perfeitamente absorvente (? = 1), capaz de absorver a mesma quantidade de som incidente absorvida pelo objeto real.

Ensaio de absorção sonora para determinação do coeficiente de absorção

Um método de ensaio para medir a capacidade de absorção sonora tanto de materiais planos, como tapetes ou ladrilhos acústicos, como de materiais isolados, como cadeiras, ecrãs acústicos e almofadas acolchoadas, baseia-se na utilização de uma câmara de reverberação.

O ensaio é efectuado de acordo com a norma internacional EN ISO 354:2003 “Acústica

Medição da absorção sonora numa câmara de reverberação”.

O método requer a criação de um campo sonoro numa câmara de reverberação inicialmente vazia. Quando a fonte sonora é desligada, mede-se o tempo de reverberação: este é o tempo necessário para que o nível de pressão sonora no interior da câmara desça abaixo dos 60 dB.

Em seguida, a amostra de teste é colocada na câmara e o tempo de reverberação é medido novamente. Devido às propriedades de absorção sonora da amostra, o tempo de reverberação deve ser mais curto. Assim, os dois tempos de reverberação detectados desta forma permitem calcular a área de absorção sonora equivalente da amostra.

A amostra de ensaio deve ser retangular, com uma relação largura/comprimento que varia entre 0,7 e 1 (Fig. 10.17). Deve ser colocado diretamente contra uma superfície da câmara, normalmente assente no chão e, de preferência, com os seus bordos não paralelos aos lados da câmara.

Os bordos da amostra devem ser selados ou cobertos para evitar que absorvam energia sonora, com uma estrutura de reflexão acústica feita de aço, madeira ou gesso cartonado. Em todo o caso, se os bordos da amostra de ensaio forem deixados a descoberto nas aplicações práticas em que é normalmente utilizada, devem também ser deixados a descoberto durante o ensaio.

Se a amostra de ensaio for obtida a partir da junção de duas ou mais peças de material, pode ser necessário cobrir as juntas com fita adesiva, com um material isolante adequado ou com outro material sem absorção sonora: isto evita que a amostra de ensaio absorva energia sonora em correspondência com as juntas.

O resultado do ensaio é uma curva que descreve a variação do coeficiente de absorção sonora com as variações de frequência, produzida pelo organismo de certificação num relatório final de ensaio (Fig. 10.18).

O gráfico seguinte (Fig. 10.19) refere-se à variação do coeficiente de absorção sonora, ?, com a variação da frequência, para um painel sanduíche PanelORG® Wall Sound com uma espessura de 50 mm.