Material acústico projetável – Ressonador de Helmholtz

Existem uma gama de materiais acústicos para tratamento acústico que são utilizados para basicamente três finalidades: condicionamento acústico, isolamento acústico e controle de ruído. Para um profissional iniciante ou com pouco conhecimento na área é um difícil saber diferenciar a finalidade dos diversos materiais existentes no mercado. Um dos materiais acústicos pouco explorados em sua potencialidade são os ressonador de Helmholtz. Assim como os ressonador de membrana, o ressonador é um material acústico que atua em baixas frequências com absorção sonora restrita a uma faixa de frequência limitada. Isso significa que eles devem ser projetados para atuar em condições específicas que exigem absorção mas também apresentam dificuldades extras, como por exemplo grandes gradientes de temperatura, ambientes agressivos ou restrições de espaço físico. Falaremos sobre as particularidades do Ressonador de Helmholtz, como ele funciona e quais são suas características físicas e aplicações.

O que é um ressonador?

Na grécia antiga os teatros públicos que eram ao ar livre já apresentavam este elemento mesmo que de maneira rudimentar. Vasos eram colocados de cabeça para baixo no chão e entreabertos no palco de madeira dos teatro ou ainda nos degraus do auditório. Tais vasos, descritos por Marcus Vitruvius Pollio, nos anos 25 antes de cristo, vibravam em uma frequência específica de acordo com as dimensões do vaso, seu volume interno e tamanho do pescoço, de forma a vibrar o palco e com isso amplificar o som. A frequência de vibração era em geral de 100 a 300 Hz, que coincide com a frequência fundamental da voz humana. Com isso, conseguia-se uma sensação de poder na voz, que também foi descrita como perfeição acústica por Marcus. Vide este artigo.

Muito tempo depois, em 1860, Hermann von Helmholtz demonstrou as variedades de tons que se conseguia gerar com um vaso o qual chamou de resonador. Um exemplo do ressonador de Helmholtz é o som criado quando alguém assopra pelo gargalo de uma garrafa vazia. O ressonador é um sistema clássico de controle passivo de ruído muito utilizado hoje em dia em dutos, mufflers, sistemas de ventilação, aeronaves, escritórios e auditórios.

Em geral o ressonador é constituído de uma cavidade, ou volume de ar, conectado a um sistema acústico o qual se deseja a absorção de determinada faixa estreita de frequências. Tal volume de ar age como uma mola que é comprimida e rarefeita ao receber ondas sonoras de pressão pela entrada do ressonador. O gargalo, ou pescoço na entrada do ressonador pode ter comprimento variável e com isso alterar a inertância do sistema, ou seja, a massa de ar que vibra na boca do ressonador. Juntos o volume e o gargalo, forma-se um sistema massa mola que é amplamente modelado e equacionado nos estudos mecânicos.

Aplicações modernas

Nos dias de hoje uma das aplicações mais significativas dos ressonadores é na entrada dos dutos de um motor turbofan de uma aeronave comercial e em silenciadores de carros. No caso de aeronaves. próximo às pás de uma hélice do motor estão localizados ressonadores compostos por uma chapa perfurada sobre uma cavidade em formato de colméia. A profundidade da cavidade praticamente determina a frequência de ressonância do sistema para uma condição sem escoamento de ar rasante sobre a placa perfurada. E a taxa de perfuração por célula pode determinar também inertância do sistema. Veja na figura abaixo uma amostra de ressonador de profundidade variável criado pela NASA para experimentos em uma bancada de testes. O objetivo dos pesquisadores é desenvolver um resonador de banda larga com alto poder de absorção sonora em uma ampla faixa de frequências, que seja compacto e que seja facilmente projetável.

Essa não é uma tarefa fácil, considerando que a entrada de uma turbina de aeronave está exposta à variações de temperatura, escoamento de ar sobre a placa perfurada e diversas frequências de ressonância do duto principal do motor, os chamados modos acústicos do duto.

Tecnologias que envolvem ressonadores

As tecnologias mais modernas de condicionamento acústico baseadas nos princípios dos ressonadores de Helmholtz envolvem basicamente:

• Chapas microperfuradas (MPPs – Micro perfurated plates)
• Ressonadores com cavidades curvas
• Ressonadores com microtubos

As MPPs apresentam chapas com perfurações da ordem de 0,2 a 0,8 mm com baixas áreas abertas (1 a 5%) as quais promovem absorções em amplas faixas de frequência. Os ressonadores com cavidades curvas apresentam a possibilidade de conseguir reduzir o espaço disponível para aplicação do material acústico e atingir baixas frequências de ressonância. Já os ressonadores com microtubos apresentam a facilidade de modelagem da inertância do sistema em regimes lineares de excitação sonora (baixos Niveis de Pressão Sonora – NPS) e com isso melhor previsão do comportamnto.

Tendências e conclusões

Acreditamos que para obter um material acústico projetável seja necessária uma mescla das tecnologias apontadas acima. Ao se valer de métodos de manufatura avançada baseados em fotolitografia é possível conseguir ressonadores de banda larga. Preferencialmente os ressonadores devem atuar em baixas frequências, com dimensões aceitáveis e que sejam altamente previsíveis quanto à sua impedância acústica. As aplicações deste material acústico projetável pode ir além do mercado aeroespacial, passando por drones, aviação pessoal, automotivo e arquitetônico, entretanto o custo será fator determinante. Considera-se que tais projetos são de alto risco para a indústria, mas o problema do ruído das aeronaves em áreas residenciais só tende a piorar se não formos para modelos elétricos de baixo ruído. No caso da indústria automotiva, Elon Musk apresenta modelos e perspectivas muito claras para um futuro elétrico, mas ainda assim, dispositivos acústicos serão necessários para atuar em diferentes faixas de frequência que podem ser até mais incômodas devido às características subjetivas as quais o ruído elétrico nos causa. Além disso, estudos recentes ainda não publicados mostram a maior qualidade acústica proporcionada por ressonadores de Helmholtz em divisórias de escritórios open office frente a outros revestimentos acústicos. Ainda há muito mais nos esperando quanto a isso…

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