Programa de Pós-Graduação em Integridade de Materiais da Engenharia

VIBRAÇÕES E ACÚSTICA: A busca da engenharia pela integridade e conforto.

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Prof.ª Maria Alzira de Araújo Nunes, Dr. Eng. Mec.

Fevereiro/2013

Profª. Maria Alzira A. Nunes•Engenheira Mecânica•Mestrado e Doutorado pela Univ. Fed. de Uberlânida/MG

•Área de Concentração: Mecânica dos Sólidos e Vibrações

•Áreas de atuação (pesquisa):-Vibrações e Acústica

-Identificação de fontes de ruído e vibrações

-Controle de vibrações e ruído

-Dutos acústicos

-Controle ativo de ruído

-Métodos numéricos aplicados à acústica-Métodos numéricos aplicados à acústica

-Dinâmica Multicorpos

• Docente do curso de Engenharia Automotiva da Faculdade UnB Gama• Disciplinas Grad.: Eng. Seg. do Trab.; Acústica e Vibrações Veiculares; Dinâmica

Multicorpos Veicular.

• Pós Grad. Int. Mat.: Fundamentos de acústica; Dinâmica multicorpos (proposto)

• Coordenadora do Núcleo de Integridade e Testes - NIT (www.nit.unb.br)

• Grupo de Mod. e Sim. de Sistemas Automotivos: www.gmssa.unb.br

Contato: maanunes@unb.br

VIBRAÇÕES x ACÚSTICA

VIBRAÇÕES

A maioria das atividades humanas envolve alguma forma de vibração:

Nós ouvimos porque o tímpano vibra.

Nós vemos porque ondas luminosas se propagam.

A respiração está associada à vibração dos pulmões.

Os batimentos cardíacos são movimentos vibratórios do coração.

A fala se fundamenta na vibração das cordas vocais.

Os nossos movimentos envolvem oscilações de braços e pernas.

Em muitos outros campos da atividade humana, fenômenos apresentam variáveis

cujo comportamento é oscilatório (economia, biologia, química, física, etc.).

Em engenharia, as aplicações das vibrações mecânicas são de grande

importância nos tempos atuais.

Projetos de máquinas, fundações, estruturas, motores, turbinas, sistemas de

controle e outros, exigem que questões relacionadas com vibrações sejam

levadas em conta.

�Os primeiros estudos de vibrações em engenharia foram motivados pelo problema de

desbalanceamento em motores.

�O desbalanceamento pode ser tanto devido a problemas de projeto como de fabricação e

manutenção.

�Em turbinas, os engenheiros ainda não foram capazes de resolver uma grande parte dos

problemas originados em pás e rotores.

�As estruturas projetadas para suportar máquinas centrífugas pesadas (motores, turbinas,

bombas, compressores, etc.) também estão sujeitas a vibração, sendo possível que partes

dessas estruturas sofram fadiga devido à variação cíclica de tensões.

�A vibração também causa desgaste mais rápido em mancais e engrenagens, provocando ruído

excessivo.

VIBRAÇÕES

excessivo.

�Em máquinas, a vibração pode provocar o afrouxamento de parafusos.

�Em processos de usinagem, a vibração pode causar trepidação, conduzindo a um pobre

acabamento superficial.

Balanceamento de hélices axiais

Helicóptero sofre fenômeno da

ressonância

Ponte de Tacoma

ressonância

No contexto da Pós-Graduação em Integridade de Materiais da Engenharia....

Os sinais de vibrações são altamente utilizados para

monitoramento de integridade estrutural, já que a presença de falhas altera as propriedades físicas e geométricas do

sistema, resultando em variações na resposta dinâmica do mesmo.

O método envolve: a observação das respostas dinâmicas,

a extração de indicadores sensíveis à falha a partir das

medidas e a análise estatística dos indicadores para

1- Monitoramento da Integridade estrutural via sinais de vibrações

medidas e a análise estatística dos indicadores para

determinar a integridade estrutural do sistema.

�Monitoramento da vida de ferramentas de corte (Utilização de redes neurais,

lógica Fuzzy).

�Manutenção Preditiva: Ex.: Diagnóstico

Automáticos de falhas em grupo geradores

hidroelétricos.

�Desenvolvimento de sensores de baixo custo para utilização em monitoramento de

falhas.

� Monitoramento da Integridade Estrutural de Sistemas Mecânicos via Observador de Estado Modal: determinar o modo de vibrar maisafetado pela presença de um dano qualquer no sistema monitorado.

�Identificação e caracterização de falhas estruturais através da metodologia das ondas de Lamb utilizando materiais piezelétricos como sensores e atuadores: aplicação em aeronáutica.

�Simulação numérica do comportamento dinâmico de materiais viscoelásticos

DEMAIS APLICAÇÕES:

�Detecção de Falhas em Estruturas Complexas usando Síntese Modal dos Componentes

�Transfer Path Analysis – TPA: Análise por Trajetórias de Transferência .

ACÚSTICA� A acústica é a ciência que estuda a geração, transmissão e percepção dasondas sonoras em meios elásticos tanto no intervalo da audição humana comonas frequências ultrasônicas e infrasônicas.

� Área multidisciplinar: voz, música, telefonia, acústica arquitetônica, controlede ruído, acústica submarina, aplicações médicas, etc.

�Áreas de trabalho e pesquisa em Acústica:

� Acústica arquitetônica – estuda a interação do som com asconstruções. Ex.: Salas de concertos, teatros, auditórios, edificações, etc.� Engenharia acústica – Projeto e utilização de transdutores paramedição do som. Inclui-se a instrumentação para diagnósticos médico,sísmico e reprodução de áudio.� Acústica musical – Projeto de instrumentos, sistemas de gravações,modificação eletrônica da música através do estudo de sua percepção.� Controle de ruído e vibrações – Uma das maiores áreas. Atuação emfábricas, órgãos governamentais, etc. Controle preventivo de máquinasmediante a análise de vibrações.� Bioacústica e acústica médica – Estuda a interação entre as ondassonoras e os corpos humanos e animais. Utilização de ultrasom comoferramenta de diagnóstico e tratamento.

O som é uma forma de transmitir informação, independente da nossa capacidade de escutá-lo.

A transmissão do som pode fornecer informações sobre o meio em que ele se propaga.

Diagrama proposto por Lindsay, 1964.

Som e Ruído

• Ruído: Som sem harmonia (conotação negativa), ou seja, indesejável.

• Som: De uma forma muito simplificada, som pode ser entendido como tudo aquilo que a gente ouve.

� As partículas de ar se chocam uma com as outras, saindo e retornando a posição de repouso, passando uma vibração que se propaga até atingir o tímpano e transformar, dentro do cérebro, essa informação em som.

• Som indesejável: Depende do ponto de vista.

– O som de um serra elétrica?

– Sobrevôo de um helicóptero?

Ruídos podem transmitir informações úteis (manutenção).

Mascaramento Sonoro: o ruído é utilizado no combate a

outro mais perturbador. Ruídos de baixa intensidade são utilizados em escritórios panorâmicos no mascaramento de outros sons, tornando estes últimos menos intrusivos.

Som

Ruído

No contexto da Pós-Graduação em Integridade de Materiais da Engenharia....

1- TÉCNICA DE EMISSÃO ACÚSTICA (EA)

A verificação da degradação de equipamentos industriais requer altos custos de

inspeção nos mesmos.

Ensaios não destrutivos: Rápidos e não confiáveis ou Altamente confiáveis e lentos.

Emissão acústica é o fenômeno que ocorre quando uma descontinuidade é submetida à

solicitação térmica ou mecânica. Uma área portadora de defeitos é uma área de solicitação térmica ou mecânica. Uma área portadora de defeitos é uma área de

concentração de tensões que, uma vez estimulada, origina uma redistribuição de tensões

localizadas. Este mecanismo ocorre com a liberação de ondas de tensões na forma de

ondas mecânicas transientes. A técnica consiste em captar esta perturbação no meio,

através de transdutores piezelétricos instalados de forma estacionária sobre a estrutura.

EA: avalia o comprometimento estrutural que eventuais descontinuidades impõem à

condição de integridade com rapidez e alta sensibilidade.

Objetivo da EA: avaliar a condição de integridade, localizando e classificando as áreas

ativas quanto ao grau de comprometimento que eventuais descontinuidades impõem à

integridade estrutural.

1- TÉCNICA DE EMISSÃO ACÚSTICA (EA)

Principal vantagem: realização dos ensaios quando o equipamento está em operação.

Aplicações do método de EA:�Monitoramento do teste hidrostático inicial em vasos de pressão;

�Monitoramento contínuo para equipamentos, componentes ou maquinas em

operação, fadiga em serviço ou em protótipos, regiões em plataformas, vasos de pressão, etc;

�Monitoramento do desgaste de ferramentas e controle do processo de soldagem;�Caracterização de materiais compostos (fibras de vidro, fibra de carbono, concreto, etc).

Exemplo de aplicação: Aplicações da Técnica de Emissão Acústica em Dutos e Tubulações .

2- CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS ACÚSTICOS

�Em diversas aplicações em acústica o uso de materiais absorvedores é de extrema importância.

�Em controle de ruído em plantas industriais, por exemplo, materiais absorvedores podem ser

aplicados entre as camadas de uma parede dupla a fim de aumentar sua perda de transmissão.

�Painéis acústicos também são amplamente usados no controle da reverberação em cinemas,

teatros e diversos outros recintos.

�Além disso, seu uso na indústria automotiva e aeronáutica é também bastante difundido devido à

necessidade de limitar o ruído ao qual os usuários dos automóveis e aviões estão expostos.

�Uma outra aplicação é a utilização de materiais absorvedores em filtros acústicos, de forma a

melhorar suas características acústicas.

�Muitos outros exemplos de aplicação de materiais podem ser encontrados, e devido à sua

importância, a caracterização de tais amostras é necessária.

Material poroso

Material fibroso

2- CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS ACÚSTICOS

-Medição da impedância acústica e do coeficiente de absorção acústica (tubo de impedância ou in situ);

-Medição da perda por transmissão.

Determinação do coeficiente normal de absorção sonora pelo Método do tubo de Impedância

Exemplos de amostras para testesTubo de impedância do NIT-FGA

Determinação do coeficiente normal de absorção sonora pelo Método do tubo de Impedância

Exemplos de aplicações:�Avaliação de propriedades fono-absorventes de materiais para painéis de revestimento.�Caracterização acústica de painéis de fibras de coco.�Desenvolvimento e aprimoramento de técnicas para medição do coef. Abs. Em tubos de impedância.�Caracterização acústica de materiais para utilização em pavimentos (contato pneu/rodovia)�Influência da preparação da amostra na determinação do coef. de abs. Acústica.�Desenvolvimento de novos materiais com propriedades acústicas.�Caracterização da impedância acústica de materiais localmente reativos (Liners) para utilização em aeronaves.

Determinação do coeficiente normal de absorção sonora e impedância acústica pelo Método in situ

Vantagens: o fato da medição in situ ser um método não

destrutivo, que leva em conta condições realistas de montagem da amostra e os efeitos de acúmulo de sujeira e a

não necessidade de um ambiente especial para a medição.

Desvantagens: suas limitações em baixas e altas frequências, devido à distância finita entre os microfones.

Determinação da perda de transmissão de materiais acústicos

�Em aviões ou mísseis, a fuselagem pode vibrar por causa de ondas sonoras produzidas pelas turbinas ou hélices. Isso pode ocorrer pela excitação direta dos motores ou por causa dos vórtices de turbulência que se propagam pela superfícies externas devido ao movimento do corpo pelo ar. Ondas que se propagam pela fuselagem irradiam ondas para o interior que se propagam pelo ar e são ouvidas pelos passageiros ou causam vibrações de equipamentos.

�Em automóveis, as vibrações do motor são transmitidas pela estrutura para os lados e o teto do carro, transmitindo assim, ondas para o interior. A turbulência do ar também causa ondas que se propagam pela estrutura.

�Valores altos da perda de transmissão tem como significado uma baixa transmissão de energia acústica.

Determinação da perda de transmissão de materiais acústicos

Medição da perda na transmissão através de duas câmaras reverberantes:

Apparatu para determinação experimental da perda de Transmissão

de materiais acústicos - NIT/FGA

3- MODELAGEM NUMÉRICA DE MATERIAIS ACÚSTICOS

Objetivo: obter a propagação sonora em materiais porosos e fibrosos.

Alguns Modelos desenvolvidos :�O modelo de Delany e Bazley�O modelo de Allard e Champoux

�Teoria da poroelasticidade de Biot.

�The Cell Method (CM).Utilização de métodos experimentais para validação dos modelos

analíticos/numéricos:

�Considerar os efeitos térmicos,

viscosos, etc...

�Modelagem matemática (aplicação de métodos matemáticos).

Exemplo de aplicação: Modelagem acústica de materiais microperfurados.

4- MODELAGEM NUMÉRICA VIBRO-ACÚSTICAEstudo e desenvolvimento de métodos numéricos voltados para a solução de problemas vibro-

acústicos, ou seja, envolvendo o acoplamento fluido-estrutura.

�Desenvolvimento da metodologia de aplicação dos métodos tradicionais (Elementos Finitos,

Elementos de Contorno, Analise Estatística Energética);

�Desenvolvimento de métodos recentemente desenvolvidos (Método Híbrido FEM-SEA, etc);

�Desenvolvimento de ferramentas numéricas que ampliem o leque de aplicações dos métodos

tradicionais (Método de Multipolos aplicado a BEM, etc);

�Desenvolvimento de novos métodos numéricos para a simulação vibro-acústica.

Softwares disponíveis na FGA: Ansys, LSDyna, LMS Virtual Lab. Acoustic, Labview.

MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS APLICADO A UMA CAVIDADE VEICULAR:

Modelagem de Silenciadores (Mufflers) Acústicos pelo Método de Elementos Finitos:

Modelagem e Otimização de um Ressonador de Helmholtz

Método de Elementos de Contorno- Radiação Sonora

Exemplo de aplicaçãoModelagem Acústica de Estruturas Aeronáuticas utilizando BEM aplicada à detecção de

danos: emissão de um sinal acústico na superfície, a alteração do comportamento deste

sinal pode indicar um dano na estrutura.

Acoustical Transfer Vector - ATV

BEM Acoustic do motor Modos Acústicos - FEM

Síntese Modal de Componentes Acústicos - SMC

Típica subestruturação de um aviãoSubestruturação fluido-estrutura

Onde:

Aplicação em Mufflers

5- CONTROLE ATIVO DE RUÍDO

Princípio básico do cancelamento de ruído Diagrama de blocos

Transformador elétrico com controle ativo

Set-up de Laboratório

Simulações de CAR- Utilizando MEF

Duto Particionado – 2 Fontes de controle

Com Controle

Sem Controle

220 HzAtenuação: 13 dB

Duto sem partição – 2 Fontes de controle

Com Controle

Sem Controle

Atenuação: 9 dB

Obrigada!

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Aos interessados, entrar em contato pelo e-mail:

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