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Absorção sonora (ISO 10534-2)

Existem duas versões do ensaio de absorção sonora em tubo de impedância. 

Na primeira versão, regida pela norma ISO 10534-1 (Determination of Sound Absorption Coefficient and Impedance in Impedance Tubes-Part 1: Method using standing wave ratio), o tubo de impedância mostrado na Fig. 1, possui um alto-falante através do qual passa uma sonda conectada a um microfone. A sonda pode se movimentar ao longo do tubo de impedância e uma escala (x) marca sua posição em relação à origem, considerada como sendo a superfície da amostra. Uma das terminações do tubo é rígida e na outra o alto-falante excita o tubo com um ruído senoidal de frequência conhecida. Sob a terminação rígida a amostra a ser medida é posicionada. Devido às dimensões do tubo, a uma certa distância do alto-falante, pode-se considerar o campo acústico composto por ondas planas e a superposição
das ondas incidente e refletida forma uma onda estacionária. Medindo-se os valores absolutos dos máximos e mínimos de pressão, pode-se obter o módulo do coeficiente de reflexão, e medindo-se as distâncias da superfície da amostras em que esses máximos e mínimos ocorrem, pode-se calcular a fase do coeficiente de reflexão. Este método de medição pode ser feito com equipamentos relativamente mais simples como por exemplo um osciloscópio, dispensando o uso dos modernos analisadores de sinais. No entanto, é um método custoso em termos do tempo gasto no ensaio, já que são necessárias várias medições de pressão sonora e posição da sonda para cada frequência medida.

Figura 1 - Esquema do tubo de impedância usado no ensaio de absorção sonora segundo a norma ISO 10354-1


Na segunda versão, regida pela norma ISO 10534-2 (Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes-Part 2: Transfer-function method), um esquema similar ao da Fig. 1 é utilizado. No entanto, ao invés de se utilizar 1 sonda conectada ao microfone e excitação com um tom puro, utilizam-se 2 microfones e excitação com um ruído de banda larga (e.g. ruído branco ou sweep). O esquema do tubo de impedância usado neste caso é mostrado na Fig. 2. 

Figura 2 - Esquema do tubo de impedância usado no ensaio de absorção sonora segundo a norma ISO 10354-2

Este método de medição permite uma redução drástica do tempo gasto no ensaio através do uso dos modernos analisadores de sinais e da medição da função resposta em frequência (H(f)) medida pelos 2 microfones utilizados no ensaio. A partir da medição da H(f) e da distância entre os dois microfones (x12) é possível calcular 3 quantidades: O coeficiente de reflexão (complexo), a impedância de superfície (complexa) e o coeficiente de absorção (real).

Para uma amostra de material poroso, por exemplo, pode-se utilizar o coeficiente de absorção obtido com o tubo de impedância para estimar as propriedades macroscópicas da amostra (resistividade ao fluxo, tortuosidade e porosidade) utilizando um método iterativo de ajuste de curvas.

Figura 3 - Coeficiente de absorção obtido com o tubo de impedância (vermelho) e com o modelo matemático (azul). 
Os parâmetros estimados pelo método iterativo são: Resistividade 9209,0 [Rayls/m], Porosidade: 0.99 [-], Tortuosidade: 1.01 [-]; 

O tubo de impedância deve ser construído de paredes rígidas e pode ter secção transversal circular ou quadrada, o que pode ser conveniente dependendo do tipo de amostra a ser caracterizada. No entanto, tubos de secção circular são mais usualmente utilizados devido a maior rigidez mecânica desta geometria, já que a norma especifica que as paredes do tubo devem ser rígidas de forma que modos de vibração na faixa de frequências de operação do tubo não sejam excitados por fontes externas ou pelo alto-falante. O tubo também deve ser reto e com secção interna constante (variabilidade < 0.2%). 

As principais limitações associadas a este ensaio são que somente o coeficiente de absorção por incidência normal pode ser medido, ja que o tubo de impedância assume ondas planas, e também uma limitação de faixa de frequências associada principalmente às dimensões da secção transversal do tubo. É muitas vezes necessário portanto construir um par de tubos de impedância e usar um deles para uma faixa de baixas frequências e outro para uma faixa de altas frequências. Tipicamente um bom aparato experimental pode medir o coeficiente de absorção em uma faixa entre 50 - 6000 [Hz]. Cuidados também devem ser tomados na inserção da amostra no tubo e no procedimento experimental (e.g. usar o método de troca dos microfones para reduzir os erros em baixas frequências).





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