Canal de ventilação aberto absorve a maior parte do som

Os engenheiros demonstraram que um canal de ventilação totalmente aberto consegue absorver a maior parte do som incidente numa ampla gama de frequências.

Este resultado desafia a antiga relação de compromisso entre circulação de ar e controlo de ruído, abrindo caminho a edifícios e máquinas mais silenciosos sem ser necessário fechá-los hermeticamente.

No interior da conduta de ensaio

Numa conduta recta equipada com um elemento aberto, o som que normalmente a atravessaria foi fortemente atenuado, enquanto o ar continuou a circular sem restrições.

Ao regular dois espaços ocos interligados no interior do elemento, o Dr. Sichao Qu, da Universidade de Hong Kong (HKU), registou níveis de absorção sonora muito superiores aos que um simples orifício aberto poderia alcançar.

Ao longo da gama de sons habitualmente audível pelas pessoas, o sistema absorveu cerca de 86% da energia sonora, em vez de actuar apenas numa frequência isolada.

Este desempenho num sistema ventilado e aberto em ambas as extremidades contraria os limites acústicos convencionais. Exige uma explicação mais clara para a forma como a barreira entre fluxo de ar e absorção acabou por ser ultrapassada.

O problema do ruído com circulação de ar

As aberturas permitem a passagem de pressão, pelo que o som atravessa as grelhas quase tão facilmente como o ar em movimento.

A espuma macia funciona quando os seus pequenos canais criam atrito no ar e convertem vibrações em calor, mas também dificulta a passagem do fluxo.

Nas condutas, os projectistas recorrem frequentemente a deflectores ou silenciadores compridos. Contudo, cada obstáculo adicional aumenta a potência exigida aos ventiladores e as necessidades de manutenção.

Esta relação de compromisso leva muitos edifícios a aceitarem salas técnicas mais ruidosas, sobretudo quando os regulamentos impõem caudais de ventilação elevados.

Duas câmaras retêm o som

Em vez de vedar uma abertura de ventilação, a equipa criou duas câmaras ligadas entre si que funcionavam como um absorvedor de ruído sintonizado.

Entre essas câmaras, as ondas sonoras sobrepostas anulavam-se mutuamente, reduzindo a quantidade de ruído que chegava à abertura.

O material poroso colocado nas cavidades introduzia fricção, fazendo com que a vibração restante perdesse energia sob a forma de calor, em vez de ser reflectida.

Com as duas extremidades abertas, as câmaras tinham de equilibrar a anulação e a dissipação numa grande variedade de tons, e não apenas numa faixa estreita.

A ligação à simetria

Na teoria proposta, a simetria de dualidade descreve um equilíbrio intrínseco entre transmissão e absorção, pelo que alargar uma destas características molda directamente a outra.

“O momento mais entusiasmante para mim foi perceber que a simetria de dualidade, um conceito da teoria de campos, governa a largura de banda de absorção de um sistema ventilado”, afirmou o Dr. Qu.

Para os projectistas, a regra da simetria estabelece um objectivo mais claro, pois quebrá-la desperdiça largura de banda, por mais engenhosa que a geometria possa parecer.

Um limite é duplicado

As regras de projecto anteriores tratavam os absorvedores como sistemas de um só lado, com um suporte rígido que impede a transmissão e reduz o problema apenas à reflexão.

Essa premissa sustenta uma restrição de causalidade, um limite que relaciona a espessura com a gama de frequências útil nos absorvedores passivos.

Permitir que o som saia pelas duas extremidades altera os cálculos, e a equipa de Qu mostrou que esse limite pode aumentar para cerca do dobro.

Sem esta actualização, os engenheiros poderiam considerar as aberturas de ventilação condenadas à partida, mesmo quando a geometria e a dissipação poderiam aproximá-las desses limites.

Avaliação dos novos designs

Comparar dois absorvedores pode ser complicado. Um pode ser fino, outro espesso, e ambos podem apresentar resistências diferentes ao fluxo de ar.

Para evitar selecções convenientes de resultados, a equipa utilizou uma figura de mérito, uma pontuação única que equilibra largura de banda, espessura e ventilação.

Em vez de premiar uma redução acentuada num único tom, a sua pontuação favorecia uma absorção ampla que se mantivesse forte nas frequências mais baixas.

Esta forma de avaliação revela designs que parecem impressionantes num gráfico, mas que exigem aberturas tão pequenas que quase não deixam o ar circular.

Limitações da espuma tradicional

Medições lado a lado compararam a nova amostra com um revestimento simples de espuma, construído para igualar o comprimento e o volume poroso.

Na mesma faixa de tons, a espuma registou uma absorção média de 61.4%, deixando uma diferença considerável que a geometria não conseguiu eliminar.

Ao contrário do design com câmaras, a espuma absorve apenas através da fricção, pelo que uma parte de cada onda continua a escapar pela abertura.

Esta diferença é relevante em locais onde as condutas têm de ser curtas, pois a espessura adicional ocupa rapidamente espaço e aumenta os custos dos ventiladores.

A ventilação mantém-se prática

O ar tinha de continuar a circular, pelo que o design preservou aberto um canal central e colocou o amortecimento em cavidades laterais.

Ao ajustar a escala das câmaras, a equipa ligou quatro unidades em série, cobrindo mais tons sem estreitar a abertura.

Manter a energia sonora mais intensa retida nas cavidades também protege o fluxo de ar, já que a maior parte do ar em movimento evita a espuma dissipativa.

As instalações reais continuarão a exigir verificações de poeiras, humidade e limpeza, porque gargalos estreitos e componentes porosos podem entupir com o tempo.

Próximos passos na acústica de ventilação

Continuaram a surgir efeitos de frequências mais elevadas e modos de vibração adicionais, pelo que o design actual não atingiu o limite teórico absoluto.

A optimização informática, incluindo inteligência artificial, software que pesquisa rapidamente diferentes designs, poderia ajustar as formas respeitando simultaneamente limites de resistência e fabrico.

Antes disso, os engenheiros terão de testar o comportamento destes silenciadores com ventiladores reais, fluxo turbulento e ar sujo nas condutas.

Regras melhores para absorvedores abertos poderão orientar a criação de edifícios e motores mais silenciosos, mas apenas se os projectistas medirem conjuntamente o fluxo de ar e o ruído.

O benefício de maior silêncio

Os projectistas dispõem agora de orientações mais claras para aberturas de ventilação que permanecem respiráveis, pois geometria, simetria e dissipação podem colaborar em vez de competir.

À medida que as equipas aplicarem esta ideia a edifícios e máquinas completos, o desgaste a longo prazo e o fluxo de ar real determinarão com que frequência ela compensará.