Acionamento, Comando e Controle de Máquinas Elétricas - Richard M. Stephan
Controle de Ruído Em Máquinas
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Artigo para Revista Cipa, edio 381/julho, Novas tecnologias para atenuao do rudo. Prof. Samir N. Y. Gerges, Ph.D. Prof. da UFSC e Consultor de NR Consultoria e Treinamento.
Tecnologia para Atenuao de Rudo das Mquinas
O entendimento fsico das fontes geradoras de rudo e a dinmica de cada mquina, junto com as principais tcnicas de controle,
a melhor ferramenta para especificao, projeto e soluo do problema de rudo. Neste trabalho so abordadas as tecnologia
existentes relativas a rudo gerado por ventiladores, exaustores, vlvulas, motores eltricos e compressores.
Rudo dos Ventiladores e Exaustores
Do ponto de vista de direo do fluxo, existem dois tipos principais de rotores usados na indstria: os de fluxo axial e os de fluxo
centrfugo (ver figura1).
Figura 1. Componentes bsicos do sistema de ventilao. Esquerda centrfuga e direta axial (Gerges, 2000).
Fontes de Rudo
Os principais mecanismos de gerao de rudo em ventiladores ou exaustores so:
1- Rudo aerodinmico do tipo banda larga na freqncia, gerado em regies de fluxo turbulento e vrtices. Este mecanismo de
gerao de rudo contribui com os componentes mais significativos para o rudo total. A presena de elementos estacionrios
nesse campo rotativo, tais como suportes prximos s lminas ou ps do ventilador, pode aumentar o nvel de rudo.
2- Rudo causado pela passagem das ps prximas a elementos fixos.
3- Rudo de origem mecnica emitido por vibraes dos componentes estruturais e das ps.
Reduo do Rudo dos Ventiladores e Exaustores
A soluo clssica do problema de rudo de ventiladores e exaustores atravs da instalao de silenciadores resistivos. Nos
silenciadores resistivos usa-se revestimento das paredes internas dos dutos com materiais de absoro acstica. Tais silenciadores
so usados na sada e/ou entrada de ventiladores, exaustores, etc, para reduo de rudo de mdias e altas freqncias (ver figura
2).
Figura2. Silenciador resistivo para ventilador (Gerges, 2000).
Os silenciadores resistivos consistem de um duto circular ou retangular revestido internamente com materiais de absoro cstica,
alm de, em alguns casos, haver a presena de clulas divisoras paralelas do mesmo material; isto , l de vidro ou l de rocha
envolta por tecido e protegida por chapa perfurada ou tela leve metlica. A presena das clulas divisoras tem por objetivo colocar
maior parte da energia sonora em contato com os materiais absorventes. A figura 3 mostra configuraos tpica de silenciador e a
figura 4 mostra atenuao tpica de um silenciador.
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Figura 3. configurao tpica de silenciador (Gerges, 2000).
A eficincia de atenuao de um silenciador resistivo depende dos seguintes fatores:
(1) Caractersticas acsticas dos materiais do revestimento usado e sua fixao e proteo.
(2) Espessura e comprimento dos materiais absorventes usados.
(3) Formas e dimenses dos espaos de passagem do ar.
Figura 4. Atenuao de rudo tpico de um silenciador (Gerges, 2000).
Rudo dos Motores Eltricos
Um motor eltrico um complexo gerador de rudo, devido s vibraes de seus componentes e ao fluxo turbulento do ar de
refrigerao.
Fontes de Rudo em Motores Eltricos
O rudo em motores eltricos pode ser classificado em trs categorias principais: magntico, mecnico e aerodinmico.
Rudo Magntico
O rudo magntico originado principalmente pelas foras magnticas que atuam no estator e no rotor, atravs do espao de ar,
dependendo do projeto do motor, sendo uma funo da densidade do fluxo magntico, do nmero e forma dos plos, do nmero e
forma das ranhuras e da geometria do espao de ar.
Rudo Mecnico
As principais fontes de rudo mecnico so:
1- Desbalanceamento do rotor;
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2- Mancais e rolamentos;
3- Frico das escovas nos anis de escorregamento;
4- Frico acidental de componentes dos estatores e rotores;
5- Rudo devido a componente solto;
As fontes 4 e 5 indicam que o motor precisa de reparos e reviso.
Rudo Aerodinmico
criado por vrtices e fluxo turbulento do ar de refrigerao, que so produzidos pelas ps do rotor em movimento relativo aos
elementos estacionrios. Conseqentemente, a potncia sonora depende da velocidade de rotao.
Reduo do Rudo de Motores Eltricos
Um grande nmero de mquinas rotativas acionadoras so as maiores fontes de rudo industrial. A maioria acionada por motores
eltricos do tipo totalmente fechados com ventilao forada (TEFC), na faixa de 1 a 400 HP aproximadamente, com nveis de
potncia sonora de 88 a 112 dB(A). O sistema de ventilao dos motores TEFC utiliza uma ventoinha de ps retas para dar as
mesmas caractersticas nas duas direes de rotao, dependendo da escolha do usurio (figura 5). O espectro de rudo tem forma
de banda larga sendo causado por turbulncias do fluxo de ar (rudo aerodinmico), superposto a isto, os picos das freqncias
discretas de passagem das ps e suas harmnicas.
Figura 5. Ventoinha de pas reta (esquerda) e pas curvas (direta), (Gerges, 2000).
A figura 6 mostra o espectro dos nveis de potncia sonora de um motor de 15 HP (sem carga), girando a 3600 RPM, medido em
cmara reverberante, com e sem ventoinha original de refrigerao. Percebe-se uma diferena entre os nveis totais de at 20 dB, e
em algumas bandas de at 40 dB. Esta grande diferena causada pela ventoinha deste tipo de motor. Os picos no espectro das
freqncias de 780 Hz, 1560 Hz e 2240 Hz so a freqncia fundamental e os harmnicos da freqncia de passagem das ps
(3600 RPM e 13 ps).
Figura 6. Espectro de rudo de motor eltrico com e sem ventoinha (Gerges, 2000).
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Uma soluo clssica para reduo dos nveis de rudo atravs da colocao de silenciador na entrada de ar do motor. Esta
soluo efetiva e fornece atenuao de at 10 dB no nvel total de rudo, dependendo da freqncia com nvel mximo de rudo e
do tamanho do silenciador; mas esta soluo considerada muito cara (figura 7).
Figura 7. Silenciador para reduo de rudo de motores eltrico (Gerges, 2000).
Outra soluo pode ser conseguida atravs da substituio da ventoinha de ps retas por outra de ps curvas. Neste caso, deve-se
usar o motor sempre rodando num nico sentido. Esta soluo fornece reduo total de 3 a 7 dB dependendo de cada caso (figura
5 a direita). Uma soluo na fonte atravs da substituio da ventoinha original de ps retas por ventoinha de discos paralelos.
Neste caso consegue-se atenuao de at 22 dB. Esta ventoinha, montada no eixo do motor eltrico constituda por um conjunto
de discos circulares paralelos, fixos entre si atravs de parafusos e afastados um do outro por espaadores (figura 8). A ventoinha
de discos substitui a ventoinha original de ps sem modificaes no motor. Esta soluo foi desenvolvida pelo autor deste artigo e
j est sendo aplicada em vrios tipos de motores satisfazendo a vazo necessria. A figura 9 mostra um dos casos onde foi
aplicada a ventoinha de discos paralelos; neste caso o motor de 20 CV, 3600 RPM. A figura mostra uma atenuao do nvel de
presso sonora de 107 dB para 84,3 dB, isto 22,7 dB de atenuao no nvel total. Alm de ter a mesma vazo e nveis de
vibraes na mesma ordem de grandeza nos mancais, o motor com ventoinha de discos paralelos apresenta uma reduo no
consumo de energia eltrica de 28% em relao ao consumo com ventoinha original.
Figura 8. Motor TEFC com venhoinha de discos pararellos de baixa nivel de ruido (Gerges, 2000).
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Rudo de Vlvulas
Vlvulas de descarga ou reguladores de presso so elementos indispensveis em qualquer planta industrial, principalmente nas
petroqumicas. Elas so elementos de descarga de fludos para a atmosfera ou para meio de presso menor. O rudo gerado
atravs de mudanas bruscas nas condies do fludo no orifcio da vlvula. Na sada existe condio de baixa presso com alta
velocidade de fluxo. Portanto, o fluxo laminar, antes da vlvula, torna-se turbulento aps passar pela vlvula. Para valores do
nmero de Reynolds Re 1200 o fluxo laminar, para 1200 < Re < 2200 o fluxo misto, e para Re > 2200 o fluxo turbulento.
A freqncia central de maior rudo fica em torno de 2 a 4kHz. O rudo muito sensvel ao velocidade de fluxo. O aumento do
nvel de presso sonora fica entre 3 e 24 dB, quando se dobra a velocidade de fluxo.
As figuras 9 a 12 mostram exemplos prticos de reduo de rudo gerado por turbulncias do fluxo em vlvulas e dutos para
fornos.
Figura 9. Anel (esquerda acima) e difusor (direita acima) instalados na vlvula
para reduo de rudo aerodinmico (Gerges, 2000).
Figura 10. Silenciador para reduo de rudo aerodinmico em dutos (Gerges, 2000).
Figura 11. Silenciador tubular instalado em queimaduras (Gerges, 2000).
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Figura 12. Reduo do rudo gerado por fluxo de ar na entrada do forno (Gerges, 2000).
Rudo de Jatos
Rudo de jatos uma fonte comum de poluio sonora nos meios industriais. O rudo de ar comprimido industrial considerado a
segunda fonte de rudo causadora do alto ndice de perda auditiva, sendo excedido somente pelo rudo de impacto de mquinas e
ferramentas. O rudo de jato ocorre a partir da descarga de mecanismos pneumticos e condies de fluxos intermitentes e
turbulentos. Jatos so usados numa multiplicidade de funes relacionadas transferncia de massa ou energia em um processo de
trabalho com peas. Em geral, o ar comprimido utilizado numa faixa de presso da linha na indstria, de 5 a 8 (Kgf/cm2), sendo
usado na remoo de cavacos da rea de trabalho, na retirada de resduos de gua ou de leo de superfcies de materiais
submetidos a processos de conformao mecnica, na secagem de peas, ejeo de peas conformadas em matrizes, resfriamento
e limpeza. Em cada caso existe a tendncia em se utilizar altas velocidades de jatos visando transferir o mximo possvel de
energia e massa, a fim de aumentar a eficincia das operaes. Portanto, na seleo do bocal para cada aplicao, deve-se
considerar o tipo de escoamento necessrio; por exemplo, para remover cavacos ou impurezas necessrio energia de fluxo
unidirecional, enquanto que para resfriamento de moldes se faz necessrio o mximo fluxo de ar.
Rudo Aerodinmico de Jatos Livres
O mecanismo de gerao de rudo e seu controle no jato depende do conhecimento das fontes envolvidas. Tal rudo criado por
um ou mais dos trs tipos bsicos de fontes aerodinmicas; monopolo, dipolo e quadripolo. A radiao sonora de um dipolo ocorre
quando um fluxo de gs interage com um corpo produzindo foras no estacionrias. J a radiao aerodinmica de um quadripolo
resulta das tenses viscosas em um fluxo de gs turbulento, na ausncia de interao com corpos slidos. As fontes quadripolo
aerodinmicas constituem o tipo dominante de fontes em alta velocidade subsnica e de jatos de ar turbulentos.
Estudos anteriores tem mostrado que o rudo total de jatos formado por vrios componentes. O principal deles e, certamente, o
componente mais difcil de ser eliminado, o devido mistura turbulenta do jato com o meio ambiente, quando da sada do bocal.
Este fenmeno chamado de rudo da zona de mistura (ver figura 13) e o que tem recebido maior ateno nos ltimos anos.
Aumentando-se a velocidade do jato V em um fator 2, aumenta-se o nvel de potncia sonora em 24 dB, enquanto que um
aumento da rea do bocal S pelo mesmo fator, aumenta-se o nvel de potncia sonora em somente 3 dB. Devido a fora do jato
ser proporcional a quadrado da V 2, melhor dobrar a fora aumentando a rea do bocal por um fator de 2, do que a velocidade do
jato por um fator de 1,4 , visto que o aumento na potncia sonora seria menor.
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Figura 13. Estrutura de jato (Gerges, 2000).
Existem dois tipos de rudos gerados por jato. O primeiro tipo o devido ao prprio escoamento livre e o segundo ocorre quando
existe interao entre o escoamento e um obstculo na trajetria do fluxo. O jato livre mais simples um fluxo emanado de um
reservatrio atravs de um bocal convergente(figura 14). O gs acelerado de uma velocidade prxima a zero, no reservatrio, a
uma velocidade mxima na seo transversal do bocal. Neste jato idealizado, nenhuma interao assumida entre o fluxo e as
superfcies slidas adjacentes. O rudo somente um resultado dos processos de mistura turbulenta.
Figura 14. NPS medidos a 1m de um jato livre e de um jato obstrudo (Gerges, 2000).
Bocais de Jatos Silenciosos
A partir do conhecimento da gerao de rudo proveniente da zona de mistura turbulenta e como esta atua na estrutura do jato de
um bocal convergente, pode-se projetar bocais que renam caractersticas para atenuar esta fonte de rudo. Baseado nisto, alguns
modelos de bocais menos ruidosos so apresentados a seguir.
Bocal Difusor Mltiplo
Este tipo de bocal difusor substitui um simples orifcio grande por vrios orifcios menores, como mostrado na figura 15. Para
uma dada presso de reservatrio, o sistema com mltiplos orifcios fornece uma fora de jato maior e menor rudo. Tendo-se
alterado o bocal para um com vrios dimetros menores, a velocidade em cada um destes orifcios diminuir, ocorrendo uma
mudana no contedo das bandas de freqncia. Neste caso, o rudo gerado diminui devido reduo do tamanho da zona de
mistura. Finalmente, existe ainda um aumento da fora do jato e da vazo mssica, visto que a rea total de sada dos bocais
aumenta, quando comparada com a de um bocal tubular convencional.
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Figura15. Bocal difusor mltiplo (Gerges, 2000).
Bocal Difusor Restritivo de Fluxo
Este tipo de bocal composto de um orifcio preenchido com uma tela ou malha, com o propsito de reduzir a velocidade de fluxo
do jato (figura 16). Sendo o rudo gerado pelo jato proporcional oitava potncia da velocidade de fluxo, haver um grande
decrscimo no nvel de rudo com o emprego deste bocal. Entretanto, a reduo de rudo conseguida tendo-se diminuio da
fora do jato, que proporcional vazo mssica do escoamento.
Figura 16. Boca difusora restritiva de fluxo (Gerges, 2000).
Boca Silenciadora
O princpio da tcnica de controle de rudo aplicado neste bocal o da utilizao de absoro da energia acstica gerada na zona
de mistura turbulenta, atravs das reflexes mltiplas no material. O uso de material absorvente aqui efetivo desde que o
espectro de rudo seja de banda larga e em altas freqncias. O ar aspirado do meio ambiente para acompanhar o fluxo de sada
aumenta a vazo mssica e, portanto, limita o aumento da fora do jato (figura 17).
Figura 17. Bocal silenciadora (Gerges, 2000).
Bocal Amplificador de Ar
A tcnica de controle de rudo empregada neste bocal a da criao de um jato secundrio proveniente de orifcios deslocados da
trajetria do escoamento principal. A colocao de um material poroso, prximo sada do orifcio central, oferece resistncia ao
escoamento, o que resulta em um aumento da presso esttica dentro do bocal. A quantidade de fluxo sob presso na trajetria
central permite que parte dele se desloque formando um jato secundrio. O jato secundrio forma ento uma pelcula fina de ar
que se movimenta em alta velocidade e que possui uma presso esttica inferior presso atmosfrica. Este vcuo parcial criado
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pela pelcula permite sua aderncia aos contornos da parede do bocal e tambm induz o ambiente a funcionar como um
amplificador de vazo. Este ar seccionado ento misturado ao fluxo principal de uma forma suave e no turbulenta, criando um
fluxo quase laminar, reduzindo o rudo gerado pelo jato (figura 18).
Figura 18. Bocal Amplificador de Ar (Gerges, 2000).
Levantamentos dos nveis de presso sonora, potncia sonora, vazo do fluxo de ar e fora de vrios bocais de jatos foram feitos.
Os resultados mostram que o espectro de rudo de banda larga at fora da faixa de audio (figura 19).
Figura 19. Espectro tpico do nvel de potencia sonora de jato (Gerges, 2000).
O rudo gerado por descarga do ar comprimido para a atmosfera (mquinas pneumticas) pode ser reduzido usando o bocal de
difusor mltiplo (figura 20) .
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Figura 20. Mquinas pneumticas com silenciadores de material poroso da 3M (Gerges, 2000).
Rudo dos Compressores
Os compressores so sistemas mecnicos compostos de uma parte fixa e uma parte rotativa ou alternativa, destinadas a aumentar a
presso dos fludos. Os compressores so classificados de acordo com o tipo de movimento e forma da parte rotativa em:
Compressores alternativos; Compressores de engrenagens; Compressores de lbulos; Compressores de palhetas; Compressores de
mbolos; Compressores de anel de lquido. As partes rotativas dos compressores sero chamadas genericamente de ps, apesar de
assumirem formas de dentes, lbulos, palhetas, etc...
Fontes de Rudo de Compressores
As fontes dominantes de rudo em compressores centrfugos ou axiais so:
(1) Turbulncia de fluxo devido passagem no suave do fludo.
(2) Separao do fluxo causado por interao do fluxo nas partes rotativas (rotores) e nas partes fixas (estatores), ou atravs de
outras partes estruturais.
(3) Fluxo no estacionrio (irregular) nas ps dos rotores, que gera rudo na freqncia de rotao e nos seus harmnicos.
Reduo do Rudo dos Compressores
Os compressores so mquinas rotativas de alta presso e baixa rotao, portanto geram rudo alto em baixas freqncias, por isto,
a reduo do rudo deve ser feita atravs de silenciadores reativos (figuras 21).
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Figura 21. Compressor de lbulos mostrando dispositivos de reduo de rudo (Gerges, 2000).
Concluses
O trabalho apresentado mostra as tecnologias que existem hoje para reduo de rudo nas mquinas e equipamentos industriais.
Existem solues para todos os tipos de problemas de rudo em mquinas e equipamentos industriais. A limitao da aplicao de
qualquer soluo est no custo financeiro, que muitas vezes no vivel, assim algumas vezes, a compra de mquina nova mais
barata do que a reforma de uma mquina antiga para a reduo de rudo. O programa de conservao de audio e controle de
rudo, deve envolver no s os nveis de rudo, mas tambm o nmero de pessoas expostas.
Referncia
Rudo: Fundamentos e Controle, Samir N. Y. Gerges, 2000, segunda edio. NR Editora. www.laepi.com.br.