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Análise acústica de um auditório pelo método da acústica de raios: uma comparação entre os softwares Raynoise e Odeon. Pereira, L.C.A.*; Soeiro, N.S.**; Melo, G.V.*** * Grupo de Vibrações e Acústica, I TEC – UFPA, Belém, PA,
[email protected] ** Grupo de Vibrações e Acústica, ITEC – UFPA, Belém, PA,
[email protected] *** Grupo de Vibrações e Acústica, ITEC – UFPA, Belém, PA,
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Resumo
Este trabalho apresenta uma análise comparativa entre dois softwares comerciais de predição acústica de ambientes, o Odeon e o Raynoise, através da simulação do auditório a ser construído no Laboratório de Energias Renováveis e Eficiência Energética situado na Universidade Federal do Pará campus Belém. Com o avanço nos métodos computacionais de modelagem acústica de edificações, estes métodos tornaram-se feramentas de projeto e análise bastante confiáveis e eficientes para profissionais da área possuíndo diversas vantagens comparado a modelos em escala. Assim, a escolha de softwares que melhor se adaptem às necessidades do usuário é fundamental. Através dos modelos gerados nos programas comerciais Raynoise e Odeon buscou-se identificar algumas vantagens e desvantagens quanto a interface do usuário, acessibilidade, formulação do problema e tipo de resposta disponibilizados. Foram estudados ainda alguns parâmetros acústicos relacionados a inteligibilidade da palavra, como o nível de pressão so sonora (NPS), o tempo de reverberação (TR30) e o índice de transmissibilidade da palavra (STI), (STI), propondo-se também neste trabalho uma adequação adequação acústica do auditório. Palavras-chave: Análise comparativa, Odeon, Raynoise, Simulação, Parâmetros Parâmetros Acústicos.
1. Introdução
Os métodos de simulação auxiliada por computador se apresentaram nos últimos anos como a ferramenta mais poderosa na previsão do campo acústico de salas, em especial aqueles baseados em raios acústicos e fonte imagem. Os métodos da fonte imagem especular e dos raios acústicos, com diversas derivações, servem de base para a criação de algoritmos e programas de computador [6].
percepção da palavra falada pode ser um indicativo do nível de conforto que o usuário anseia. 2. Métodos de simulação do campo sonoro
Duas frentes teóricas úteis para o cálculo de respostas impulsivas, na obtenção parâmetros acústicos são a teoria de ondas acústicas, de abordagem mais formal e rigorosa do fenômeno físico, e a teoria da acústica de raios. Embora a teoria de ondas acústicas ainda apresente certas dificuldades de aplicação na prática, com os avanços e desenvolvimento de recursos computacionais e de técnicas numéricas, esta tem sido usada para baixas e médias frequências. De modo mais abrangente a acústica de raios ou geométrica sempre foi a mais utilizada no auxílio de projetos acústicos de salas [4].
É imprecindível compreendermos que o desempenho de uma edificação envolve aspectos fundamentais, como conforto, segurança e durabilidade. Dentro desses aspectos, podem ser avaliados o conforto acústico, térmico e lumíinico, segurança contra incêndio e, resistência estrutural, aos agentes agressivos e à água. Muitas vezes, é somente após a entrega do edifício que, ao item conforto, passa a ser dada maior atenção, principalmente, pelo usuário que sente que o conforto Na acústica geométrica assume-se que as ondas sonoras acústico recebeu pouca importância durante o projeto e se comportam como raios de luz, refletindo nas a execução da obra. superfícies em que incide, tendo sua energia atenuada A questão do conforto acústico em edificações pode não em cada reflexão conforme o coeficiente de absorção da superfície. Cada um dos raios acústicos irradiados a estar ligada somente ao valor do isolamento da partição partir da fonte sonora possui informações informações do espectro de entre ambientes. A percepção total, parcial ou nula da potência e da distância percorrida percorrida pela onda [7]. conversação da vizinhança adjacente proporciona níveis de conforto que vão do indesejável ao ideal. Essa Esta simplificação somente é válida para comprimentos de onda infinitamente pequenos quando comparados às
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dimensões da sala, ou seja, para médias e altas convolução da resposta impulsiva com um sinal gravado freqüências, uma vez que parte do aspecto do (com frequencia de amostragem específica), em comportamento da onda sonora é negligenciada. Uma processos de “auralização”. Contudo, o tempo de frequencia limite de grande aceitação por especialistas, computação necessario para calcular respostas é a frequencia de Schroeder acima da qual a teoria de impulsivas cresce exponencialmente com o comprimento desta. Outra desvantagem do algoritmo 2000 ( [3]: está em desconsiderar os efeitos de difusão das (1) reflexões, ou o espalhamento em decorrência das formas irregulares das superfícies [4]. onde T é o tempo de reverberação em segundos (s) e V o volume da sala em metros cúbicos (m3).
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A resposta impulsiva de uma sala é essencial na 2.2 Método dos Raios Acústicos (Ray-Tracing Method atualidade para investigar a qualidade acústica dos RTM) ambientes, neste sentido, a fim de chegar numa resposta O método supõe que a energia emitida pela fonte sonora impulsiva aproximada foram desenvolvidos algoritmos é distribuida num número discreto de raios acústicos. computacionais baseados nos princípios da acustica Cada raio possui uma energia inicial equivalente a geométrica. Dois algoritmos básicos são o da Fonte energia total da fonte dividida pelo número de raios Imagem Especular ( Image-Source) e o de Raios emitidos, e viaja na velocidade do som colidindo nas Acústicos ( Ray-Tracing) [4], descritos a seguir: paredes, piso, teto e demais superfícies de onde é refletido em conformidade com a lei da reflexão especular. A cada reflexão o nível de energia do raio 2.1 Método da Fonte Imagem Especular (Mirror Image diminui em virtude das propriedades de absorção dos Source Method - MISM) materiais e de forma progressivamente a medida que Neste algoritmo assume-se que cada reflexão pode ser viaja, através da absorção provocada pelo ar. Quando o vista como uma fonte virtual, usada para determinar o nível de energia do raio cai abaixo de um limite definido traçado dos caminhos da reflexão sonora do receptor à pelo usuário a sua propagação é interrompida e o fonte. Considerando um problema bidimensional de proximo raio é traçado [5]. uma caixa retangular (figura 2.1a), onde S representa Embora o algoritmo de raios acústicos não ofereça uma uma fonte esférica e R o receptor, o procedimento boa resolução temporal, pode considerar as reflexões inicia-se com a construção das imagens especulares de difusas e ainda requer um tempo de computação primeira ordem do ponto S em relação a todas as proporcional ao comprimento da resposta impulsiva [4]. paredes, criando-se as fontes imagem S1, S2, S3 e S4. Podemos proceder analogamente em relação as fontes de ordem superiores (figura 2.1b), onde estas são 2.3 Método Híbrido construídas a partir das imagens anteriores. O processo termina ao se atingir uma ordem prescrita de fontes A correta predição dos fenômenos relativos a propagação sonora tais como a reflexão, absorção, imagem [5]. difusão, difração, transmissão e a interferência, diretamente ligados à acustica de salas é fundamental na obtenção de resultados plausíveis. Este resultado nem sempre pode ser atingido utilizando-se apenas um dos métodos numéricos usuais como de raios acústicos, o das imagens ou das fontes virtuais, o de traçado de cones ou de pirâmides e o de transição de energia. Métodos híbridos são combinações destes, criando-se novos [7].
Figura 1: Traçado das imagens especulares de terceira ordem com seus respectivos caminhos de reflexão.
Os métodos descritos a seguir são uma combinação do MIMS e RTM em um único algoritmo, combinando a naturea determinística do MIMS com algumas características estatísticas do RTM, reduzindo significativamente o tempo de computação.
A principal vantagem do algoritmo fonte imagem a) O Método dos Raios Cônicos (Conical Beam Method especular é a boa resolução temporal obtida, – CBM) imprescindivel quando pretende-se realizar a Neste método são emitidos vários raios cônicos com
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seus vértices na fonte, a propagação destes na sala é sonora, este pode ser inserido detalhadamente no mantida por um algoritmo de raios acústicos aplicado programa. nos eixos dos cones. Quando um ponto de recepção se encontra dentro do volume varrido pelo cone, entre duas O programa pode mostrar os resultados de diversas reflexões consecutivas, uma fonte imagem visível é formas como por exemplo através de mapas de contorno colorido dos níveis de pressão sonora, espectro de 1/1 e encontrada. A sua contribuição pode se calculada 1/3 de oitava e espectro de banda estreita, ecograma, através da divergência esférica no cone [5]. tabelas de tempo de reverberação e outros. A Dois problemas são observados neste método, o modelagem e exibição dos resultados são realizadas em primeiro refere-se a não reconstrução da onda esférica um ambiente gráfico interativo e a interface do pelo cruzamento das seções circulares dos cones e o RAYNOISE permite interação com outros programas, segundo está relacionado ao estreitamento do feixe de como sistemas CAD (computer-aided design). raios. Este efeito ocorre pois a frente do cone em Embora a aplicação do RAYNOISE seja principalmente propagação cresce a medida que se distacia da fonte aumentando a probabilidade deste atingir uma aresta. no controle de ruído industrial, acústica de salas e Assim, algumas das fontes imagem visíveis serão acústica ambiental, este possui também aplicações na associadas a um caminho de reflexão errado, podendo avaliação do tempo de reverberação em igrejas, design não ser consideradas, tornando-se fontes imagem acústico de estúdios de gravação de som, e de reforço sonoro, avaliação do ruído do público dentro e fora de perdidas [5]. estádios esportivos, layout acústico de ambientes de escritórios, dentre outras. b) Método dos Raios Triangulares (Triangular Beam Method – TBM)
Similar ao método anterior, este utiliza ao invés de cones, pirâmides de base triangular para discretizar a frente de ondas esféricas. Este método não sofre do primeiro problema citado anteriormente, contudo o problema do esteitamento do feixe de raios permanece [5]. 3. Softwares de simulação acústica utilizados 3.1. Raynoise
O RAYNOISE é um sistema de modelagem e análise acústica assistida por computador voltado para arquitetos e profissionais específicos da área. Este utiliza a téoria da Acústica Geométrica através de um algorítimo híbrido que combina o método da Imagem Especular e de Raios Acústicos para prever o campo sonoro de ambientes fechados, abertos ou combinação destes, produzido por múltiplas fontes sonoras.
3.2. Odeon
Consiste num software para predição acústica de edifícios novos bem como para avaliar e recomendar melhorias em edificações existentes. É comumente utilizado tanto para modelagens de ambientes grandes como salas de concerto, auditórios, estações de metrô, aeroportos e de trabalho industrial quanto para ambientes menores, como salas de aula, de escritórios e inclusive para situações externas como átrios e pátios. O ODEON fornece ainda uma ampla gama de ferramentas para ilustração e comunicação dos resultados. Para prever a resposta de uma fonte pontual a um receptor o ODEON utiliza um método de cálculo híbrido, onde as “primeiras reflexões” são calculadas usando uma combinação do método da Fonte Imagem (image source) e o de Raios Acústicos (ray-tracing) e as reflexões finais são calculadas através de um processo especial de tracado de raio, gerando fontes secundárias que irradiam energia localmente a partir da superfície das paredes. As respostas de fontes em linha e de superfície são realizadas utilizando o método especial de raios acústicos. Os cálculos realizados são divididos em um processo de duas etapas uma dependente e outra independente do receptor [2].
O programa modela com precisão a física de propagação acústica, incluindo as reflexões especular e difusa incidentes em fronteiras físicas, a absorção das superfícies e do ar, a difração através de telas e transmissibilidade das paredes por meio de métodos especiais. Lidando automaticamente com interações complexas tais como, multiplas reflexões de diferentes 4. Caracterização do auditório superfícies e os efeitos de fontes coerentes e incoerentes. Estas últimas são assim nomeadas em O auditório a ser construído na área anexa do decorrêcia da sua relação com a inclusão das Laboratório de Energias Renováveis e Eficiência informações de fase, durante o somatório das Energética localizado na Universidade Federal do Pará contribuições de pressão das reflexões. São fontes possui aréa de 52,38 m2 (ver figura 02) com capacidade coerentes aquelas de incluem tais informações e para 60 pessoas. Para a análise realizada foram incoerentes as que não, ambas podem ser mescladas empregados os seguintes mateirais e esquadrias: num cálculo. Quanto ao padrão de diretividade da fonte
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Paredes de alvenaria de tijolo cerâmico, rebocado, emassado e pintado com tinta acrílica exceto a parede de fundo que será revestida com placas sonex de 50 mm;
Fonte
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Forro em placas acústicas sonex roc de 20 mm apresentando pé-direito inclinado com altura mínima de 2,60 m e máxima de 3,00 m (ver figura 03);
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Piso em carpete colado sobre contrapiso; Porta acústica com faces de madeira e quatro balancins tipo basculante de 0,80 m x 0,60 m em madeira de lei e vidro comum de 4 mm.
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Figura 04: Vista superior em perspectiva do auditório e localização da fonte e dos pontos de medição.
Embora haja a possibilidade de gerar os modelos no softwares de simulação acústica Raynoise e Odeon preferiu-se importar o modelo geométrico para estes, informando posteriormente as orientações dos receptores, da malha, as propriedades da fonte e os parâmetros de simulação como número de raios, o comprimento da resposta impulsiva que determina quantos milisegundos da “curva de decimento” deverão ser calculados, a ordem de reflexão máxima dentre outros valores. Para o estudo o modelo geométrico importado estava desocupado, somente com as superfícies das cadeiras. Os parâmetros comuns aos dois softwares foram:
Figura 02: Planta baixa do auditório.
Figura 03: Corte AA’ do auditório.
5. Procedimentos de análise do auditório
Foram utilizados para análise do auditório três softwares: o AutoCAD 2010, o Raynoise rev. 3.1 e o Odeon combined 10.0. Inicialmente foi gerado o modelo geométrico no programa Autocad através da ferramenta “3d face” e obtidas as orientações em x, y e z dos 10 pontos de medição e da fonte que foram escolhidos (ver figura 04).
Temperatura de 25ºC, umidade relativa de 40% e velocidade do ar de 346,24 m/s; Fonte omnidirecional com NWS de 80 dB em cada banda de oitava localizada em x: 3,63 m, y: 5,47 m e z: 1,70 m (figura 04); 10 pontos de medição posicionados à 1,10 m do piso, que corresponde a uma altura média do ouvido para uma pessoa sentada (figura 04); Materiais de revestimeto com os mesmos coeficientes de absorção para cada banda de oitava; E comprimento da resposta impulsiva de 1800 ms. Este valor corresponde a aproximadamente a 2/3 do maior tempo de reverberação conforme recomendação do Odeon, valor que foi repetido para o Raynoise.
A quantidade de raios informados iniciamente para os dois softwares foi de 8910, que corresponde a um parâmetro padrão sugerido pelo Odeon para obtenção de respostas impulsivas com precisão de engenharia. É valido ressaltar que o Odeon também possibilita que o usuário informe um valor específico. No Raynoise faz-se necessário antes da validação dos resultados um teste de convergência dos valores obtidos, alterando-se a quantidade de raios. Após este teste, pôde-se constatar que para o valor de 20000 raios, os resultados se mantiveram dentro de uma faixa de tolerância aceitável de 0,1 dB. Para o Odeon recomenda-se a alteração do número de raios em duas
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situações: quando há fortes efeitos de desacoplamento e uma distribuição muito desigual da absorção na sala.
Analisando-se os gráficos 02, 03 e 04, podemos obter uma melhor comparação entre os níveis de pressão sonora fornecidos, visualizando-os por banda de Quanto ao número máximo de reflexões para cada raio, frequência. Podemos assim constatar uma variação de no Odeon utilizou-se o valor padrão de 2000 reflexões. 0,1 dB a 1,5 dB nos pontos mostrados, contudo No Raynoise foi informado o valor de 245 reflexões podemos verificar uma diferença máxima de 2,1 dB na conforme recomendação do próprio software. banda de 1000 Hz para o ponto 09. Para os demais requisitos informados foram considerados os valores padrões, contudo, somente naqueles que não comprometessem os resultados para o auditório estudado. Como se pretendia na análise a obteção de graficos de cores dos parâmetros encontrados, tanto no Raynoise quanto no Odeon foi necessário a criação de uma malha localizada à 1,10 m de altura do piso sobre a qual foram impressos os resultados. No Raynoise, embora o programa forneça uma ferramenta para criação destes planos, foi necessário importar a malha do AutoCAD. No Odeon a inserção da malha se dá de modo facilitado. É necessario informar apenas a superfície sobre a qual será gerada a malha, o tamanho dos retângulos necessários para discretizar a superfície e a altura destes em relação a superfície selecionada.
Gráfico 02: Comparativo entre o NPS em dB por banda de frequência obtido no Odeon (azul) e no Raynoise (vermelho) para o ponto 02.
Por fim deu-se continuidade com o processamento em cada software de simulação, obtendo-se vários parâmetros acústicos dentre os quais foram selecionados somente três relacionados a inteligibilidade da fala, são eles: o Nível de Pressão Sonora (NPS), o Tempo de Reverberação (TR30) e o Índice de Transmissibilidade da Fala (STI). 6. Análise comparativa dos resultados
Os resultados odtidos para o NPS Global em dB(A) nos dois softwares de simulação apresentaram valores muito próximos, com uma diferença máxima de 1,3 dB para o ponto de medição 09 e 0,1 dB para os pontos 04, 05 e 06.
Gráfico 01: Comparativo entre o NPS Global em dB(A) obtido no Odeon (azul) e no Raynoise (vermelho).
Gráfico 03: Comparativo entre o NPS em dB por banda de frequência obtido no Odeon (azul) e no Raynoise (vermelho) para o ponto 05.
Gráfico 04: Comparativo entre o NPS em dB por banda de frequência obtido no Odeon (azul) e no Raynoise (vermelho) para o ponto 08.
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Com base na tabela abaixo adaptada de [2], podemos verificar que para os dez pontos de medição, e para os materiais utilizados encontramos um valor considerando excelente com base nesta escala subjetiva de STI, contudo um estudo mais aprofundado faz-se necessário. Tabela 01 - Escala subjetiva para valores de STI Ruim Pobre Suficiente Bom Excelente
0.00 - 0.30 0.30 - 0.45 0.45 - 0.60 0.60 - 0.75 0.75 - 1.00 Gráfico 07: Comparativo entre o TR30 obtido no Odeon (azul) e no Raynoise (vermelho) para o ponto 02.
Gráfico 05: Comparativo entre o STI obtido no Odeon (azul) e no Raynoise (vermelho).
Com base nos gráficos do TR30 para os pontos 02, 05 e 08 dispostos abaixo, podemos visualizar uma variação de 0 a 0,19 segundos. É interessante compreendermos que embora a diferença seja aceitável, pode-se perceber uma necessária adequação dos valores de TR para o auditório, que estão fora do valor usual de 0,7 s para ambientes desta natureza [1].
Gráfico 08: Comparativo entre o TR30 obtido no Odeon (azul) e no Raynoise (vermelho) para o ponto 02.
Através dos gráficos de cores de NPS dispostos nas figuras a seguir podemos visualizar com melhor precisão o campo acústico e o efeito da distribuição do raios dentro do auditório mais claramente no Odeon.
Gráfico 06: Comparativo entre o TR30 obtido no Odeon (azul) e no Raynoise (vermelho) para o ponto 02.
Figura 04: Gráfico de cores para o NPS na banda de 250 Hz (acima) e 1000 Hz (abaixo) gerados no Odeon.
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Referências
[1] BISTAFA, Sylvio. Acústica aplicada ao controle do ruído. São Paulo: Edgard Blücher, 2006. [2] CHRISTENSEN, C. L. Odeon room acoustics program, version 10.0, user manual, industrial, auditorium and combined editions. Odeon A/S. Lyngby, Denmark, 2009. [3] GERGES, S. H. Y. Ruído: Fundamentos e controle. 2. Ed. Florianópolis: NR Editora, 2000. [4] GERGES, S. N. Y.; GOMES, M. A.; LIMA, F. Qualidade sonora dos ambientes e produtos. In: SEMINÁRIO MÚSICA CIÊNCIA TECNOLOGIA: ACÚSTICA MUSICAL, 1., 2004, São Paulo. Anais... Santa Catarina. Depto. de Engenharia Mecânica (EMC) / Laboratório de Ruído Industrial (LARI). Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), 2004, p.80-97. Disponível em: . Acesso em 26 de maio 2011. [5] RAYNOISE , revision International, [200-?]. Figura 05: Gráfico de cores para o NPS na banda de 250 Hz (acima) e 1000 Hz (abaixo) gerados no Raynoise.
7. Considerações finais
Pode-se constatar que durante o procedimento de pré processamento e solução a interface fornecida pelo Odeon ao usuário é mais amigável do que a do Raynoise, como por exemplo pela facilidade de visualização, criação e edição de receptores e fontes. Contudo, a facilidade em se obter uma resposta no Raynoise através da leitura de arquivos de comando contendo a rotina utilizada torna o processo de obtenção de resultados mais fácil, quando nos abituamos a linguagem computacional. Quanto ao tempo de processamento, embora este em ambos os programas variasse conforme a complexidade do modelo, quantidade de pontos medidos, número de raios, faixa de freqência analisada, dentre outros requisitos pode-se constatar que para obtenção dos resultados através dos gráficos de cores o Odeon apresentou um tempo relativamente maior, contudo o tempo de processamento para os dez pontos de medição apresentaram um tempo menor de computação ao compararmos com o Raynoise. Por fim, mediante os resultados obtidos pode-se verificar que embora houvessem diferenças em alguns dados de entrada na fase de solução e no próprio algorítmo utilizado para simular o auditório, os parâmetros acústicos obtidos permaneceram dentro de uma faixa de tolerância aceitável para a audição humana.
3.1,
users
manual. LMS
[6] SOUZA, Mauricy C. R. de. Previsão do Ruído em Salas por Raios Acústicos e Ensaios Experimentais. 1997. 114p. In: Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Universidade Federal de Santa Catarina, programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis. [7] TENENBAUM, R. A.; CAMILO, T. S. Método híbrido para simulação numérica de acústica de salas: teoria, implantação computacional e validação experimental. In: SEMINÁRIO MÚSICA CIÊNCIA TECNOLOGIA: ACÚSTICA MUSICAL, 1., 2004, São Paulo. Anais... Rio de Janeiro. Laboratório de Acústica e Vibrações, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2004, p. 26-40. Disponível em: Acesso em: 26 de maio 2011.
