ILHA SOLTEIRA
XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 22 a 26 de agosto de 2005 - Ilha Solteira - SP
Paper CRE05-DM14
DESENVOLVIMENTO DE BANCADA EXPERIMENTAL E DETERMINAÇÃO DA
TORTUOSIDADE DE MATERIAIS POROELÁSTICOS, UTILIZANDO O MÉTODO DA
CONDUTIVIDADE ELÉTRICA.
Márcio P. A. Mafra, Newton S. Soeiro, Erlison C. Alves e José A. B. Silva
UFPA, Universidade Federal do Pará, Departamento de Engenharia Mecânica
Rua Augusto Corrêa, nº 1, Bairro Guamá, Caixa Postal 479, CEP 66075-110, Belém-PA
E-mail para correspondência: [email protected] / [email protected]
Introdução
A tortuosidade é uma propriedade física macroscópica muito importante, para a caracterização acústica
dos materiais utilizados como absorvedores sonoros e a sua obtenção experimental é necessária, pois
constituem os dados de entrada para a modelagem e simulação numérica dos mesmos.
Não existe um método direto para a medição da tortuosidade. Em 1992, Champoux e Stinson
desenvolveram uma técnica baseada na condutividade elétrica para medir a tortuosidade dos materiais
porosos. Esta técnica foi baseada nos trabalhos iniciais de Brown (1980). Nesta técnica, a amostra é montada
em um tubo de PVC que é fechado por dois eletrodos. O tubo é preenchido com um líquido condutor e uma
fonte gera um campo elétrico entre os dois eletrodos. A partir das diferenças de potencial na água e na
amostra é possível se determinar a tortuosidade.
Neste trabalho é abordado o processo de construção de uma bancada e o procedimento experimental
usado na determinação da tortuosidade. A bancada é testada a partir da amostra de alguns materiais usados
como absorvedores sonoros e os resultados de tortuosidade apresentados.
Desenvolvimento
Na construção da bancada para a realização do ensaio de tortuosidade, foram utilizados tubos, luvas e
Caps de PVC, fios elétricos, chapas metálicas, fios de cobre, furadeira, fios de Nylon, cola para PVC, solda
para equipamento elétricos, silicone, serra, paquímetro, fonte estabilizador de tensão e voltímetro. Os
procedimentos utilizados na construção da bancada seguiram os seguintes passos: cortou-se o tubo de PVC
em dois pedaços de 150 mm e 76,2 mm (diâmetro externo de 2 mm) e também as duas chapas metálicas em
forma circular com 75,5 mm de diâmetro e 1 mm de espessura; foi feito um furo no centro dos dois Caps
para que o fio elétrico entrasse em contato com a chapa metálica. Visando a fixação entre os fios e as chapas
metálicas, foi necessário soldá-los, e em seguida foram feitos 2 (dois) furos em um dos tubos e apenas um
furo no outro, para que fossem introduzidos os fios de cobre. Foi feita ama pequena abertura em umas das
extremidades do tubo com dois furos para prender os fios de nylon, e atrelar os mesmos através do
acoplamento com a luva de duas extremidades livres, ou seja, os fios da tela de nylon são presos pelo
acoplamento com a luva e com cola própria para tubos.
Na etapa conseguinte, um dos Caps foi fixado com cola em uma de suas extremidades, que está com 1
(um) furo, e a outras extremidades permaneceram soltas para que o tubo pudesse ser enchido com água e
tornar possível a colocação da amostra na extremidade oposta. Após a execução da montagem, colocou-se a
bancada em um local adequado à realização do ensaio, permitindo que os seguintes componentes fossem
acoplados: fonte de tensão, multímetro e amostra (a mesma foi preenchida com um fluido condutor, que
neste caso era água), tomando-se cuidado para retirar todo o ar de dentro da bancada garantindo, dessa
forma, o completo envolvimento da amostra pelo fluido.
Algumas considerações devem ser feitas quanto às dimensões da bancada de tortuosidade. Tais
dimensões foram escolhidas almejando um fácil manuseio e locomoção do experimento no momento da
realização dos ensaios, ressaltando que, estas dimensões são passiveis de alterações, variando de acordo com
as condições e necessidades de cada usuário. O ensaio de tortuosidade fora executado através da experiência
de condutividade elétrica, na qual uma amostra do material poroso foi montada no interior do tubo de PVC
fechado por dois eletrodos, um em cada extremidade. Duas chapas finas de aço foram empregadas como
eletrodos ligados a uma fonte de tensão, gerando um campo elétrico no plano no tubo. As varetas de cobre
serviram para medir as diferenças de potencial V1 e V2, na condição de se determinar a condutividade do
fluido através de V1, enquanto para a condutividade da amostra V2 foi utilizada.
Resultados
Após a realização dos testes sobre amostras de um painel confeccionado com fibra de coco e outro de
espuma comercial, obtiveram-se alguns valores médios de tortuosidade e desvio padrão para diferentes
valores de tensão. A fibra de coco quando submetida à tensão de 12V, apresentou tortuosidade média de
2,5276 e desvio padrão de 0,0051; submetidos a tensão de 20V, registrou-se tortuosidade média de 2,3686 e
desvio padrão de 0,0132; para a tensão de 30V foram apresentadas tortuosidade média e desvio padrão de
2,4110 e 0,0095, respectivamente. Os mesmos procedimentos foram utilizados no ensaio do material
SONEX, o qual apresentou uma tortuosidade media de 5,7171 e desvio padrão de 0,0065 para uma tensão de
12V; tortuosidade média de 5,9958 e desvio padrão de 0,0065 para uma tensão de 20V e, finalmente, para a
tensão de 30V obteve-se tortuosidade média foi de 5,6424 e desvio padrão de 0,0082 para uma tensão de
30V.
Conclusão
A análise dos valores obtidos no ensaio de tortuosidade para o Painel Comercial e o Painel de Fibra de
Coco, tendo por base as informações de Lauriks (1994), apontou para a coerência dos valores obtidos com o
que diz a teoria para esses tipos de materiais. Segundo Lauriks, O valor mínimo para a tortuosidade é 1. Para
materiais fibrosos, ela é aproximadamente igual a 1,8. Para espumas com poros fechados, a tortuosidade
pode chegar a 10 (Bolton e Kang, 1997). Ou seja, como o painel de Fibra de Coco não é exclusivamente
poroso, uma vez que também apresenta a parte fibrosa, os valores obtidos são coerentes com o intervalo de
1,8 a 10. Já para o Painel Comercial que é exclusivamente poroso os valores a serem comparados são outros,
mas os resultados obtidos em ambos os casos são coerentes com os valores consultados em outros trabalhos,
onde foram utilizados materiais muito semelhantes aos deste trabalho, ou seja, os valores medidos para
ambos os painéis estudados ficaram entre 2,4 (para Fibra de Coco) e 5,8 (para o painel Comercial).
Neste trabalho também foi observado que a tensão não exerceu muita influência nos valores de
tortuosidade medido neste experimento, visto que a partir dos resultados obtidos para tensões de 12, 20 e 30
V, observou-se uma pequena variação nos valores, uma vez que a medição pelo método da resistividade
elétrica, apesar de simples, forneceu uma boa estimativa da tortuosidade para os materiais ensaiados.
A comparação dos resultados de tortuosidade obtidos entre os dois painéis acústicos mostrou que os de
espuma comercial apresentam valores mais elevados em relação ao confeccionado com fibra de coco, o que
já era esperado, já que os resultados obtidos em ambos os casos são coerentes com os valores consultados em
trabalhos e literaturas, onde foram utilizados materiais muito semelhantes aos empregados neste estudo, isto
demonstrou que os resultados obtidos foram bastante satisfatórios para o experimento realizado na bancada
construída.
Agradecimentos
Ao grupo de Vibrações e Acústica da Universidade Federal do Pará – GVA e ao Profº Dr.Newton Sure
Soeiro, pela grande contribuição prestada para o desenvolvimento deste trabalho.
Referências Bibliográficas
Balvedi, A.M., “Medição e Simulação de Materiais Porosos e Sistemas Multicamadas”,Dissertação de
Mestrado, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 1998.
Bolton, J. S. and Kang, Y. J., "Elastic porous materials for sound absorption and transmission control",
Society of Automotive Engineers, Inc. 1997.
Brown, R. J. S., “Connection between formation factor of electrical resistivity and fluid-solid coupling factor
in Biot’s equations for acoustic waves in fluid-filled porous media”, Geophysics, Vol. 45, pp. 12691275, 1980.
Champoux, Y. and Stinson, M. R., “On acoustical models for sound propagation in rigid frame porous
materials and the influence of shape factors”, JASA, vol. 92, 1992.
Delany, M. E. and Bazley, E. N., “Acoustical properties of fibrous materials”, Applied Acoustic, Vol.3,
1970.
Lauriks, W. et al “Determination of the tortuosity of porous materials using new air-coupled ultrasonic
transducers”, 11th International FASE Symposium, Valência, 1994.
Zwikker, C. and Kosten, C. W., “Sound Absorbing Materials”, Elsevier Press, Amsterdan, 1949.