Metamateriais e metasuperfícies acústicas: uma introdução

Atualizado: 30 de Out de 2020

Este texto disserta brevemente sobre metamateriais acústicos e como eles ajudam a resolver o problema da espessura x absorção em baixas frequências, no âmbito da acústica de salas.


O Problema da Absorção em Baixas Frequências

Um dos grandes problemas na acústica de salas é o controle de baixas frequências [1]. Esse controle se dá por meio do isolamento acústico, quando se quer impedir que o ruído entre ou saia de determinado cômodo (por exemplo: casas de show devem ser isoladas acusticamente para garantir que os vizinhos não vão ser incomodados), ou por absorção, quando se quer garantir que o ambiente acústico dentro de determinado recinto será agradável e propício para a atividade para a qual o lugar foi planejado (por exemplo: em salas de aula deve-se ter absorção suficiente para garantir que a fala do professor seja inteligível) [2].


Para exemplificar melhor o caso da necessidade da absorção, imagine que você está de mudança e remova o sofá da sala e as camas dos quartos. Você, agora com os espaços vazios, percebe que, quando fala, ouve seu próprio eco. Isso ocorre porque o sofá e as camas estavam se comportando como materiais absorventes ao som. Quando você falava, a onda sonora gerada pela sua voz era absorvida por esses materiais e nenhum (ou pouco) eco era ouvido. Com a ausência dos materiais de absorção, a onda sonora agora “bate” nas paredes, piso e teto e retorna ao seu ouvido, sendo pouco absorvida.


O controle da absorção, assim, é feito com o auxílio e emprego de materiais porosos e/ou fibrosos. O seu sofá funciona como material poroso, como o mostrado na Figura 1.


Figura 1 – Espuma de melamina. Imagem: Adaptada de Zhang et al. [3].

Os poros desses materiais funcionam como obstáculos para a onda sonora. Para se propagar, esta precisa percorrer esses caminhos, como se estivesse dentro de um grande labirinto e sempre tendo que decidir qual o melhor caminho a se tomar. Em cada contato e fricção com as paredes porosas, parte da energia sonora é perdida. Esse é o mecanismo básico da absorção.


O seu sofá, apesar de absorver o som, é um tipo de espuma genérica. Existem espumas feitas especificamente para maximizar a absorção, como a melamina mostrada na Figura 1 e como os painéis de espuma que comumente vemos em estúdios de gravação. Existem também painéis feitos como materiais fibrosos, como sisal e fibra de côco [4], e sua eficácia para absorção acústica tem sido extensivamente testada ao longo das últimas duas décadas [5].


A absorção ocorre por frequências, de forma que um mesmo material absorve o som de formas diferentes em frequências diferentes. Uma curva de absorção típica para a lã de rocha é mostrada na Figura 2.


Figura 2 – Curva de absorção para duas espessuras diferentes de lã de rocha. Imagem: Adaptada de Cox & D’Antonio [6].

O gráfico da Figura 2 nos mostra que o coeficiente de absorção, no eixo vertical y, varia com a frequência, no eixo vertical x. Temos, ainda, duas curvas: uma para um painel com espessura de 25 mm e outra para um painel com espessura de 50 mm, ambos feitos de lã de rocha, que é um material comumente utilizado em painéis acústicos.


Para 250 Hz, por exemplo, o painel de 25 mm absorve aproximadamente 20% da energia sonora, já que seu coeficiente de absorção gira em torno de 0,2. O painel com 50 mm, no entanto, absorve um pouco mais de 80%, já que seu coeficiente de absorção é de aproximadamente 0,8. Isso é 4 vezes do que o painel de 25 mm, e apenas dobramos a espessura!


Olhemos agora para 125 Hz: a diferença entre os valores de absorção de um painel para o outro é muito pequena, ambas girando em torno de 0,2 (ou 20%), enquanto que a partir de 2000 Hz as curvas são praticamente iguais. O que tudo isso nos diz? Ora, podemos deduzir algumas coisas:


  1. De forma geral, materiais mais espessos possuem um coeficiente de absorção maior ao longo das frequências (de 125 Hz até 4000 Hz a curva de absorção do material de 50 mm está sempre acima da curva do material de 25 mm);

  2. Em baixas frequências (125 Hz), a absorção tem uma variação muito pouca de um painel para outro, mesmo que sua espessura dobre;

  3. Para um mesmo painel em um determinado intervalo de frequências, os coeficientes de absorção serão, de forma geral, diferentes para cada uma das frequências;

  4. Em frequências mais altas, não há diferença nos valores da absorção para diferentes espessuras.


Todos estes pontos podem ser resumidos em duas sentenças:

“A quantidade de energia sonora absorvida, indicada pelo coeficiente de absorção, depende

da espessura do material.” e “Quão maior a espessura de um material, maior a absorção em baixas frequências.”


Obviamente, a espessura não é o único parâmetro responsável pelo valor do coeficiente de absorção. Fatores como a forma e tamanho dos poros, bem como sua distribuição, também afetam a quantidade de energia absorvida [7]. Os fatores são vários, mas, para este texto, vamos focar apenas na espessura.


Esse jogo entre coeficiente de absorção, espessura do painel e frequência a ser absorvida se deve ao fato de que a velocidade da onda é máxima em ¼ de seu comprimento. Para ilustrar esse conceito, que aparenta ser complicado, mas não é, observemos a Figura 3, que indica a amplitude de uma onda, no eixo vertical y, e seu comprimento, no eixo horizontal x.