PROPOSIÇÃO E ANÁLISE ACÚSTICA DE UM AMBIENTE ESCOLAR PARA ATENDIMENTO DAS NECESSIDADES RELATIVAS AO PROCESSO ENSINO APRENDIZAGEM.

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IV Congresso Nacional de Engenharia Mecânica 22 a 2 5 d e A g o s t o 2 0 0 6 , R e c i f e-P E

PROPOSIÇÃO E ANÁLISE ACÚSTICA DE UM AMBIENTE ESCOLAR

PARA ATENDIMENTO DAS NECESSIDADES RELATIVAS AO PROCESSO

ENSINO APRENDIZAGEM.

Marlenne G. U. Toro1 Newton Sure Soeiro1

Gustavo da Silva Vieira de Melo1

maruria15@hotmail.com nsoeiro@ufpa.br

gmelo@ufpa.br

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Universidade Federal do Pará – UFPA, Departamento de Engenharia Mecânica, Grupo de Vibrações e Acústica – GVA. Endereço: Campus Universitário do Guamá, CEP: 66075-900 – Belém – Pará – Brasil.

Resumo. Pesquisa realizada recentemente no município de Belém-PA, objetivando avaliar a

qualidade acústica das salas de aula de escolas da região metropolitana de Belém-PA, aponta para uma situação alarmante, uma vez que, de um modo geral, todas as salas de aula estudadas encontram-se inadequadas, sob o ponto de vista da acústica, para a atividade a que se destina, prejudicando a aprendizagem, pela dificuldade de concentração e comunicação truncada, além de levar ao aparecimento de problemas no aparelho fonador do professor ao longo dos anos, pela necessidade que tem de falar em um nível de voz mais alto com o objetivo de se fazer entendido pelos alunos. Assim, neste trabalho, apresenta -se uma proposta alternativa de sala de aula, mantendo -se a estrutura modular dos prédios comumente construídos pela Secretaria de Educação do município, tal que as características geométricas e de material possam contribuir para estabelecer um ambiente acusticamente adequado à atividade de ensino, garantindo melhores condições de trabalho e saúde, para a população envolvida, bem como contribuindo para níveis elevados de aprendizagem. A proposta é analisada através da modelagem numérica, pela técnica da acústica de raio, comprovando-se a sua adequação no que diz respeito aos objetivos delineados.

Palavras-chave: Análise Acústica, Acústica Arquitetônica, Modelagem Numérica.

1. INTRODUÇÃO

Uma pesquisa desenvolvida nas escolas das redes municipal e estadual localizadas no município de Belém-PA mostra, a princípio, uma realidade que preocupa , uma vez que a grande maioria delas apresenta uma acústica inadequada e sofre com o intenso ruído externo, provindo principalmente do tráfego terrestre. Por outro lado, o aumento do ruído interno, produzido pelos próprios alunos, prejudica ainda mais a aprendizagem, devido principalmente à dificuldade de concentração e a comunicação truncada, além de levar ao aparecimento de problemas no aparelho fonador do professor ao longo dos anos, pela necessidade de que este tem de falar em um nível de voz mais alto, com o objetivo de se fazer entendido pelos alunos.

A construção de um edifício escolar exige projetos adequados que ofereçam facilidade e rapidez de execução e resultem em um edifício com mínimas exigências de conservação, materiais bons e adequados, sem prejuízo da qualidade e da economia. Dentro deste contexto, o projeto arquitetônico

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de escolas para ensino da rede estadual e municipal é geralmente padronizado, concebendo o pré dio escolar como uma estrutura modular composta por células que representam as salas de aula.

Neste trabalho, apresenta-se uma proposta alternativa de sala de aula, mantendo-se a estrutura modular dos prédios, mas tal que as características geométricas e de materiais de cada módulo possa contribuir para estabelecer um ambiente acusticamente adequado à atividade de ensino, garantindo melhores condições de trabalho e saúde, para a população envolvida, bem como contribuindo, em última instância, para níveis elevados de aprendizagem. Finalmente, a proposta é analisada no programa RAYNOISE, como forma de se constatar sua adequação aos objetivos já delineados.

2. PRESUPOSTOS BÁSICOS DE UM ESPAÇO PEDAGÓGICO

A padronização dos ambientes baseia -se nas dimensões, exigências ambientais, instalações, equipamentos e componentes básicos. Assim, a partir desta padronização, o projetista organiza o espaço dentro de um determinado terreno, considerando a legislação vigente do local. Entretanto, nota-se que o projetista usa pouco material de referência, enquanto cria a forma, limitando-se aos códigos e algumas listas de checagem, raramente aplicando ao projeto simulação e/ou otimização. (Chvatal et al, 1998).

Por outro lado, o projeto do edifício escolar deve levar em consideração questões relativas aos isolamentos, nível de ruídos externos, clima, insolação, ventilação, iluminação, natureza do subsolo, topografia, dimensões dos espaços internos, área disponível, bem como outros aspectos que podem ser considerados relevantes para a realidade local. A Tab. (1) apresenta, de modo resumido alguns elementos importantes que devem ser observados durante o projeto do edifício escolar, ou seja, as condicionantes ambientais a serem respeitadas.

É preciso ressaltar, ainda, que algumas soluções ideais para a acústica arquitetônica podem esbarrar em outros aspectos igualmente importantes para o projeto tais como conforto térmico, iluminação ou funcionalidade, o que leva a necessidade da busca da conciliação entre eles e a satisfação dos usuários.

Tabela 1. Condicionantes Ambientais da Sala de Aula.

Condicionantes Ambientais Parâmetros Recomendados Escolas Novas

Mínimo Escolas Existentes Área útil por aluno

Largura útil

Comprimento útil máximo Vão livre para as portas Pé-direito livre (teto plano) Abertura para iluminação natural Abertura para ventilação natural Insolação

Iluminação artificial Nível de iluminação

Tempo para uma troca de ar Nível Maximo de ruído externo Laje / forro Ventilação cruzada Paredes 1,32 m ou mais 7,50 m ou mais 8,10m 1,20 m com visor 3,00 m livres sob viga 1/4 da área do piso ou mais 1/8 da área do piso ou mais

Evitar insolação direta Fluorescente 500 lux 2 min 40 dB Obrigatório Obrigatória Semi-impermeáveis e claras 1,15 m 5,1 m 9,5 m 0,90 m com visor 2,60 m livres sob viga 1/5 da área do piso ou mais 1/10 da área do piso ou mais

Evitar insolação direta Fluorescente 300lux 6 min 45 dB Obrigatório Obrigatória Semi-impermeáveis e claras Fonte: Ficha Técnica Funda -Escola.

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I V C o n g r e s s o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a M e c â n i c a , 2 2 a 2 5 d e A g o s t o 2 0 0 6 , R e c i f e- P E

Deve-se, ainda, observar a densidade populacional, a qual pode ser definida pela lotação do ambiente. Este fator depende, principalmente, da disponibilidade de área útil por aluno dentro da sala de aula. Para o ensino fundamental, recomenda -se no mínimo 1,5 m2 por aluno e uma lotação máxima por professor de 30 alunos. A flexibilidade de uso desse espaço educacional é visto como importante. Assim, as salas de aulas devem ter formato e dimensões que permitam arranjos variados das carteiras e mesas para abrigarem atividades de ensino como trabalhos individuais, em pequenos grupos ou em conjuntos. (Kowaltowski e Mikani, 2001)

3- PROPOSTA DE SALA DE AULA MODELO

Inicialmente, apresenta -se o modelo de edifícios que hoje são usados pela Secretaria de Educação – SEDUC, do estado do Pará, os quais consistem de um Bloco Básico composto por um total de 5 (cinco) salas de aula, conforme mostrado nas Fig. (1), a qual apresenta uma planta baixa geral do bloco e as vistas lateral e frontal de um módulo de sala de aula.

Figura 1 – Elementos do Edifício Escolar Proposto pela SEDUC.

Sob o ponto de vista da acústica, o modelo proposto pela SEDUC não representa uma alternativa técnica adequada para ambientes que se destinam a sala de aula, uma vez que a sua concepção apresenta uma considerável área de vazamento, representada pelas paredes confeccionadas por tijolos furados, contribuindo para que os ruídos externos tornem a relação sinal/ruído inadequada, devido aos altos valores de ruído de fundo, o que interrompe o processo de aprendizagem, conforme já constatado por Toro (2005). Por outro lado, as relações geométricas das dimensões da sala de aula levam a um ponto fora da região recomendada pelo diagrama de Bolt – Beranek – Newmann, conforme mostrado na Fig. (2) , o qual estabelece as dimensões ideais para que salas de audição e estúdios tenham uma resposta suave em baixa freqüência . (Long, 2006)

Assim, a sala de aula proposta objetiva minimizar os problemas acústicos encontrados na sala de aula da SEDUC, além de possibilitar conforto térmico e lumínico, tornando a proposição um ambiente qualificado tanto sob o ponto de vista da acústica quanto da arquitetura. Para tal, os seguintes fatores serão considerados: no aspecto arquitetônico, Geometria (as proporções

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adequadas, forma e tamanho da sala) e Conforto Térmico e Lumínico (ventilação cruzada, tamanho das janelas, orientação e posição de projeto das aberturas); e no aspecto acústico, localização, revestimentos internos e Vazamentos.

Figura 2. Diagrama de Bolt/Bereanek/Newmann Figura 3. Diagrama de Bolt /Bereanek/Newmann para a Sala de Aula – SEDUC. para a Sala Proposta.

3.1. Fatores Arquitetônicos

No que diz respeito a estes fatores, a premissa básica de orientação da nova proposta foi a de manter as dimensões da edificação o mais próximo possível daquelas estipuladas pela SEDUC. Assim, uma pequena alteração na altura da sala, de 3,00 m para 3,50 m, já possibilita uma adequação do ambiente ao diagrama Bolt – Beranek – Newmann, como mostrado na Fig. (3), tal que as dimensões básicas da sala de aula fica sendo 8.00 x 6.00 x 3.50 m.

Uma vez estabelecidas às dimensões e proporções corretas para a Sala se criou ligeiras modificações nas paredes, tal que as paredes laterais ficassem com pequenas inclinações, tendo por base que as paredes divergentes direcionam as reflexões para o fundo da sala, mas sem alterar a área de planta proposta pela SEDUC. Então, foram propostos ângulos de inclinação de 10° e de 27° nas paredes laterais, ficando a forma da sala como apresentada na Fig. (4).

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No que diz respeito ao conforto térmico, as primeiras considerações que são usualmente feitas pelo projetista trata m da orientação solar e da ventilação através da localização das aberturas dos ambientes que compõem o programa de projeto. Assim, observa -se a posição da edificação segundo as direções norte, sul, leste e oeste, bem como a direção predominante do vento em relação à orientação do ambiente e das aberturas (ventilação cruzada em diferentes posicionamentos). (Da Graça et al, 2001).

Em relação à iluminação, buscou-se aproveitar a iluminação natural, a qual nos climas tropicais úmidos, como no caso de Belém-PA, reduz de forma significativa a utilização de luz elétrica, pois este tipo de clima permite a iluminação natural durante quase todo o período diurno anual. Por outro lado, o controle da insolação é importante também em relação ao conforto térmico e quebra-sóis podem ser usados tanto para o re-direcionamento, como para difusão da luz.

No caso da proposta, as aberturas tiveram como parâmetro para ventilação natural 1/8 da área do piso da sala de aula, definindo um área de aberturas de 6 m2 para um área de 48 m2 de piso. Portanto, de forma a captar o vento e permitir a ventilação cruzada dos espaços internos , esta área de abertura foi posicionada na direção predominante do vento de tal forma que se beneficiem com a orientação que, no caso de Belém-PA, são N 45° L, conforme mostrado na Fig. (5), ficando o Bloco Básico de Salas de Aula conforme a configuração apresentada na Fig. (6).

Figura 6. Planta Geral do Bloco Básico Proposto.

3.2. Fatores Acústicos

Na sala de aula o que se busca é uma condição adequada para a inteligibilidade da fala, uma boa distribuição do som e um tempo ótimo de reverberação, tal que se tenha uma boa concentração e um ótimo nível de aprendizagem. Portanto, a sala proposta deverá possibilitar um ambiente adequado para a aprendizagem e, neste caso, deverá atender as seguintes recomendações:

• Apresentar uma relação Sinal/Ruído acima de +15 dB em quanto que o tempo de reverberação deve estar na faixa de 0,4 a 0,6s;

• Evitar paralelismo, de modo a prevenir o aparecimento de defeitos acústicos (ecos e ecos palpitantes) que normalmente ocorrem entre fechamentos verticais e entre piso e teto. O paralelismo e os materiais altamente reflexivos acentuam os problemas levantados em relação à organização interna do ambiente;

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Para atender estas recomendações, a proposta de sala nova prevê a utilização de materiais distintos daqueles usados na proposta conceitual da SEDUC, uma vez que a obtenção de um tempo de reverberação baixo está associada à utilização de materiais acústicos que permitam o aumento da absorção da energia sonora no ambiente, frente à impossibilidade de diminuição do volume do ambiente. Por outro lado, as inclinações que foram dadas nas paredes da sala, juntamente com a colocação de material absorvente no fundo da sala, já permitem prevenir a existência de eco e do eco palpitante, mas torna -se necessário ainda o uso de persianas acústicas nas aberturas, de modo a permitir a iluminação e ventilação natural e minimizar a entrada de ruído externo, minimizando o ruído de fundo no ambiente.

4. ANÁLISE ACÚSTICA DA SALA DE AULA PROPOSTA

A análise acústica da sala de aula proposta foi realizada no programa comercial RAYNOISE através do método híbrido de análise, selecionando a opção de feixes de raio cônicos combinada com a opção MAPPING, a qual utiliza como critério para abandonar um feixe de raios o parâmetro Ordem de Reflexão, ao mesmo tempo em que estabelece que a computação da energia sonora seja feita a partir da definição das superfícies de recepção dos raios.

A geometria da sala proposta foi gerada no programa AUTOCAD 2004 e é apresentada na Fig. (7), já no ambiente do programa RAYNOISE. Nesta figura pode ser identificada, ainda, a posição da fonte sonora, a qual representa a voz do professor, com níveis de potência sonora disponíveis na biblioteca do RAYNOISE e aqui apresentados na Tab. (2).

Figura 7. Modelo da Sala de Aula com Indicação da Fonte Sonora.

Tabela 2. Valores dos Níveis de Potência Sonora para a Voz do Profess or. BANDA DE

OITAVA (Hz) 125 250 500 1000 2000 4000

NWS (dB) 64 64 64 64 64 64

Para a execução da simulação numérica foram informados ao programa RAYNOISE os seguintes parâmetros adicionais: Número de Raios = 50.000; Ordem de Reflexão = 30; Absorção Sonora do Ar, de acordo com valores constantes da biblioteca do programa RAYNOISE; e Valores de Coeficiente de Absorção para os materiais da parede, piso, teto, etc. conforme a Tab. (3).

Durante a simulação, uma malha de pontos posicionada paralela ao piso foi concebida de modo a se obter o NPS nas bandas de oitava e, assim, poder visualizar o campo acústico no ambiente. As Figuras (8) a (11) mostram o campo acústico na malha de pontos em um diagrama de cor para cada uma das bandas de oitava.

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Tabela 3. Valores de Coeficiente de Absorção Sonora.

FREQUÊNCIA (Hz) Material 1 Material 2 Material 3 Material 4 Material 5 Material 6 Material 7 125 0,36 0,36 0,1 0,07 0,35 0,15 0,2 250 _0,36 _0,44 _0,6 _0,57 _0,25 _0,11 _0,08 500 _0,09 _0,31 _0,8 _0,56 _0,18 _0,1 _0,06 1000 _0,18 _0,29 _0,82 _0,82 _0,12 _0,07 _0,05 2000 _0,17 _0,39 _0,78 _0,59 _0,07 _0,06 _0,04 4000 _0,22 _0,25 _0,6 _0,34 _0,04 _0,7 _0,06

Outra informação importante é o tempo de reverberação do ambiente (RT60) o qual foi calculado pelo RAYNOISE em um total de cinco pontos, dando o resultado apresentado na Tab. (4).

Tabela 4. Tempo de Reverberação em Segundos.

PONTOS DE OBTENÇÃO DO RT60 FREQUÊNCIA (Hz) 1 2 3 4 5 RT60 médio 125 0,54 0,54 0,54 0,55 0,54 0,54 250 0,38 0,39 0,39 0,39 0,39 0,39 500 0,76 0,76 0,75 0,77 0,74 0,76 1000 0,6 0,6 0,6 0,61 0,6 0,60 2000 0,61 0,61 0,6.1 0,62 0,6 0,61 4000 0,51 0,52 0,52 0,52 0,5 0,51

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Figura 9. Distribuição do Campo Acústico na Banda de Oitava de 1000 Hz.

5. COMENTÁRIOS FINAIS

Neste trabalho foi apresentada uma proposta de uma nova sala de aula, tal que se viabilizasse um ambiente adequado tanto no que diz respeito ao conforto acústico quanto ao conforto térmico e lumínico.

Fatores de importância acústica e arquitetônica foram levados em conta, dando origem a uma nova forma de sala e ao uso de materiais acusticamente adequados, sem, entretanto, alterar significativamente as dimensões principais da sala de aula originalmente propostas pela SEDUC. Assim, no que se refere às proporções entre as dimensões principais, estas levaram a uma adequação do ambiente ao diagrama Bolt – Beranek – Newmann.

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Para comprovar a adequação acústica da sala proposta, foi realizada uma simulação no programa RAYNOISE e feito o cálculo do tempo de reverberação em cinco pontos, obtendo-se um tempo de reverberação médio, por banda de oitava, dentro da faixa de valores recomendados para este tipo de ambiente, ou seja, de 0,4 a 0,6 s, havendo um desvio para mais (0,76 s) apenas na banda de 500 Hz.

Finalmente, o mapeamento do NPS no interior da sala foi feito para uma malha de quarenta e dois pontos, produzindo diagramas de cor que permitem uma visibilidade da distribuição do campo acústico por banda de oitava.

6. BIBLIOGRAFIA

BARBOSA, M.;BERTOLLI, S. “Avaliação e proposta de solução para o conforto acústico do núcleo de desenvolvimento infantil (NDI) da UFSC”. Encontro Nacional de Conforto no Ambiente Construído, 2º, Florianópolis SC. 1993. p.295-299.

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CHVATAL, P. et al. “A prática do projeto arquitetônico em Campinas-SP e diretrizes para o projeto de edificações adequadas ao clima”. NUTAU 98, Arquitetura e Urbanismo: Tecnologias para o Século XXI, São Paulo, 1988.

DA GRAÇA, V.; KOWALTOWSKI, D.; PETRECHE, J.; YEE, Ch.; “Otimização de Projetos das Escolas da Rede Estadual de São Paulo considerando Conforto Ambiental”. VI Encontro Nacional e III Encontro Latino-Americano sobre Conforto no Ambiente Construído.ENCAC São Pedro, SP Novembro 2001.

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KOWALTOWSKI, D; MIKANI, P. “Avaliação da Funcionalidade de Prédio Escolar da Rede Pública: O Caso de Campinas”. VI Encontro Nacional e III Encontro Latino-Americano sobre Conforto no Ambiente Construído.ENCAC São Pedro, SP Novembro 2001.

LONG, Marshall. “Architectural Acoustic”. San Diego: Elsevier Academic Press, 2006.

LOSSO, M. ;VIVEIROS, E. “Avaliação Acústica de Edificações Escolares em Santa Catarina” . In: XX Encontro da SOBRAC, II Simpósio Brasileiro de Metrologia em Acústica e Vibrações – SIBRAMA. Rio de Janeiro 2002.

RAYNOISE Manual, Numerical Integration Technologies N. V., 1993.

TORO, M. G. U. “Avaliação Acústica de Salas de Aula em Escolas Públicas na Cidade de Belém-PA: uma proposição de Projeto Acústico”. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) PPGEM/UFPA. Belém. 2005.

ACOUSTICAL ANALYSIS AND PROPOSITION OF A SCHOLAR

ENVIRONMENT TO ACCOUNT FOR THE REQUISITES OF THE

TEACHING-LEARNING PROCESS

Marlenne G. U. Toro1 Newton Sure Soeiro1

Gustavo da Silva Vieira de Melo1

maruria15@hotmail.com nsoeiro@ufpa. br

gmelo@ufpa.br

1_{Universidade Federal do Pará – UFPA, Departamento de Engenharia Mecânica, Grupo de}

Vibrações e Acústica – GVA. Endereço: Campus Universitário do Guamá, CEP: 66075-900 – Belém – Pará – Brasil.

Abstract. A recent research in the city of Belém-PA, focusing on the evaluation of classrooms

acoustical quality of different public schools, revealed a worrying situation, according to which all the investigated classrooms presented acoustical inadequacies, introducing difficulties in the learning process, due to the increase in students lack of concentration and broken communication, apart from inducing vocal diseases in the teachers in the long term, by forcing them to speak louder in order to be understood by their students. Thus, in this paper an alternative classroom design is proposed, which maintains the modular structure of the actual buildings constructed by the local authorities, while changing room geometrical and internal surface characteristics, in order to establish an acoustically adequate environment, which is able to offer proper conditions for teachers and students to develop their communication, increasing learning levels. The new classroom design proposed here is analyzed through numerical techniques based on ray tracing methods, proving its adequacy, concerning the teaching-learning process.