O design do silenciador, apesar de parecer trabalhar muito para suprimir um som tão forte do motor, é na verdade bastante simples: dentro do silenciador você encontrará um conjunto aparentemente simples de tubos com furos neles. Esses tubos, juntamente com câmaras especiais, são na verdade dispostos como um instrumento musical afinado, que hoje não apenas amortece o motor, mas também cria um som especial que é agradável ao ouvido de muitos motoristas, especialmente quando usado em carros esportivos.
Silenciador cortado
Assim, os silenciadores são projetados para refletir as ondas sonoras produzidas pelo motor de tal forma que elas (as ondas) se cancelem parcialmente. Os silenciadores usam tecnologia bastante sutil para suprimir esse ruído. Então, como funciona um silenciador? Vamos descobrir! Mas primeiro precisamos saber um pouco mais sobre a física do som.
A localização do silenciador no carro em relação a todo o sistema de escapamento
Sobre o som
As ondas sonoras são geradas a partir de pulsos alternados de alta e baixa pressão de ar nos cilindros do motor. Esses pulsos percorrem o ar na velocidade do som. Esses impulsos são criados no motor no momento em que a válvula de escape se abre e a mistura explosiva de combustível e ar em alta pressão entra repentinamente no sistema de escapamento. As moléculas deste gás colidem com moléculas do tubo que estão sob pressão mais baixa. Estas, por sua vez, colidem com moléculas mais abaixo no tubo, resultando neste som. Assim, a onda sonora desce pelo sistema de escapamento (ou melhor, da frente para trás) muito mais rápido do que os gases de escapamento saem dele.
Quando esses pulsos de pressão chegam ao ouvido, eles impactam o tímpano, fazendo-o vibrar. E o seu cérebro interpreta esse movimento da membrana como som. Duas características principais de uma onda determinam como percebemos esse som:
- Frequência da onda sonora - Uma frequência de onda mais alta significa simplesmente que a pressão do ar flutua mais rápido. Quanto mais rápido o motor funciona, mais alto é o tom que ouvimos (pense no zumbido dos carros de Fórmula 1 ou das motos esportivas passando em alta velocidade). Vibrações mais lentas soam mais baixas (o som mais característico é produzido por motores como os motores de motocicleta Harley Davidson em marcha lenta ou em baixa velocidade).
- O nível de pressão do ar - a amplitude da onda - determina o quão alto será o som. Ondas sonoras com maiores amplitudes de movimento dos nossos tímpanos apresentam maior pressão, e registramos essa sensação como maior volume de ruído.
Mas acontece que você pode combinar duas ou mais ondas sonoras e obter um som (!) menor. Vejamos como isso funciona usando um silenciador como exemplo!
A principal característica da nossa percepção das ondas sonoras é que o ruído resultante no nosso ouvido é, na verdade, a soma de todas as ondas sonoras que chegam ao tímpano numa unidade de tempo. Se você ouvir uma música do Metallica, por exemplo, poderá ouvir uma bateria e três guitarras tocando simultaneamente como uma música combinada, mas se ouvir qualquer uma dessas músicas, poderá ouvir várias fontes sonoras diferentes (exceto a menos que você saiba o diferença entre tocar bateria e baixo) - as ondas de pressão sonora, ao chegarem ao tímpano, se somam, de modo que seu tímpano sinta apenas uma pressão por vez.
E agora a parte prática do silenciador em termos de supressão sonora: o fato é que é possível produzir uma onda sonora diretamente oposta a outra onda idêntica, e esta é justamente a base para a redução de ruído - duas ondas idênticas simplesmente amortecem-se mutuamente ou formam uma onda com o dobro da amplitude. Dê uma olhada na animação abaixo. A onda que se aproxima de cima e a onda do meio são tons puros e idênticos. Se essas duas ondas estiverem em uníssono - isto é, se estiverem sobrepostas uma à outra na mesma frequência - então elas formam uma onda, mas com o dobro da amplitude. Na ciência, isso é chamado de interferência construtiva. Mas, se eles se sobrepõem em fases opostas, quando o ponto mais baixo da amplitude da primeira onda em um momento coincide com o ponto mais alto da amplitude da segunda onda, então eles simplesmente se suprimem até o som zero . E isso já é chamado de interferência destrutiva. No momento em que a primeira onda atinge a sua pressão máxima, a segunda onda atinge o seu mínimo. Se ambas as ondas atingissem o tímpano ao mesmo tempo, você não ouviria nada, porque essas duas ondas sempre se anulam.
Como funciona o silenciador por dentro?
Um silenciador é essencialmente um conjunto de tubos. Esses tubos são projetados para criar reflexos de ondas sonoras que interferem entre si e eventualmente se cancelam.
Os gases de escape e as ondas sonoras junto com eles (embora, como já sabemos, muito antes) entram no silenciador através do tubo de escape central. Eles saltam na parede traseira do silenciador e são refletidos através do orifício na parte principal do silenciador. Em seguida, passam por uma série de orifícios para outra câmara, onde são novamente extintos e saem pelo tubo final, saindo do silenciador.
A segunda câmara é chamada ressonador, que está conectado à primeira câmara através de um orifício. O ressonador contém um certo volume de ar e tem um certo comprimento, que é calculado com precisão pedante para obter um comprimento de onda que possa compensar uma certa frequência de som. Como isso acontece? Vamos dar uma olhada mais de perto no silenciador...
Ressonador
Quando a onda entra no silenciador, parte dela continua a entrar na segunda câmara através do orifício e a outra parte é refletida. A onda se propaga na segunda câmara, atinge a parede traseira do silenciador, é refletida nele e sai novamente pelo mesmo orifício. O comprimento desta segunda câmara é calculado de modo que esta onda saia do ressonador somente depois que a próxima onda for refletida do lado de fora da segunda câmara (o interior da primeira câmara). Idealmente, parte da onda sonora de alta pressão que saiu da segunda câmara será cancelada por parte da onda de baixa pressão que foi refletida do lado de fora da parede da segunda câmara, e são essas duas ondas que irão cancelar cada outro fora.
A animação abaixo mostra como funciona o ressonador em uma versão simplificada do silenciador:
Na realidade, o som proveniente de um motor é uma mistura de diferentes frequências sonoras e, como muitas dessas frequências dependem da rotação do motor, o som quase nunca é incluído nas faixas de frequência corretas para amortecê-lo perfeitamente. O ressonador foi projetado para operar na melhor faixa de frequência onde o motor produz mais ruído, mas mesmo que a frequência seja diferente, ele ainda produzirá uma quantidade significativa de interferência destrutiva.
Alguns carros, especialmente carros de luxo, onde a operação silenciosa é uma característica fundamental, possuem outro componente no escapamento que se parece com um silenciador, mas é chamado ressonador. Este dispositivo funciona como um ressonador de câmara em um silenciador - as dimensões são calculadas para que as ondas abafadas produzam um certo som “lindo” na saída para surpreender e encantar os outros e, de fato, as pessoas na cabine desses carros .
Existem outros recursos dentro do silenciador que ajudam a reduzir os níveis de som de diferentes maneiras. O corpo do silenciador é geralmente feito em três camadas: duas camadas finas de metal e uma camada mais espessa e ligeiramente isolada entre elas. Isto permite que o silenciador absorva alguns dos impulsos de pressão. Além disso, os tubos de entrada e saída que conduzem à câmara principal são perfurados com orifícios. Isso permite que milhares de pequenos pulsos de pressão sejam amortecidos na câmara principal, "comendo" uns aos outros até certo ponto, além da absorção no silenciador.
Desvantagens do silenciador e de outros tipos de silenciadores
Uma das desvantagens importantes de um silenciador é sua resistência à pressão que o motor exerce sobre ele - essa característica é chamada contrapressão. Por causa de todas as dobras e buracos no silenciador, o escapamento deve percorrer um longo caminho para eventualmente sair para a atmosfera circundante. Os silenciadores descritos acima produzem uma contrapressão bastante alta, o que tira um pouco da potência do motor, pois uma válvula de cilindro aberta permite que o combustível queimado escape, e esse combustível sai devido a uma explosão nos cilindros vizinhos, como lembramos no artigo no funcionamento do motor.
Existem outros tipos de silenciadores que podem reduzir a contrapressão. Um desses tipos às vezes é chamado de " vidros duplos", usa apenas absorção, não reflexão, para reduzir o som. Nesse silenciador, o tubo de escape é conectado diretamente ao tubo de escape de entrada, que é perfurado com orifícios. Uma camada de isolamento de vidro é aplicada ao redor deste tubo, que absorve parte dos pulsos de pressão. O isolamento é cercado por uma camada de aço.
Dispositivo silencioso - "unidade de vidro"
Esses silenciadores também têm uma desvantagem significativa: eles produzem muito menos contrapressão, “consumindo” apenas ligeiramente a potência do carro, mas não reduzem o nível sonoro tão bem quanto os silenciadores convencionais.