O que é som? - FAU

28/08/2016
Universidade de São Paulo
Faculdade de Arquitetura e Urbanismo
Departamento de Tecnologia da Arquitetura
AUT 0278 - Desempenho Acústico, Arquitetura e Urbanismo
Som
Ranny L. X. N. Michalski
e-mail: [email protected]
O que é som?
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Som
• Senso Comum
• Som é tudo aquilo que ouvimos.
• Física
• Som é uma forma de energia vibratória que se propaga em um meio.
• Psicologia
• Som é uma sensação inerente a cada indivíduo.
• Fisiologia
• Se preocupa com a maneira que o som percorre as vias auditivas até atingir
o cérebro.
• Muitos corpos podem servir de fonte sonora, para isto eles precisam ser
capazes de vibrar ou oscilar.
• Depende das propriedades físicas inerentes a cada corpo: massa e
elasticidade.
Som
• Percepção da vibração de um meio promovida por uma fonte e
propagada no meio até um ouvinte.
• O som propaga-se no meio através da vibração de partículas do meio em
torno da posição de equilíbrio.
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Onda sonora
• É mecânica – O som requer um meio para propagar (sólido, líquido
ou gasoso).
• E tridimensional.
Ex.: água superficial
de uma lagoa, quando
tocada, gera ondas –
espaços de pressão e
depressão.
Onda sonora
• O som pode ser percebido entre ambientes, por menor que seja a
vibração.
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Som
O som se propaga no vácuo?
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Som
• Som no ar pode ser definido como uma variação da pressão em relação
à pressão atmosférica detectável pelo sistema auditivo.
• A menor variação de pressão detectável pelo ouvido humano é da ordem dos
2x10-5 Pa, ou seja, 0,00002 Pa.
Som
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Som
• Uma fonte sonora, quando estimulada, produz perturbações na
densidade do meio ao seu redor. Estas perturbações geram flutuações
(aumento ou diminuição) de pressão no meio. Enquanto a onda sonora
passa, as partículas no meio oscilam para a frente e para trás de suas
posições de equilíbrio, mas é a perturbação que viaja, e não as partículas
individuais no meio.
Ondas longitudinais
• A propagação ocorre na mesma direção do movimento das partículas.
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Ondas longitudinais
• A propagação ocorre na mesma direção do movimento das partículas.
• Onda na água:
Ondas transversais
• A propagação ocorre na direção perpendicular ao movimento das partículas.
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Ondas transversais
• A propagação ocorre na direção perpendicular ao movimento das partículas.
• Ola (torcida)!
• Propagação do som no ar (vídeo)
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Características do Som
• A onda sonora se caracteriza por alguns parâmetros:
• Frequência
• Período
• Amplitude
• Comprimento de Onda
• Velocidade de Propagação do Som
• Frequência
• Número de ciclos que as partículas realizam em um segundo.
• É a taxa pela qual a fonte sonora vibra em Hz (ciclos por segundo).
• É o inverso do período.
Onda plana
- Se olharmos para uma posição fixa no espaço a pressão varia com o tempo:
f 
1
T
[Hz]
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• Período
• Tempo de duração de um ciclo. É o inverso da frequência.
T
1
f
[s]
• Amplitude
• É a medida do afastamento das partículas de sua posição de equilíbrio.
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• Amplitude, tempo e frequência:
400 Hz
800 Hz
400 Hz + 800 Hz
• Frequência
100 Hz
500 Hz
200 Hz
300 Hz
400 Hz
800 Hz
1000 Hz
2000 Hz
4000 Hz
8000 Hz
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• Comprimento de onda (λ)
• Distância que o som percorre durante um período (ciclo).
Onda plana
- Se pararmos o tempo e olharmos a pressão variar no espaço:
- Comprimento de onda grande
- Comprimento de onda pequeno
• Todo som, simples ou complexo, pode ser caracterizado por seu
comprimento de onda.
• Velocidade de propagação do som
• A onda sonora é propagada na velocidade do som c:
cf
c

T
Onde:
c é a velocidade de propagação do som, em m/s.
λ é o comprimento de onda (distância que o som percorre durante
um período), em m.
T é o período, em s.
f é a frequência, em Hz.
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• Velocidade de propagação do som
• Varia de acordo com o meio de propagação. Alguns exemplos:
• Ar seco (a 20oC)
• Ar úmido (70% a 20oC)
• Vapor d’água
• Água (líquida)
• Água do mar
• Rochas, alvenarias
• Madeira
• Aço
• Vidro
345 m/s
347 m/s
405 m/s
1.434 m/s
1.504 m/s
2.500 m/s
4.000 m/s
4.990 m/s
5.000 m/s
• Quanto mais denso, ........?......... a velocidade.
• Velocidade de propagação do som
• Quanto mais denso, maior a velocidade.
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• Velocidade de propagação do som
• Depende da elasticidade do meio de propagação.
• Pode ser descrita, segundo a fórmula:
c
E

Onde:
E é o módulo de elasticidade (Young) do meio de propagação
ρ é a densidade do meio de propagação
• Velocidade de propagação do som
• Depende da temperatura e da umidade do meio de propagação.
• No ar, ela varia com a temperatura, conforme a fórmula:
c  331, 40  0, 607t
Onde:
t é a temperatura em oC.
• Quanto maior a temperatura, ........?......... a velocidade.
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• Comprimento de onda (λ) – pode ser obtido conhecendo a velocidade
do som e a frequência.
c
  cT 
f
Onde:
c é a velocidade de propagação do som (m/s);
T é o período (s).
f é a frequência (Hz).
graves
médios
agudos
• Velocidade de propagação do som (c)
cf
• Quanto mais alta a frequência, menor o comprimento de onda e viceversa.
• Geralmente consideram-se os comprimentos de onda sonora no ar,
adotando c = 340 m/s.
Exemplo 1:
Calcule os valores dos comprimentos de onda em função da frequência
para os seguintes valores de frequências:
f (Hz)
20
50
100
200
500
λ (m)
?
?
?
?
?
f (Hz)
20
50
100
200
500
1000 2000 4000
1,7
0,68
0,17 0,085
λ (m)
cf
17,0 6,8 3,4
1000 2000 4000
?
c
0,34
f

?
?
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Exemplo 2:
O ruído de um mosquito é produzido quando ele bate as asas a uma média
de 550 batimentos por segundo.
a) Qual é a frequência em Hz da onda sonora?
b) Assumindo que a onda sonora se move com uma velocidade de 340 m/s,
qual é o comprimento de onda do som?
a) 550 ciclos por segundo
f  550 Hz
b) c  340 m/s
cf

c 340

 0, 618 m  62 cm
f 550
Tipos de Som
Som puro
• Som simples ou puro
• Uma nota emitida por um instrumento musical simples, ex: diapasão.
• Apresenta forma de uma curva periódica, regular, senoidal.
• Toda energia numa única frequência.
dó central na música
λ ≈ 1,3 m
f = 262 Hz
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• Sons complexos
• São emitidos pela maioria dos instrumentos musicais.
• Som resultante da contribuição de várias frequências simultâneas.
• Maioria dos sons.
• Qualquer som pode ser construído adicionando ondas senoidais de
diferentes amplitudes, frequências e tempos iniciais.
• Tipos de onda sonora:
• A onda sonora pode ser classificada de acordo com o número de
frequências presentes nela, em senoidal ou complexa e periódica ou
aperiódica.
• Onda Senoidal:
• Origina o som puro, composto de uma só frequência.
• Onda Complexa:
• Resulta da soma de um número de ondas senoidais simples.
• É constituída por mais de uma frequência.
• Grau de complexidade:
• Depende do número de ondas senoidais combinadas.
• Valores específicos de amplitude, frequência e fase dos
componentes senoidais.
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• A onda sonora pode ser classificada de acordo com a presença ou
ausência de periodicidade em:
• Onda Periódica:
• A forma da onda se repete em ciclos (intervalos iguais de tempo).
• Pode ser construída a partir da soma de vários tons puros com
várias frequências e amplitudes.
• Onda Aperiódica:
• Falta de periodicidade
• Movimento vibratório → aleatório
• Comuns no dia-a-dia
• A onda sonora pode assumir várias formas:
Forma de onda:
Onda senoidal
Onda quadrada
Onda triangular
Onda dente-de-serra
Ruído
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• Análise espectral: análise da forma de onda em suas componentes
senoidais.
• Método de Fourier - permite que qualquer forma de onda possa ser
decomposta, ou analisada, num conjunto de amplitudes e frequências
das ondas senoidais que a compõem.
• Espectro
de frequência: uma representação da distribuição da
energia sonora entre várias frequências; o gráfico da amplitude de cada
componente de onda senoidal contra sua frequência.
som puro
som complexo
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- Mas como nós ouvimos?
- Que frequências nós ouvimos?
- Como nosso ouvido se comporta?
Ouvido Humano
• Sistema sensível, delicado, completo e discriminativo
• Permite perceber e interpretar o som
• Transdutor – transforma vibração em sinais elétricos
• Pode ser dividido em três diferentes partes:
• Ouvido Externo
• Ouvido Médio
• Ouvido Interno
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Ouvido Humano
ouvido externo
ouvido interno
ouvido médio
• Ouvido Externo
• Composto por 3 elementos – pavilhão, tubo ou canal auditivo e tímpano.
• Pavilhão – (ouvido visível – orelha) – forma afunilada para captar os sons.
• Tímpano (membrana timpânica, côncava) – as ondas sonoras o atingem e o
fazem vibrar – transforma ondas sonoras em vibrações mecânicas.
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• Ouvido Médio
• Composto por 3 ossículos (martelo, bigorna e estribo), janela oval, janela
circular e Trompa de Eustáquio.
• A vibração do tímpano é transmitida e amplificada ao longo dos ossículos, que
também vibram.
• Contém importantes elementos para proteger o sistema de audição:
Trompa de Eustáquio – iguala a pressão dos dois lados do tímpano de forma
automática e fornece oxigênio ao ouvido médio.
• Ouvido Interno
• Cóclea (caracol)
• contem um fluido e as células ciliadas (colhe as informações, ou
seja, as vibrações são transmitidas à cóclea).
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• Ouvido Interno
• Cóclea (caracol)
• Células ciliadas – são estimuladas pelas mudanças de pressão do
líquido na cóclea, gerando uma corrente elétrica que vai até o nervo
auditivo.
• Nervo auditivo – transmite as informações (fluxo nervoso) até o cérebro.
• Canais semicirculares – manutenção do equilíbrio do corpo (informam
ao cérebro sobre os movimentos da cabeça).
Ouvido Humano
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Ouvido Humano
Ouvido Humano (vídeo)
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Ouvido Humano (vídeo)
• Percepção espacial do som
• A percepção espacial sonora é possível por termos dois ouvidos.
• Diferença de tempo e de intensidade que o som chega em um
ouvido ou no outro.
• Informa a direção de chegada do som –
– localização ou direção da fonte.
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• Intensidade:
• Está relacionado com a amplitude sonora, a pressão efetiva e a energia
transportada.
• Esta grandeza é popularmente conhecida como volume.
• Permite classificar o som de fraco a forte (sons fracos / sons fortes).
• Decresce com a distância da fonte sonora.
• Altura:
• Está relacionada com a frequência da onda sonora (não à intensidade sonora).
• Permite classificar o som de grave a agudo (sons graves / médios / agudos).
• Usada quando se refere à música.
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• Timbre:
• Característica da fonte sonora, e não do som.
• Permite diferenciar a fonte sonora.
• As ondas sonoras apresentam formatos diferentes que dependem da fonte
emissora.
• Timbre:
• Quando sons possuem mesma frequência (altura) e intensidade, eles ainda
podem ser diferenciados através do timbre.
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• Inteligibilidade
• Grau de compreensão da fala.
• Principal característica acústica de um ambiente;
• Reflete o grau de entendimento das palavras em seu interior;
• Locais onde a comunicação é primordial, a inteligibilidade é fator
decisivo.
• Inteligibilidade
• pessoas e mobiliário – som passa a ser absorvido por estes facilitando a
inteligibilidade.
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• Inteligibilidade
• Testes de inteligibilidade da palavra:
• Ditado!
Sala de aula
• Inteligibilidade
• Testes de inteligibilidade da palavra.
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• Privacidade
• Depende de ouvir e ser ouvido, compreendendo a mensagem falada.
• Depende do tipo de atividade realizada em um ambiente e do tipo de
informação a ser ou não ouvida por outras pessoas no mesmo ou em
outro ambiente.
• Conversação – sem necessidade de sigilo.
• Concentração – atividades que requerem concentração e algum sigilo.
• Contemplação – confidencial.
• Mascaramento
• Um som pode mascarar outro som.
• Consiste na sobreposição de sons: Dois ou mais sons percutem ao
mesmo tempo no mesmo ambiente e se “embaralham”, dificultando sua
identificação.
• Sons de baixa frequência mascaram muito mais facilmente os sons de
alta frequência, do que o contrário.
• O som de maior intensidade sobrepõe-se ao de menor intensidade.
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• Mascaramento
• Em algumas situações um razoável ruído de fundo pode ser útil, para
por exemplo:
- mascarar sons indesejáveis. - minimizar o efeito de ruídos intrusivos.
• Mascaramento
• Em algumas situações um razoável ruído de fundo pode ser útil,
para por exemplo:
- mascarar o diálogo, mantendo a privacidade do mesmo em grandes
ambientes.
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• Mascaramento
• Em algumas situações um razoável ruído de fundo pode ser útil,
para por exemplo:
- manter a sanidade das pessoas: os humanos não podem tolerar
silêncio absoluto num ambiente perfeitamente à prova de som (sem
ruído) por nenhum período de tempo.
• Resposta do ouvido em relação à duração dos sons emitidos
• Sinais de longa duração
• Permite a ativação do sistema de defesa do ouvido.
• São interpretados pelo ouvido humano com intensidade semelhante à
intensidade real do sinal.
• Sinais de curta duração (sinais impulsivos)
• Quase não são perceptíveis pelo ouvido humano e podem não
permitir a ativação do sistema de defesa do ouvido humano.
• Em vez de provocarem apenas diminuição da audição temporária,
podem causar trauma auditivo.
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Faixa de Audição Humana e Sensibilidade
• O som audível varia conforme a intensidade e a frequência.
• Percepção das frequências:
• Até chegarem às células ciliadas na cóclea:
• Ondas sonoras percorrem distâncias diferentes, com diferentes
tempos de atraso.
• Distinção das frequências.
• Sons agudos: estimulam as células ciliadas próximas a entrada
da cóclea – ondas sonoras percorrem distâncias menores.
• Sons graves: estimulam as células situadas mais no interior da
cóclea – ondas sonoras percorrem distâncias maiores.
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• Resposta do ouvido em relação à frequência
• O ouvido transforma as pressões sonoras em pressões auditivas,
mas a sua sensibilidade é limitada, não percebendo todas as
frequências de igual maneira. Ou seja, o ouvido não é igualmente
sensível para todas as frequências:
50 dB em 100 Hz não soa tão alto quanto 50 dB em 500 Hz.
• Resposta do ouvido em relação à frequência
• Sons com o mesmo nível de intensidade e frequências diferentes
não são percebidos como se fossem igualmente intensos.
• A sensibilidade auditiva é máxima para sons de frequências
próximas a 4000 Hz, diminui nas frequências mais altas e atenuase fortemente e especialmente nas frequências baixas.
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• Gráfico de Audibilidade:
• Faixa de frequências e de níveis em decibéis audíveis
• Percepção média de indivíduos com percepção normal
• Escala logarítmica
• Limiar da audição (percepção) → Nível 0 dB para 1000 Hz.
• Limiar da dor → ± 120 dB
• Contornos padrão
de audibilidade para
tons puros
• Curvas isofônicas:
• Curvas de igual sensação sonora.
• Traduzem a resposta subjetiva do
ouvido, medida em fons.
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• Contornos padrão de audibilidade para tons puros:
Equal
Loudness [Fon]
O contorno de 60 Fone
indica os NPSs em dB em
cada frequência que
soariam igualmente “altos”
à 60 dB em 1 kHz.
O ouvido é
menos sensível a
frequências
baixas.
Limiar da
audição
4kHz - frequência
na qual o ouvido é
mais sensível.
• Faixa de frequências e de níveis em decibéis audíveis:
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• Contornos padrão de audibilidade para tons puros:
• Contornos padrão de audibilidade para tons puros:
• Exemplo:
• Um som de 50 dB a 1000 Hz, o seu
valor em fons corresponderá ao mesmo
de um som de 60 dB a 140 Hz e ao
mesmo de um som de 42 dB a 4000 Hz.
• Ou seja, para que ele, a 1000 Hz, seja
percebido, subjetivamente, como se
fosse da mesma intensidade que um
som a 4000 Hz, é necessário que ele
tenha, objetivamente, maior nível
sonoro e, comparado à frequência de
140 Hz, ele necessita de um menor
nível sonoro.
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• Variações médias no limiar da
audição com a idade para tons puros
Faixa de frequência audível
• Som audível
• O som audível varia conforme a intensidade e a frequência.
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Faixa de frequência audível
• Como é uma faixa de frequência muito grande,
para padronizar as medições, surgiram as...
Bandas de frequência
• Representação do som em função da frequência,
dividida em bandas de frequência.
Bandas de frequência
• Representação
do som em função da frequência, dividida em
bandas de frequência.
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Bandas de frequência
f  f 2  f1
f0 f2
  f0 
f1 f 0
f 2 f1
Δf - largura da banda, em Hz.
f0 - frequência central da banda, em Hz.
f1 e f2 - frequências limites superior e inferior, em Hz.
Banda de oitava e banda de um terço de oitava
• Para padronizar as medições, duas bandas de largura proporcional
normalizadas, em que f2/f1 assume os valores 2 e 21/3.
400
Frequências centrais normalizadas das bandas de oitava
500
630
e bandas de terço de oitava:
Frequência
Central [Hz]
100
125
160
200
250
315
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
40
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Absorção do material x Banda de oitava
Exercício 1
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