T.k v =
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Tópico.09 Acústica Acústica 50000Hz; gatos – 60Hz a 65000Hz; morcegos – 10000Hz a 120000Hz; golfinhos – 10000Hz a 240000Hz. É o ramo da Física que estuda as ondas sonoras. 1. Introdução O som é uma onda mecânica, longitudinal e tridimensional. O som não se propaga no vácuo, já que é uma onda mecânica, e não sofre polarização, já que é uma onda longitudinal. O ouvido humano é um dispositivo que tem a capacidade de receber ondas sonoras que, juntamente com o nervo auditivo e o cérebro, nos dão a sensação de som. A sensação auditiva é obtida quando uma onda sonora de certa freqüência penetra pela orelha e atinge o tímpano fazendo-o vibrar na mesma freqüência da onda. Esse movimento vibratório é transmitido pelos ossículos do ouvido (martelo, bigorna e estribo) para a denominada janela oval e daí para a cóclea, no ouvido interno, onde se converte em impulsos elétricos que são transmitidos pelo nervo auditivo até o cérebro, que decodifica as informações e nos dá sensação sonora. As ondas sonoras se propagam nos sólidos, líquidos e gasosos, com velocidades que dependem das características do meio. Em geral: VSÓL. > VLÍQ. > VGAS. Obs.: A 20o C o som se propaga no ferro sólido a 5100m/s, na água líquida a 1450m/s e no ar a 343m/s. A temperatura praticamente não influi na velocidade do som nos sólidos e líquidos, mas nos meios gasosos tem importância fundamental. Experimentalmente verifica-se que a velocidade das ondas sonoras nos meio gasosos obedece a chamada fórmula de Laplace: v k.T Onde: K é uma constante que depende da natureza do gás; T é a temperatura absoluta 2. Propriedades fisiológicas do som O ouvido humano possui condições fisiológicas de diferenciar algumas qualidades do som, como a altura, a intensidade e o timbre. O ouvido humano normal só consegue captar ondas sonoras que vão de 20Hz até 20000Hz aproximadamente. Essa faixa de freqüência é chamada de som audível. As freqüências abaixo de 20Hz são chamadas de infra-som e as acima de 20000Hz de ultra-som. Abalos sísmicos e alguns sons emitidos por baleias e elefantes estão na faixa do infra-som enquanto sons emitidos por apitos de cachorro, morcegos e a ultra-sonografia, muito difundida na medicina, estão na faixa do ultra-som. Infra-som Som audível Ultra-som f (Hz) 0 20 20000 a) Altura: qualidade que permite diferenciar sons graves (baixos) e agudos (altos). A altura do som depende apenas da sua freqüência. Maior freqüência mais agudo Menor freqüência mais grave Observações.: 1) As notas da escala musical são caracterizadas pela sua freqüência. Em ordem crescente de freqüência temos: DÓ1 RÉ1MI1 FÁ1 SOL1 LÁ1SI1 : primeira oitava DÓ2 RÉ2MI2 FÁ2 SOL2 LÁ2SI2 : segunda oitava Obs.: A faixa de freqüência dos sons audíveis variam de acordo com a espécie, veja: cães – 15Hz a A freqüência da segunda oitava é o dobro da primeira oitava, a da terceira oitava o dobro da segunda e assim por diante. Ex.: fDÓ 2 = 2.fDÓ 1 ; fDÓ 3 = 2.fDÓ 2 ; etc. 2) Os cantores de música clássica são classificados de acordo com a freqüência com que eles são capazes de emitir sons: os baixos (voz grave masculina – 80 a 365Hz), os barítonos (100 a 450Hz), os tenores (voz aguda masculina – 140 a 540Hz), os contraltos (180 a 730Hz) e os sopranos (voz aguda feminina – 270 a 1230Hz). Nível sonoro (N): é a relação logarítmica que relaciona a intensidade (I) do som em um ambiente e o limiar da audibilidade (I0). Tem como unidade no S.I. o bel (B) e como submúltiplo o decibel (dB). N log I I 10 N I0 I0 Obs.: N é dado em bels (B), para transformar em decibels ou decibéis (dB) é só usar a relação: 1B = 10dB. b) Intensidade: qualidade que permite diferenciar um som forte de um som fraco. A intensidade do som depende da energia que a onda transporta. maior amplitude maior energia maior potência mais forte menor amplitude menor energia menor potência mais fraco Intensidade (I) : é definida como sendo a relação entre a potência (P) transportada pela onda e a área da superfície (A) perpendicular à direção de propagação. No S.I. é dada em W/m2. I P A A mínima intensidade de um som para ser percebida por um ser humano é chamada de limiar da audibilidade (I0) que vale: I0 = 10-12 W/m2 c) Timbre: qualidade que permite diferenciar sons de mesma freqüência e mesma intensidade, emitidos por fontes diferentes. Isto só é possível devido a capacidade do nosso ouvido de diferenciar ondas de formatos diferentes. A máxima intensidade de um som que um ser humano pode suportar é chamada de limiar da dor (IMÁX) que vale: IMÁX =100 W/m2= 1 W/m2 Obs.: Esses valores dependem da freqüência do som, de acordo com o gráfico abaixo. Os valores acima são obtidos para uma freqüência padrão de 1000Hz. Na figura acima temos formatos de ondas diferentes para uma mesma nota musical emitida por um violino e por um piano. Dizemos que essas notas têm timbres diferentes. 3. Eco, reverberação e reforço Quando dois sons chegam ao ouvido humano em um intervalo de tempo menor que 0,1s, o cérebro não consegue distinguir esses sons. Esse tempo é chamado de persistência acústica que é o tempo em que um som permanece no aparelho auditivo fornecendo sensação auditiva. Uma taça de cristal pode romper-se por ressonância quando uma cantora voz de soprano emitir uma nota musical com freqüência igual à freqüência própria da taça. Abaixo temos uma foto da ponte de Tacoma Narrows, nos E.U.A., que foi destruída pela ressonância provocada por rajadas de ventos fortes. Esse fato possibilita a uma pessoa perceber a reflexão do som em três níveis: 5. Efeito Doppler a) Eco: A pessoa ouve separadamente o som direto e o som refletido. Isto significa que o som refletido gastou um tempo maior ou igual a 0,1s para ir da fonte, sofrer reflexão e chegar até a pessoa. É a alteração aparente da freqüência de uma onda em função do movimento relativo entre a fonte emissora e a fonte receptora das ondas. O Efeito Doppler não é exclusivo das ondas sonoras, podendo ocorrer, portanto, inclusive com a luz. Obs.: como a velocidade do som no ar a 20oC é de aproximadamente 340m/s, o eco ocorrerá quando tivermos barreiras para reflexão a distâncias de aproximadamente 17m ou mais. b) Reverberação: A pessoa ouve o som refletido quando o som direto está se extinguindo. Há um prolongamento da sensação auditiva. Isto significa que o som refletido gastou um tempo menor que 0,1s para ir da fonte, sofrer reflexão e chegar até a pessoa. Um bom exemplo ocorre quando uma ambulância, com sua sirene ligada, passa por uma pessoa. Enquanto a ambulância se aproxima, a freqüência percebida por ela é maior que a real (mais aguda) e a medida que ela se afasta, a freqüência percebida é menor (mais grave). c) Reforço: A pessoa ouve o som refletido junto com o som direto da fonte. Há um aumento da intensidade do som. Isto significa que o som refletido gastou um tempo aproximadamente igual a zero para ir da fonte, sofrer reflexão e chegar até a pessoa. 4. Ressonância É um fenômeno pelo qual um sistema oscilante começa a vibrar, com amplitudes maiores do que as normais ao receber uma energia externa de freqüência O cálculo dessa freqüência aparente percebida pelo ouvinte obedece a seguinte equação: fo fF v vo v vF Onde: é a freqüência aparente percebida pelo fo ouvinte. fF é a freqüência real da fonte. Vo é a velocidade do ouvinte. VF é a velocidade da fonte. V é a velocidade do som. Convenção de sinais Ouvinte Fonte igual à freqüência natural do mesmo. Obs.: Freqüência natural ou freqüência própria de um corpo é a freqüência na qual um corpo qualquer absorve energia de vibração e aumenta progressivamente sua amplitude de oscilação. Vo (+) VF (+) Vo (-) VF (-)
