SOM: HISTÓRIA, CARACTERÍSTICAS, COMO É PRODUZIDO, TIPOS - FISICA - 2024

O som é definido como uma perturbação à propagação em um meio como o ar, alternadamente, ele produz compressões e expansões nele. Essas mudanças na pressão e densidade do ar chegam ao ouvido e são interpretadas pelo cérebro como sensações auditivas.

Os sons acompanham a vida desde o seu início, fazendo parte das ferramentas de que os animais dispõem para se comunicarem entre si e com o meio ambiente. Algumas pessoas afirmam que as plantas também ouvem, mas em qualquer caso, poderiam perceber as vibrações do ambiente mesmo que não tivessem um aparelho auditivo como os animais superiores.

Figura 1. Ruptura da barreira do som

Além de usar o som para se comunicar por meio da fala, as pessoas o usam como uma expressão artística por meio da música. Todas as culturas, antigas e recentes, têm manifestações musicais de todos os tipos, por meio das quais contam suas histórias, costumes, crenças religiosas e sentimentos.

História

Devido à sua importância, a humanidade se interessou em estudar sua natureza e criou a acústica, um ramo da física dedicado às propriedades e ao comportamento das ondas sonoras.

É sabido que o famoso matemático Pitágoras (569-475 aC) passou muito tempo estudando as diferenças de altura (frequência) entre os sons. Por outro lado, Aristóteles, que especulou sobre todos os aspectos da natureza, afirmou corretamente que o som consistia em expansões e compressões no ar.

Mais tarde, o famoso engenheiro romano Vitruvius (80-15 aC) escreveu um tratado sobre acústica e suas aplicações na construção de teatros. O próprio Isaac Newton (1642-1727) estudou a propagação do som em meios sólidos e determinou uma fórmula para sua velocidade de propagação.

Com o tempo, as ferramentas matemáticas de cálculo tornaram possível expressar adequadamente toda a complexidade do comportamento das ondas.

Características do som (propriedades)

Na sua forma mais simples, uma onda sonora pode ser descrita como uma onda senoidal, propagando-se no tempo e no espaço, como a mostrada na figura 2. Nela observa-se que a onda é periódica, ou seja, possui uma uma forma que se repete no tempo.

Sendo uma onda longitudinal, a direção de propagação e a direção em que as partículas do meio vibratório se movem são as mesmas.

Parâmetros de onda sonora

Figura 2. O som é uma onda longitudinal, a perturbação se propaga na mesma direção em que as moléculas experimentam seu deslocamento. Fonte: Wikimedia Commons.

Os parâmetros de uma onda sonora são:

Período T: é o tempo que leva para repetir uma fase da onda. No Sistema Internacional é medido em segundos.

Ciclo: é a parte da onda contida no período e cobre de um ponto a outro que tem a mesma altura e a mesma inclinação. Pode ser de um vale a outro, de uma crista a outra, ou de um ponto a outro que cumpra a especificação descrita.

Comprimento de onda λ: é a distância entre uma crista e outra da onda, entre um vale e outro, ou em geral entre um ponto e outro com mesma altura e inclinação. Por ser um comprimento é medido em metros, embora outras unidades sejam mais adequadas dependendo do tipo de onda.

Frequência f: é definida como o número de ciclos por unidade de tempo. Sua unidade é o Hertz (Hz).

Amplitude A: corresponde à altura máxima da onda em relação ao eixo horizontal.

Como o som é produzido e propagado?

O som é produzido quando um objeto que está imerso em um meio material é vibrado, conforme mostrado na parte inferior da Figura 2. A membrana esticada do alto-falante à esquerda vibra e transmite a perturbação pelo ar até atinge o ouvinte.

À medida que a perturbação se espalha, a energia é transmitida às moléculas do ambiente, que interagem entre si, por meio de expansões e compressões. Você sempre precisa de um meio material para a propagação do som, seja ele sólido, líquido ou gasoso.

Quando a perturbação do ar atinge o ouvido, variações na pressão do ar fazem o tímpano vibrar. Isso dá origem a impulsos elétricos que são transmitidos ao cérebro através do nervo auditivo e, uma vez lá, os impulsos são traduzidos em som.

Velocidade do som

A velocidade das ondas mecânicas em um determinado meio segue esta relação:

Por exemplo, ao se propagar em um gás como o ar, a velocidade do som pode ser calculada como:

À medida que a temperatura aumenta, também aumenta a velocidade do som, uma vez que as moléculas do meio estão mais dispostas a vibrar e transmitir a vibração por meio de seus movimentos. A pressão, por outro lado, não afeta seu valor.

Relação entre comprimento de onda e frequência

Já vimos que o tempo que leva para a onda completar um ciclo é o período, enquanto a distância percorrida nesse período de tempo é igual a um comprimento de onda. Portanto, a velocidade v do som é definida como:

Por outro lado, a frequência e o período estão relacionados, sendo um o inverso do outro, assim:

O que leva a:

A faixa de frequência audível em humanos está entre 20 e 20.000 Hz, portanto, o comprimento de onda do som está entre 1,7 cm e 17 m ao substituir os valores na equação acima.

Esses comprimentos de onda são do tamanho de objetos comuns, o que influencia na propagação do som, pois, sendo uma onda, experimenta reflexão, refração e difração ao encontrar obstáculos.

Experimentar difração significa que o som é afetado quando encontra obstáculos e aberturas de tamanho semelhante ao seu comprimento de onda ou menores.

Os sons do baixo podem se espalhar melhor por longas distâncias, razão pela qual os elefantes usam o infra-som (sons de frequência muito baixa, inaudíveis ao ouvido humano) para se comunicarem em seus vastos territórios.

Além disso, quando há música em uma sala próxima, os graves são ouvidos melhor do que os agudos, porque seu comprimento de onda é do tamanho de portas e janelas. Por outro lado, ao sair da sala, os sons agudos são facilmente perdidos e, portanto, deixam de ser ouvidos.

Como o som é medido?

O som consiste em uma série de compressões e rarefações do ar, de modo que à medida que se propaga, o som provoca aumentos e diminuições de pressão. No Sistema Internacional, a pressão é medida em pascais, que é abreviado como Pa.

O que acontece é que essas mudanças são muito pequenas em comparação com a pressão atmosférica, que vale cerca de 101.000 Pa.

Mesmo os sons mais altos produzem flutuações de apenas 20-30 Pa (limiar de dor), uma quantidade bastante pequena em comparação. Mas se você pode medir essas mudanças, então você tem uma maneira de medir o som.

A pressão do som é a diferença entre a pressão atmosférica com som e a pressão atmosférica sem som. Como já dissemos, os sons mais altos produzem pressões sonoras de 20 Pa, enquanto os mais fracos causam cerca de 0,00002 Pa (limiar de som).

Uma vez que a faixa de pressões do som abrange várias potências de 10, uma escala logarítmica deve ser usada para indicá-las.

Por outro lado, experimentalmente foi determinado que as pessoas percebem mudanças em sons de baixa intensidade de forma mais perceptível do que mudanças de mesma magnitude, mas em sons intensos.

Por exemplo, se a pressão do som aumenta em 1, 2, 4, 8, 16…, o ouvido percebe aumentos de 1, 2, 3, 4… na intensidade. Por este motivo, é conveniente definir uma nova quantidade chamada nível de pressão sonora (Nível de Pressão Sonora) L _P, definido como:

Onde P _o é a pressão de referência considerada como o limiar de audição e P ₁ é a pressão efetiva média ou pressão RMS. Este RMS ou pressão média é o que o ouvido percebe como a energia média do sinal sonoro.

Decibéis

O resultado da expressão acima para L _P, quando avaliado para vários valores de P ₁, é dado em decibéis, uma quantidade adimensional. Expressar o nível de pressão do som dessa forma é muito conveniente, porque os logaritmos convertem números grandes em números menores e mais gerenciáveis.

No entanto, em muitos casos, é preferível usar a intensidade do som para determinar os decibéis, em vez da pressão do som.

A intensidade do som é a energia que flui por um segundo (potência) através de uma superfície unitária orientada perpendicularmente à direção na qual a onda está se propagando. Como a pressão sonora, é uma quantidade escalar e é denotada I. As unidades de I são W / m ², ou seja, potência por unidade de área.

Pode-se mostrar que a intensidade do som é proporcional ao quadrado da pressão sonora:

Nessa expressão, ρ é a densidade do meio ec é a velocidade do som. Então, o nível de intensidade do som L _I é definido como:

Que também é expresso em decibéis e às vezes é denotado pela letra grega β. O valor de referência I _o é 1 x 10 ^-12 W / m ². Assim, 0 dB representa o limite inferior da audição humana, enquanto o limiar de dor é 120 dB.

Por se tratar de uma escala logarítmica, deve-se enfatizar que pequenas diferenças no número de decibéis fazem uma grande diferença em termos de intensidade sonora.

O medidor de nível de som

Um medidor de nível de som ou decibelímetro é um dispositivo usado para medir a pressão sonora, indicando a medição em decibéis. Ele é projetado para responder a ele da mesma forma que o ouvido humano faria.

Figura 3. O medidor de nível de som ou decibelímetro é usado para medir o nível de pressão do som. Fonte: Wikimedia Commons.

Consiste em um microfone para coletar o sinal, mais circuitos com amplificadores e filtros, que são responsáveis ​​por transformar adequadamente esse sinal em corrente elétrica, e por fim uma escala ou tela para mostrar o resultado da leitura.

Eles são amplamente usados ​​para determinar o impacto que certos ruídos têm nas pessoas e no meio ambiente. Por exemplo, ruídos em fábricas, indústrias, aeroportos, ruído de tráfego e muitos outros.

Tipos de som (infra-som, ultra-som, mono, estéreo, polifônico, homofônico, baixo, agudo)

O som é caracterizado por sua frequência. De acordo com aqueles que o ouvido humano consegue captar, todos os sons são classificados em três categorias: os que podemos ouvir ou o espectro audível, os que têm frequência abaixo do limite inferior do espectro audível ou infra-som e os que estão acima do espectro audível. limite superior, denominado ultrassom.

Em qualquer caso, uma vez que as ondas sonoras podem se sobrepor linearmente, os sons do dia a dia, que às vezes interpretamos como únicos, na verdade consistem em sons diferentes com frequências diferentes, mas próximas.

Figura 4. Espectro de som e faixas de frequência. Fonte: Wikimedia Commons.

Espectro audível

O ouvido humano é projetado para captar uma ampla faixa de frequências: entre 20 e 20.000 Hz. Mas nem todas as frequências nesta faixa são percebidas com a mesma intensidade.

O ouvido é mais sensível na faixa de frequência entre 500 e 6.000 Hz. No entanto, existem outros fatores que afetam a capacidade de perceber o som, como a idade.

Infrasound

São sons cuja frequência é inferior a 20 Hz, mas o fato de os humanos não poderem ouvi-los não significa que outros animais não possam. Por exemplo, os elefantes os usam para se comunicar, já que o infra-som pode viajar longas distâncias.

Outros animais, como o tigre, os usam para atordoar suas presas. O infra-som também é usado na detecção de objetos grandes.

Ultrassom

Eles têm frequências superiores a 20.000 Hz e são amplamente usados ​​em muitos campos. Um dos usos mais notáveis ​​do ultrassom é como ferramenta da medicina, tanto para diagnóstico quanto para tratamento. As imagens obtidas por ultrassom são não invasivas e não utilizam radiação ionizante.

Os ultrassons também são usados ​​para localizar falhas em estruturas, determinar distâncias, detectar obstáculos durante a navegação e muito mais. Os animais também fazem uso do ultrassom, e de fato foi assim que sua existência foi descoberta.

Os morcegos emitem pulsos sonoros e interpretam o eco que produzem para estimar distâncias e localizar a presa. Por sua vez, os cães também podem ouvir ultra-sons e é por isso que respondem ao apito canino que o seu dono não consegue ouvir.

Som monofônico e som estereofônico

Figura 4. Em um estúdio de gravação, o som é modificado apropriadamente por dispositivos eletrônicos. Fonte: Pixabay.

O som monofônico é um sinal gravado com um único microfone ou canal de áudio. Ao ouvir com fones de ouvido ou buzinas, os dois ouvidos ouvem exatamente a mesma coisa. Em contraste, o som estereofônico grava sinais com dois microfones independentes.

Os microfones estão localizados em posições diferentes para que possam captar diferentes pressões de som do que você deseja gravar.

Então, cada ouvido recebe um desses conjuntos de sinais e, quando o cérebro os reúne e os interpreta, o resultado é muito mais realista do que ouvir sons monofônicos. É, portanto, o método preferido quando se trata de música e cinema, embora o som monofônico ou monoaural ainda seja usado no rádio, especialmente para entrevistas e conversas.

Homofonia e polifonia

Musicalmente falando, a homofonia consiste na mesma melodia tocada por duas ou mais vozes ou instrumentos. Por outro lado, na polifonia existem duas ou mais vozes ou instrumentos de igual importância que seguem melodias e até ritmos diferentes. O conjunto resultante desses sons é harmonioso, como a música de Bach.

Sons graves e agudos

O ouvido humano discrimina as frequências audíveis como altas, baixas ou médias. Isso é conhecido como a altura do som.

As frequências mais altas, entre 1600 e 20.000 Hz, são consideradas sons agudos, a faixa entre 400 e 1600 Hz corresponde aos sons com tom médio e por último, as frequências na faixa de 20 a 400 Hz são os tons graves.

Os sons graves diferem dos agudos porque os primeiros são percebidos como profundos, escuros e estrondosos, enquanto os segundos são claros, claros, alegres e penetrantes. Além disso, o ouvido os interpreta como mais intensos, ao contrário dos sons graves, que produzem a sensação de menos intensidade.

Referências

1. Figueroa, D. 2005. Waves and Quantum Physics. Série: Física para Ciência e Engenharia. Editado por D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6º. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Notes on musical acoustics. Recuperado de: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Física para Ciência e Engenharia. Volume 1. 7º. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Acústica. Recuperado de: es.wikipedia.org.