Universidade de São Paulo Instituto de Física de São Carlos - IFSC. FFI0210 Acústica Física. Sistema auditivo. Prof. Dr.

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1 Universidade de São Paulo Instituto de Física de São Carlos - IFSC FFI0210 Acústica Física Sistema auditivo Prof. Dr. José Pedro Donoso

2 Agradescimentos Os docentes da disciplina gostariam de expressar o seu agradecimento as editoras LTC (Livros Tecnicos e Científicos), Cengage Learning e E. Blucher pelo acesso às figuras dos livros textos: Fisica de Tipler & Mosca e Fundamentos de Física de Halliday, Resnick e Walker (LTC), Principios de Física de Serway & Jewett (Cengage Learning) e Acústica Aplicada ao Controle do Ruído (Blucher).

3 Anatomia da ouvido humano

4 Ouvido externo O processo da audição começa quando as ondas sonoras entram no conduto do ouvido externo. Este conduto condensa as ondas a as leva ao tímpano. Som e Audição - Biblioteca Cientifica Life (Livraria J. Olympio, 1982)

5 Ouvido externo O canal auditivo tem um diâmetro médio de 7 mm e comprimento em torno de 30 mm. Se trata essencialmente, de um duto, fechado na extremidade pelo tímpano. A frequência de ressonância para este duto é da ordem de 3400 Hz.

6 Cálculo da frequência de ressonância do canal auditivo Consideramos o canal auditivo como uma coluna de ar aberta em uma extremidade e fechada na outra, de comprimento L As frequências de ressonância na faixa audível são três: f 1 = 3400 Hz, f 3 = 10.1 khz e f 5 = 16.9 khz Tipler & Mosca, Física (LTC, 2009), Serway & Jewett, Princípios de Física (Cengage, 2004)

7 Função de transferência O som que chega ao tímpano é afetado pela função de transferência na entrada do canal auditivo e pela função de transferência do conduto auditivo externo. A primeira ressonância do canal auditivo explica a maior sensibilidade do ouvido entre 3 e 5 khz.

8 Ouvido médio Os ossículos (martelo, bigorna e estribo) formam uma ponte conduzindo as vibrações do tímpano até o ouvido interno. As ondas chegam sob a forma de energia mecânica amplificada. Som e Audição - Biblioteca Cientifica Life (Livraria J. Olympio, 1982)

9 Ouvido médio O ouvido médio consiste no tímpano e em tres ossículos: martelo, bigorna e estribo. Ele transfere, através dos ossículos, o movimento vibratório do tímpano para a janela oval da cóclea. Na ausência dele, apenas 0.8% da energia sonora incidente seria transmitida para a cóclea. A função do ouvido médio é então cassar as impedâncias e amplificar a amplitude do som

10 Urone, Physics with health science applications (Wiley 1986)

11 Amplificação da pressão sonora Se concentramos toda a força que o som exerce no tímpano sobre uma área menor, a pressão sonora P aumentará proporcionalmente. Area do tímpano: 55 mm 2 Area da janela oval: 3.2 mm 2. P aumenta num fator 17 Os ossículos formam um sistema de alavancas que aumentam ainda mais a pressão (num fator de aprox. 1.4). No total, os dois mecanismos provocam um aumento da pressão sonora de aprox. 24 vezes Rossing, The Sience of Sound (Addison Wesley 1990)

12 Função de transferência do ouvido médio A função de transferência foi obtida medindo-se a pressão sonora imediatamente atrás da janela oval, dentro da cóclea, aplicando pressões sonoras constantes no tímpano. O casamento de impedâncias proporcionado pelo ouvido médio resulta numa perfeita transmissão para a cóclea, da energia sonora incidente no tímpano.

13 Ouvido interno A força exercida pelo estribo sobre a janela oval se converte dentro do ouvido interno cheio de líquido, em ondas de preessão. Fluindo sobre a membrana basilar, criam ondulações que estimulam os sensíveis orgãos de Corti. Som e Audição - Biblioteca Cientifica Life (Livraria J. Olympio, 1982)

14 Ouvido interno O ouvido interno consiste no laberinto ósseo (cavidades e canais dentro do osso temporal) e no laberinto membranáceo, composto de dutos e da cóclea. O nervo vestibular transmite para o cérebro os sinais elétricos gerados pelo sistema vestibular (responsável pelo equilíbrio) e o nervo coclear transmite os sinais elétricos gerados pela cóclea (responsável pela codificação das informações sonoras)

15 A cóclea O movimento vibratório do tímpano é transmitido para a cóclea através dos ossículos. A janela oval é a região de conexão do estribo com a cóclea. O movimento vibratório gerado pelo estribo na janela provoca ondas de pressão na perlinfa, um líquido semelhante ao fluido cérebro-espinal. Num adulto, a membrana basilar tem cerca de 34 mm de comprimento. Por causa da variação gradual da largura e da espessura, há um decrécimo de 10 mil vezes na sua rigidez, desde a base até o ápice, o que dá a ela a sua função fundamental de análise de frequências. Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

16 Corte de uma seção transversal dos dutos da cóclea em que se observa o chamado orgão de Corti (em homenagem ao médico italiano Alfonso Corti, ), assentado sobre a membrana basilar.

17 A rigidez determina a frequência de ressonância de uma estrutura. Como a rigidez da membrana basilar varia entre suas extremidades, as diferentes frequências de som excitam diferentes regiões dela: as altas freq. excitam a extremidade basal e as baixas a extremidade apical. A excitação sempre tem início na base. A medida que a onda se propaga, a sua amplitude chega ao maximo numa certa região.

18 A cóclea registra tons de alta frequência (1500 a Hz) em sua base, e de baixa frequência (20 a 500 Hz) na ponta Corpo Humano - Biblioteca Ciência & Natureza Life Life (Abril Livros, 1995)

19 Regiões da membrana basilar que são excitadas por tons puros de baixa (200 Hz), média (1500 Hz) e alta frequência (8000 Hz). Esta característica é conhecida como codificação localizada Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

20 No caso de sons complexos, cada componente espectral excita a membrana basilar no mesmo local que o faia um tom puro. A figura mostra a codificação da membrana para um som com picos nas frequências de 2500, 1500 e 700 Hz.

21 O orgão de Corti Essa estrutura se assenta na membrana basilar. Basicamente ele é um transdutor eletromecânico: transforma o movimento vibratorio da membrana basilar em sinais elétricos. Ele é composto por 4 mil células ciliadas internas e 16 mil externas, dispostas em fileiras. Elas captam os movimentos da membrana e passam os sinais as células nervosas (neurônios).

22 Codificação do som pelos neurônios Codificação localizada: refere-se a regîão da membrana basilar que é excitada Codificação da intensidade: associada a taxa de descarga de sinais elétricos gerados pelos neurônios Codificação temporal: as células ciliadas podem, coletivamente, responder a cada ciclo de estímulo. O processo é conhecido como chaveamento de fase (phase locking)

23 Informações do som são captados, processados e codificados pelo ouvido, e enviadas ao cérebro pelas fibras nervosas auditivas. No nível psíquico, o cérebro interpreta as informações recebidas e determina seu significado. O som é caracterizado por grandezas físicas enquanto as sensações são caracterizadas por grandezas psicoacústicas

24 Um grupo de ouvintes foi solicitado a julgar quando um tom puro se tornava audível e desconfortável. O resultado mostra que a sensação subjetiva de intensidade depende da frequência do som. Um tom puro de 100 Hz será subjetivamente percebido com menor intensidade do que um tom puro de 1000 Hz

25 A fim de medir a intensidade subjetiva dos sons, foi criada uma grandeza psicoacústica chamada nível de audibilidade, cuja referência é o nível sonoro de um tom puro em 1000 Hz, e a unidade é o fone.

26 Para sons que competem pelas células ciliadas de uma mesma banda, o limiar diferencial do nível de audibilidade é de aprox. 3 fones. Para medir a variação subjetiva de intensidade ao se variar o nível de audibilidade de um tom puro, foi criada uma grandeza: a audibilidade, cuja unidade é o sone.

27 A especialização nos hemisférios cerebrais Esquerdo: governa a linguagem e a fala (significado das palavras), a especifidade das imagens, o ritmo e as sequências de sons melódicos Direito: controla as funções sensoriais (entonação da fala e seu conteúdo emocional, a altura, timbre, tonalidade e harmonia) e texto cantado

28 Roederer, Introdução a Fisica e Psicofísica da Música (Edusp, 1998)

29 Referências bibliográficas Acústica aplicada ao controle de ruído, Sylvio Bistafa (Ed. Blucher, 2011) A acustica musical. Flo Menezes (Atelié editorial, 2004) Physics and the sound of music, J.S. Rigden, 2nd edition (Wiley 1985) Introdução a física e psicofísica da música. J.G. Roederer (Edusp, 1998) Physics with health science applications. P. Urone (Wiley, 1986) The Science of Sound, Thomas Rossing (Addison Wesley, 1990)