Ondas sonoras. Qualidades fisiológicas de uma onda sonora

Transcrição

1 Ondas sonoras As ondas mecânicas que propiciam o fenômeno da audição aos seres vivos são chamadas de ondas sonoras. Como todas as ondas mecânicas, as ondas sonoras podem se propagar nos mais diversos meios, com exceção do vácuo, onde praticamente não há matéria. Nos seres humanos, uma onda sonora qualquer, só ganha significado quando é recebida e interpretada pelo aparelho auditivo e pelo cérebro. Esse processo de captação e decodificação da onda sonora é denominado capacidade auditiva ou sensação sonora. O diagrama a seguir mostra o percurso das ondas sonoras desde sua recepção pelo pavilhão auditivo até a transmissão dos impulsos elétricos ao cérebro, que codificará e reconhecerá o tipo de som. Recebidos pelo pavilhão auditivo, os sons são conduzidos pelo canal auditivo para o interior do sistema auditivo Os sons recebidos na orelha interna são convertidos em impulsos elétricos. Coletados pelo nervo auditivo são levados ao cérebro onde são interpretados, dando ao ser humano a capacidade da audição. Qualidades fisiológicas de uma onda sonora As características que o ser humano identifica no som são denominadas qualidades ou propriedades fisiológicas dos sons. Dentre elas tem-se a altura, a intensidade e o timbre. O ser humano ainda tem a capacidade de identificar, com certa precisão, a fonte emissora de determinadas ondas de som, entre tantas outras fontes possíveis. É o que ocorre quando se identifica claramente o som proveniente de dois instrumentos musicais diferentes, até mesmo quando tocam a mesma nota musical, ou então a capacidade de reconhecer uma pessoa por meio de sua voz. Altura Altura é a qualidade do som referente à frequência das ondas sonoras.

2 A sensação sonora permite ao ser humano classificar os sons em graves (baixa frequência ou som baixo) ou agudos (alta frequência ou som alto). Essa classificação entre sons, feita por comparação entre sons de distintas frequências, é relativa e depende do referencial que se adota. Não há um limite definido separando essas duas classificações (graves e agudos). Na experiência do cotidiano, costuma-se utilizar os termos som grosso (para designar sons graves) e som fino (para designar sons agudos). Por exemplo, diz-se que, em relação à espécie humana, as vozes masculinas são consideradas grossas (predominância de sons graves), enquanto as vozes femininas são consideradas finas (predominância de sons agudos). O som mais grave que um ser humano pode ouvir, em média é de 20 Hz, e o som mais agudo é em média, é de Hz. Na música, os tons graves são chamados de baixos e os tons agudos são chamados de agudos. Os gráficos a seguir mostram a propagação de ondas sonoras de mesma amplitude e com diferentes frequências. No primeiro a onda sonora é de alta frequência (som alto ou agudo) quando comparada à do segundo, de baixa frequência (som baixo ou grave) Gráfico representando uma onda sonora alta (som agudo) Gráfico representando uma onda sonora baixa (som grave) Uma nota musical é caracterizada principalmente pela sua altura, ou seja, pela sua frequência. Portanto quando se diz que um instrumento está emitindo notas diferentes, pode-se dizer que ele está produzindo ondas sonoras de frequências diferentes. Em um piano, por exemplo, cada tecla corresponde a um som de frequência diferente. Intensidade O bater das asas da abelha gera sons fracos que pouco ou nada incomodam os aos ouvidos humanos, enquanto a fricção dos pneus de um carro no asfalto geram sons que costumam soar desagradáveis aos ouvidos humanos.

3 Uma pessoa próxima a esses dois eventos, utilizando a linguagem do cotidiano, classificaria os ruídos gerados nessas duas situações como fracos no caso da abelha e fortes no caso do carro. Assim a pessoa estará fazendo alusão à intensidade da onda sonora. A intensidade de uma onda sonora está associada à energia transportada pela onda que é transmitida a certa região do espaço (inclusive a orelha humana) em um determinado intervalo de tempo. A intensidade está relacionada com a energia de vibração da fonte que emite a onda sonora. À medida que a onda se propaga, essa energia é transportada. Quanto maior for a energia por unidade de tempo transportada à orelha de uma pessoa, maior será a intensidade do som captado por essa pessoa. Dependendo de sua intensidade, os sons são classificados como fracos (baixa intensidade) ou fortes (alta intensidade). Além de estar associada à energia por unidade de, a intensidade depende da érea que a onda atingirá (ver figura). Quando mais longe a área estiver da fonte sonora, mais a energia transportada será espalhada e, portanto, menor será a sua intensidade. É por essa razão que o estrondo de uma explosão é mais perceptível quanto mais perto se estar do local em que ela se deu. Esquema de uma onda sonora incidindo sobre uma área A A intensidade (I) de uma onda sonora pode ser obtida por meio da seguinte expressão: I = E/ t.a Em que: I = intensidade da onda sonora, dada em W/m 2 (SI); A = área atravessada por parte da frente de onda, dada em m 2 (SI); E = energia transportada pela onda que atravessa a área mencionada, dada em joule J no SI; t = intervalo de tempo no qual ocorre o transporte de energia pela onda, dado em segundos (SI). Como a energia de uma onda depende de sua amplitude, a intensidade também dependerá dela. Quanto maior for a amplitude da onda, maior será a sua intensidade.

4 Nível de intensidade da sensação sonora A percepção de intensidade sonora no aparelho auditivo é diferente da intensidade sonora emitida pela fonte. Isso ocorre porque a orelha atenua a intensidade das ondas originais à medida que a onda é transmitida para regiões mais internas do aparelho auditivo. Por exemplo, ao se aumentar o volume de um aparelho de som de modo que a intensidade (média) das ondas emitidas torna-se cem vezes maior, a sensação ou percepção no ser humano torna-se em média apenas duas vezes maior. Dessa maneira, pode-se dizer que a sensação sonora obtida pelo aparelho auditivo humano devido a uma onda sonora não varra proporcionalmente a essa intensidade. Por meio de diversos experimentos, foi constatado que a sensação sonora varia com o logaritmo da intensidade I da onda sonora. Assim, foi criado o nível de intensidade da sensação sonora, normalmente representado por β, que mede a intensidade sonora média percebida pelo ser humano e que é diferente da intensidade original da onda emitida pela fonte. Esse nível de intensidade sonora é dado por: Β = 10. Log I/I 0 (db) Em que: I 0 = intensidade sonora mínima percebida pelo ser humano; I = intensidade sonora da onda sonora; log I/I 0 = logaritmo de base 10 da razão entre as intensidades I e I 0 A unidade da intensidade sonora mínima percebida é o bel (B), em homenagem a Graham Bel, inventor do telefone e pesquisador dos mecanismos da fala e a audição. Na prática costuma--se utilizar seu submúltiplo, o decibel (1dB = 0,1B). Cabe ressaltar que a intensidade sonora mínima (I 0 ) não é igual para todas as pessoas e depende da frequência da onda sonora. Para uma frequência em torno de 1000 Hz e para uma pessoa com audição normal, seu valor, em média, é de10-2 W/m 2 extremamente baixo-, de maneira que se pode dizer que a orelha humana tem grande sensibilidade para sons. Pela definição, a menor intensidade sonora percebida pelo ser humano (I 0 ) corresponde ao nível de intensidade zero. Ou seja, considerando I = I 0, tem-se: β = 10.logI 0 /I 0 ; β = 10.log1; β = 10.0; β = 0 db (pois log 10 1 = 0) O quador a seguir apresenta situações cotidianas e seus respectivos níveis de intensidade da sensação sonora.

5 Limiar da audição Brisa em folhas baixa baixa Ambiente hospitalar Ruído de escritório normal Aspirador de pó Rua congestionada Veículos pesados Cortador de grama sirene Limiar da dor britadeir a Intensidade média (w/m 2 ) Nível de intensidade sonora (db) Clasiificação suave moderado intenso Muito intenso ensurdecedor doloroso Dano físico Timbre Uma nota musical é uma onda simples, com frequência definida, mas devido a características da própria fonte (como seu tamanho, formato, materiais que a compõem, etc.), também são produzidas e emitidas simultaneamente pela mesma fonte ondas secundárias, chamadas harmônicas. Como resultado, a onda emitida pela onda sonora será formada pela superposição de todas as ondas produzidas no mesmo instante em que a fonte foi posta a vibrar. As ondas secundárias ou harmônicas são de dois tipos: fundamental som principal emitido pela fonte e superior sons chamados de segundos, terceiros, quartos harmônicos, etc. A frequência de uma nota musical é uma propriedade relacionada ao harmônico fundamental. Todas as vezes que uma fonte é posta a vibrar, ou seja, no momento em que o harmônico fundamental é emitido, ocorrem os harmônicos superiores. São as ondas secundárias que permitem a identificação da fonte sonora, funcionando assim como uma espécie de assinatura digital. Mesmo que se emita uma nota de harmônico fundamental comum a todos os instrumentos musicais, a onda resultante apresenta características relacionadas às propriedades do instrumento gerador do som. Tem-se, então, o timbre. Timbre é uma qualidade da onda sonora que permite diferenciar sons de mesma frequência produzidos por fontes distintas. O quadro abaixo apresenta (sem escala) alguns instrumentos musicais e suas formas de onda associadas a uma determinada nota musical emitida por todas. Referência Bibliográfica Física: Ensino médio, 2º ano/ Adriana Benetti Marques Válio.. (et al.)-1 ed- São Paulo: edições SM, 2009