O Som Todos os sons resultam de uma vibração (ou oscilação). O Som O som é uma onda mecânica, pois necessita de um meio material para se propagar. As ondas sonoras são longitudinais. Resultam de compressões e expansões alternadas das partículas que constituem o meio onde o som se propaga. Neste processo, as partículas oscilam na mesma direção de propagação da onda. Na propagação de um sinal sonoro, os movimentos das partículas do meio geram zonas de compressão (zonas onde a pressão é maior) e zonas de rarefação (zonas onde a pressão é menor). 1 Podemos observar a forma de onda e as suas características num Osciloscópio 2 1
PROPRIEDADES DO SOM O timbre permite distinguir dois sons com a mesma intensidade e a mesma frequência, mas produzidos por diferentes fontes sonoras. A altura permite distinguir sons com frequências diferentes: sons com elevada frequência agudos ou altos. sons com baixa frequência graves ou baixos. A intensidade permite distinguir dois sons com amplitudes diferentes: sons com elevada amplitude fortes; sons com baixa amplitude fracos. A intensidade de um som é independente da sua altura. 3 Velocidade de propagação do Som O som não se propaga sempre com a mesma velocidade, pois ela depende do meio em que ele se propaga e da temperatura. Nos sólidos as partículas estão muito próximas a transmissão das vibrações é rápida. Nos gases as partículas estão muito afastadas a transmissão das vibrações é lenta. O som, de uma forma geral, propaga-se mais rapidamente nos sólidos do que nos líquidos e mais lentamente ainda nos gases. V som (sólidos) > V som (líquidos) >V som (gases) 4 2
Velocidade de propagação do Som Quanto maior for a temperatura do meio de propagação, maior será a velocidade de propagação do som, pois a maior agitação das partículas favorece a transmissão das vibrações. Espectro sonoro O espectro sonoro é o conjunto de todos os sons, com todas as frequências possíveis. Também existem materiais, mesmo no estado sólido, que se caracterizam por uma fraca capacidade de vibração, que os torna maus transmissores de som. Estes materiais constituem meios inelásticos, e são normalmente usados como isoladores acústicos (ex: borracha). A cortiça ou esferovite também são bons isoladores acústicos, sendo usados para revestir estúdios de gravação. 5 O ouvido humano apenas deteta sons com frequências entre os 20 Hz e os 20 000 Hz. A estes chamamos sons audíveis. As ondas com frequência inferior a 20 Hz são chamadas infra-sons. As ondas com frequência superior a 20 000 Hz são ultra-sons. 6 3
Intensidade (I) de uma onda sonora - energia transferida por unidade de tempo e de área perpendicular à direção de propagação de uma onda sonora - depende da frequência e da amplitude. 2 P( W ) I( W / m ) 2 Área( m ) E t Área E Área t A intensidade da onda sonora diminui com o aumento da distância à fonte sonora. Um diapasão emite um som puro, harmónico ou simples Som Puro Um som puro é um som que é representado matematicamente por uma função seno (ou co-seno), ou seja, é uma onda harmónica ou sinusoidal. Só tem 1 comprimento de onda. Os sons A e B são puros. C é um som complexo (que resulta da sobreposição dos sons A e B). 7 8 4
Intensidade e Altura: duas propriedades de um som puro A intensidade do som permite distinguir um som forte de um som fraco. Em linguagem comum diz-se que um som é forte quando é ouvido a uma grande distância. Um som fraco corresponde a uma onda de grande intensidade; Um som fraco corresponde a um som de pequena intensidade. Relação entre intensidade de um som e a amplitude de uma onda sonora. Duas ondas harmónicas com a mesma frequência mas amplitudes diferentes: a onda de maior amplitude corresponde ao som mais forte (mais intenso). 9 10 5
Intensidade e Altura: duas características de um som puro A altura de um som relaciona-se com a sua frequência: um som será tanto mais alto quanto maior for a sua frequência. A altura distingue um som agudo (alto) de um som grave (baixo). Não confundir altura com intensidade de um som. Questão: A figura representa dois sinais sonoros, A e B, provenientes de 2 diapasões. a. Qual dos diapasões efetuou mais oscilações num segundo? b. Qual é o som mais grave? E o mais agudo? c. Os sons têm a mesma intensidade? Sinais harmónicos com a mesma amplitude mas diferentes frequências. 11 12 6
Sons Puros/Harmónicos/Série Harmónica Um som puro ou simples (A, B ou C) propaga-se como uma onda harmónica, com uma frequência bem definida: Série harmónica A figura seguinte representa os três primeiros harmónicos de uma série harmónica : conjunto de sons puros cujas frequências são múltiplos naturais de uma frequência, chamada frequência fundamental (frequência menor). T T B C 1 T 2 1 T 3 A A f f B C 2 f 3 f A A Som A Som fundamental (em Música) ou 1º harmónico (em Física) Som B - 2º harmónico Som C - 3º harmónico 13 14 7
Sons complexos Ao contrário do som emitido por um diapasão, os sons, na sua maioria, não são puros; são sons complexos. Um som complexo é soma / sobreposição ou combinação de sons puros. A e B são sons puros; C é um som complexo e é resultado da sobreposição de A e B; Sons complexos Duas ou mais ondas que se movem num mesmo meio podem sobrepor-se, sendo a onda resultante igual à soma algébrica das ondas individuais Princípio da Sobreposição. Um som complexo é uma combinação de sons puros. Dó do piano T C =T A f C =f A =f undamental 15 O dó de cada instrumento é diferente. Todos têm f = 262Hz, mas com vários harmónicos diferentes, surgindo como sons complexos diferentes (daí o timbre). 16 8
Interferências A sobreposição de ondas designa-se por interferência e existem duas situações extremas de interferência: Interferência construtiva se as duas ondas se encontram na mesma fase, por exemplo, se estiverem ambas, em simultâneo, na sua amplitude de oscilação máxima: Interferências Interferência destrutiva se as duas ondas se encontram em oposição de fase, por exemplo, se em simultâneo, uma estiver na sua amplitude de oscilação máxima e a outra na sua amplitude de oscilação máxima mas no sentido oposto: A amplitude da onda resultante é igual à soma das amplitudes das duas ondas. 17 A amplitude da onda resultante é igual à diferença das amplitudes das duas ondas. 18 9
Timbre: resulta da sobreposição de vários harmónicos. O timbre é o que permite distinguir dois ou mais instrumentos quando estes emitem sons com a mesma altura e a mesma frequência: Osciloscópio O osciloscópio é um instrumento (de medição) que permite visualizar graficamente sinais eléctricos. Na maioria das aplicações, o osciloscópio mostra como é que um sinal eléctrico varia no tempo. Neste caso, o eixo vertical (YY) representa a amplitude do sinal (tensão) e o eixo horizontal (XX) representa o tempo. 19 20 10
Aplicações do Osciloscópio 1. Monitorizar a evolução de qualquer grandeza física que se possa traduzir numa tensão usando o transdutor adequado. 2. Observar a forma de onda e as suas características ou anomalias, por exemplo ruído ou oscilações. 3. Medir intervalos de tempo mesmo muito curtos (por exemplo alguns ns) 4. Medir período dum sinal repetitivo. 5. Medir diferenças de fase. 6. Medir a componente contínua e a alternada dum sinal (DC e AC). 7. Mostrar a relação entre duas variáveis. 21 Exercícios 1. Um gerador de sinal regulado para a frequência f, está ligado a um transdutor que origina no ar uma onda, com c.d.o. De 6.8mm, que se propaga à velocidade de 340 m/s. a)determina a frequência do oscilador. b)se a vibração for aplicada na água, onde se propaga à velocidade de 1500 m/s, qual será a menor distância entre dois pontos da água que estejam a vibrar em oposição de fase? 2. Um diapasão tem a indicação de 1200 Hz. Ligado a um osciloscópio, regulado para 0.10 ms/cm, produz uma determinada imagem. Faz um esboço desta imagem e calcula o c.d.o. no ar. 3. Uma corda de piano com 1.18 m de comprimento permite obter uma frequência fundamental de 27.5 khz. Determina a razão entre o c.d.o. da onda sonora no ar e na corda. 22 11