ondas sonoras

1. ondas sonoras (1) (1) Prof. Cesário

2. rarefação compressão 1 – ONDAS SONORAS As vibrações da corda provoca no ar regiões de compressão e rarefação que caminham afastando da fonte. São recebidas no conduto auditivo externo e atingem a tímpano (membrana) que passa a oscilar transmitindo movimento ao osso denominado martelo. Este bate na bigorna (outro osso) e produz uma corrente elétrica que é transmitido ao cérebro pelo nervo auditivo provocando desta forma a sensação da audição.

3. O sonar é dispositivo que produz ondas sonoras que se propagam na água para pesquisar profundidade do mar ou verificar existência de submarino inimigo. Em filmes antigos de faroeste, era comum ver índios e bandidos encostarem o ouvido nos trilhos para verificarem se a composição ferroviária já estava chegando ou no solo para ouvir o batido das patas dos cavalos das cavalarias. O som na sala de aula se propaga através do ar. O som é uma onda material, longitudinal, que se propaga em sólidos, líquidos e gases.

4. 2 - QUALIDADES FISIOLÓGICAS DO SOM Sons com freqüências entre 20 Hz e 20000 Hz são perceptíveis pelo ouvido humano. Sons de freqüências abaixo do 20 Hz são denominados infra-sons e com freqüências acima de 20000 Hz são denominados ultra-som. Os sons são distinguíveis por três elementos conhecidos como qualidades fisiológicas do som. São elas: (I) – TIMBRE – qualidade que permite distinguir a fonte do som. É o timbre que permite distinguir de quem é uma voz quando um conhecido liga para seu telefone (sem bina). O timbre está relacionado à forma da onda. (II) - ÁLTURA A altura está relacionada à freqüência em que foi produzido o som. Um som é dito: mais alto (ou agudo) que outro se sua freqüência for maior que a do outro, mais baixo (ou grave) que outro se sua freqüência for menor que a do outro. Comparando:

5. Área de distribuição do som: A = 4.r2 = 4.3,14.102 = 12,56 x 102 m2. Intensidade do som a 10 m de distância I = P/A = 500/12,56 x 102 = 0,398 W/m2. (III) - INTENSIDADE A intensidade do som é a medida da energia (potência) por unidade de área, que chega ao receptor. Ela é avaliada em W/m2 (watt/m2). A energia, tanto emitida, quanto recebida, depende da amplitude da onda. Tomando, por exemplo, um alto falante, com potência 500 W e supondo que o mesmo emita o som em todas as direções e sentidos, a 10 m de distância, este som estaria distribuído pela superfície de uma esfera de 10 m de raio.

6. Define-se o nível sonoro  por: I I0  = 10.log 106 10-12  = 10.log = 10.log1018 = 10.18 = 180 db. A intensidade varia com o inverso do quadrado da distância. Se a distância varia de 10 m para10 cm, (distância dividida por 100), a intensidade fica multiplicada por 1002 = 104. Dificilmente teríamos um aparelho que, se marcasse 1 unidade, marque 104 = 10.000 unidades. Assim, para a medida da intensidade usa-se o NÍVEL SONORO. A unidade é denominada decibel (dB) e I0 = 10-12 w/m2 é o limiar (mínimo) da audição. Ex. A intensidade sonora em uma danceteria é da ordem de 106 W/m2. O nível sonoro nessa danceteria é: A exposição durante algum tempo à nível sonoro superior a 45 dB pode provocar diversos sintomas no organismo humano.

7. As unidades bel e decibel foram escolhidas em homenagem Ao cientista norte-americano Alexandre Graham Bell que estudou as propriedades do som e que foi o inventor do telefone. Sons com alta intensidade são desagradáveis ao ouvido. Para intensidades acima de 130 dB produzem sensações dolorosas e se superior a 160 dB pode romper o tímpano. 4 – FENÔMENOS SONOROS Como toda onda, com o som acontece: 4.1 – O som tem uma velocidade de propagação. No ar, a 20º C, o som se propaga com velocidade 340 m/s. Na água, a velocidade é cerca de 1400 m/s e em uma barra de ferro a velocidade atinge cerca de 5200 m/s. 4.2 – O som reflete quando atinge obstáculos. O eco é uma reflexão do som. Como o ouvido humano só pode distinguir dois sons se os mesmos o atingirem Com intervalo superior a 0,1 s, para perceber o eco, o obstáculo deve estar a uma distância superior a 17 m. Assim, o som percorrerá 2 x 17 m = 34 m = 340 m/s x 0,1 s. (x = vt)

8. 4.3 – A reverberação Em ambientes fechado o som reflete nas paredes e atinge os ouvintes Com intervalos de tempo inferior a 0,1 s. Por esse motivo, o som parece ter continuidade, perceptível, principalmente no fonema final. Esta continuidade do som é denominada reverberação. Não confundir com o eco. No eco, o som é percebido como uma repetição. 4.4 - Refração É a passagem do som de um meio para outro. Como exemplo, o som produzido em uma barra de ferro pode ser percebida através do ar. 4.5 - Difração O onda sonora se encurva ao atingir as bordas de obstáculos. Uma pessoa fora da sala e bem afastada da porta, pode ser ouvida Por outra pessoa dentro da sala.

9. A difração permite a comunicação mesmo que os dois não estejam frente a frente. 4 - Interferência O cruzamento de dois sons provoca regiões de sons fortes e regiões de anulação. Reveja a aula sobre interferência. O que foi exposto naquela aula é válido para as ondas sonoras.

10. 5 - Ressonância Todo corpo tem um freqüência própria de vibração. Quando se produz um som com tal freqüência, o corpo passa a oscilar. Um leve brisa produzindo um som com a freqüência de vibração da ponte São Francisco (EUA) fez com que a ponte entrasse em vibração. Como a onda sonora foi constante a amplitude foi aumentando até que a ponte quebrou. Se as ondas sonoras do jato em rasante atingirem continuamente os vidros de uma residência pode ocorrer quebra do vidro. O vidro entra em ressonância (vibra). Se a onda for continuada, a amplitude do movimento do vidro aumenta.

11. x ’ C A  B vsT vs + vo t = 1 vs + vo T vs 1 t . f’ = = vs + vo vs f’ = f. 7 – Efeito Doppler A freqüência do som recebido por um observador quando a fonte e/ou o observador estão em movimento é diferente da freqüência emitida pela fonte. Este fenômeno é conhecido como efeito Doppler. Supondo que o observador estivesse parado em A, ele receberia cada onda separada por um comprimento de onda (). Se o observador deslocar em direção à fonte ele receberá a próxima onda em “C”. A onda terá percorrido a distância x durante o tempo “t”, que para o observador é o período da onda. Como ele percebe uma onda em A e a seguinte em C, AC será o comprimento da onda para o observador. Tem-se então: ’ =  - x vot = vsT - vst Pode-se analisar outras situações: observador se afastando, fonte em movimento, etc.

12. vs vo vs vf f’ = f. + + Adotando certas convenções pode-se escrever, qualquer que seja a situação, a seguinte relação: • Para o observador: quando o observador • se move em direção à fonte, + vo • (ii) se move afastando da fonte, - vo Para a fonte: quando a fonte (i) se move em direção ao observador, -vf (ii) se move afastando do observador, + vf. • Deve-se observar que: • a tentativa de aproximação aumenta a freqüência. Isto implica em • aumentar o numerador ou diminuir o denominador. • (ii) A tentativa de afastamento diminui a freqüência. Isto implica em • diminuir o numerador ou aumentar o denominador.

13. EXERCÍCIOS 1 - Quando uma corda de violão é colocada em vibração, gera no ar em sua volta uma onda sonora que caminha  com velocidade média de 340 m/s. Se uma corda vibrar com freqüência de 510 Hz, qual será o comprimento da onda sonora que se propagará no ar? 2 - O eco de um grito é ouvido por uma pessoa 5 s após ela ter gritado.  A velocidade do som no ar é de aproximadamente 340 m/s. Calcule a distância que se encontra da pessoa a superfície onde o som foi refletido. 3 - Ao mexermos no botão de "volume" do rádio, estamos: a) variando a altura do som; b) variando a intensidade do som; c) variando a freqüência do som; d) variando a velocidade do som. 4 – Um navio emite um sinal usando um sonar para verificar a existência de submarinos na região. Se o eco é percebido 0,5 segundos e o som na água se propaga a 1400 m/s, a que distância ou profundidade está o submarino inimigo? 5 – Uma das turmas do curso de Mecânica conversa tanto que a intensidade do Som na sala costuma atingir 10-1 W/m2. Calcule o nível sonoro na sala de aula e Informe se pode ou não ser considerado poluição sonora.

14. 1 m Área = 4 m2 6 – Uma ambulância move-se em sentido contrário a um automóvel com velocidade de 108 km/h, um em direção ao outro. A sirene da ambulância emite um som correspondente à nota si - bemol cuja freqüência é 24/25 da freqüência da nota Si4 (Si da quarta escala) que é 492,88 Hz. Se o automóvel tem velocidade de 72 km/h, qual será a freqüência do som percebido pelo condutor do automóvel? • 7 – Supondo que um alto-falante emita som de modo que 80% da • intensidade seja dirigida ao longo de uma região cônica, conforme indicado • na figura. Sendo 800 W a potência do alto-falante, determine: • a intensidade do som a 10 m de distância • (b) o nível sonoro a 10 m de distância. (Log 1,6 = 0,20)

15. Notas musicais e suas frequências PARA SEU CONHECIMENTO Escala musical A cada conjunto de notas de Dó a Dó é denominada uma oitava. Em geral se toma como base o La3 (Lá da 3ª escala) cuja freqüência é 435 Hz. O intervalo é a razão entre as freqüência. (I = f2/f1) Se o intervalo entre o Mi e o Fá é 16/15, isto significa que a freqüência do Fá é 16/15 da freqüência do Mi. Entre as notas Do e Ré, Ré e Mi, Fá e Sol, Sol e Lá, Lá e Si são considerados os meios tons (ou semi-tons) denominados sustenidos e bemóis. A freqüência do semi-tom, quando sobre na escala é 25/24 da freqüência da Nota anterior. Nesse caso o semi-tom leva o nome da nota acompanhado do termo sustenido (#). Descendo a escala, a freqüência do meio tom é 24/25 da nota anterior. O meio tom recebe o nome da nota anterior acrescido do termo bemol (b).