Acústica

1. Acústica Prof. Marcus Vinicius

2. Acústica • Acústica é o estudo das ondas sonoras; • Ondas sonoras são mecânicas, longitudinais e tridimensionais; • Ondas sonoras não se propagam no vácuo;

3. Infra-som Som audível Ultra-som f (Hz) 0 20 20.000 Acústica – A Freqüência do Som • Infra-som: sons com freqüências abaixo de 20Hz. Não perceptível ao ser humano; • Ultra-som: sons com freqüências acima de 20000Hz. Não perceptível ao ser humano; • Som audível: sons com freqüências perceptíveis ao ser humano (20Hz a 20000Hz)

4. Acústica – A Velocidade do Som • As ondas sonoras propagam-se em meios sólidos, líquidos e gasosos, com velocidades que dependem das diferentes características dos materiais. De um modo geral, as velocidades maiores ocorrem nos sólidos e as menores, nos gases. • A 20°C, o som propaga-se no ferro sólido a 5100m/s, na água líquida a 1450m/s e no ar a 343m/s.  Densidade  velocidade 

5. Acústica – A Altura do Som • qualidade que permite diferenciar um som de alta freqüência (agudo) de um som de baixa freqüência (grave). A altura do som depende apenas da freqüência. Som alto - Freqüência maior - som agudo Som baixo - Freqüência menor - som grave • As notas musicais possuem alturas sonoras diferentes, isto é, cada nota possui uma freqüência característica.

6. Acústica – A Intensidade do Som • qualidade que permite diferenciar um som forte de um som fraco. A intensidade do som está relacionada com energia que a onda transfere e com a amplitude da onda. Um som de maior volume Maior transporte de energia pela onda Uma onda sonora de maior amplitude. Som de maior intensidade

7. A = Área E = Energia t = tempo P constante A   I  Intensidade do Som • Intensidade física: • Unidade no SI:

8. Intensidade do Som • Mínima intensidade física ou limiar de audibilidade (Io): é o menor valor da intensidade física ainda audível, vale: • Máxima intensidade física ou limiar de dor (Imáx): é o maior valor da intensidade física suportável pelo ouvido, vale:

9. A unidade de nível sonoro, para a equação dada, é o decibel (dB). Intensidade do Som • Intensidade auditivaounível sonoro (  ): • Um ambiente com: • 40dB é calmo; • 60dB é barulhento • mais de 80dB já constitui poluição sonora.

10. Acústica – O Timbre do Som • Qualidade que permite diferenciar duas ondas sonoras de mesma altura e mesma intensidade, emitidos por fontes distintas. • O timbre está relacionado à forma da onda emitida pelo instrumento.

11. Reflexão do Som • Persistência acústica : menor intervalo de tempo para que dois sons não se separem no cérebro. A persistência acústica do ouvido humano é de 0,1s. • Um ouvinte consegue distinguir dois sons distintos desde que os receba em intervalos de tempo maiores (ou iguais) a 0,1s. • Esse fato possibilita ao observador perceber o fenômeno da reflexão do som em três níveis: eco, reverberação e reforço.

12. t  0s t Reflexão do Som • t=intervalo de tempo para que o som que foi emitido pelo observador e refletido seja recebido pelo mesmo. • Eco: ocorre quando t  0,1s. O observador ouve separadamente o som direto e o som refletido. • Reverberação: ocorre quando t < 0,1s. Há um prolongamento da sensação auditiva. • Reforço: ocorre quando t  0s. Há somente um aumento da intensidade sonora.

13. diapasão Freqüências Naturais e Ressonância • Batendo-se numa das hastes do diapasão, as duas vibram com determinada freqüência (normalmente, 440Hz). Essa é a freqüência natural (ou própria) do diapasão. • Todos os corpos possuem uma freqüência própria (prédio, ponte, copo, etc.).

14. Exemplo de Ressonância • A ponte de Tacoma Narrows entrou em ressonância, provocada pela vibração dos cabos metálicos existentes em sua estrutura. Suas amplitudes de oscilação aumentaram a ponto de provocar sua ruína

15. Cordas Vibrantes • Quando uma corda, tensa e fixa nas extremidades, é posta a vibrar, originam-se ondas transversais que se propagam ao longo do seu comprimento, refletem-se nas extremidades e, por interferência, ocasionam a formação de ondas estacionárias. • A corda, vibrando estacionariamente, transfere energia ao ar em sua volta, dando origem às ondas sonoras que se propagam no ar. A freqüência dessa onda é igual à freqüência de vibração da corda. Assim, uma corda vibrante (ou corda sonora) é uma fonte sonora.

16. L L 1o harmônico 2o harmônico L 3o harmônico Corda Vibrante n= 1; 2; 3.... representa o número do harmônico; V= velocidade da onda na corda; = comprimento de onda da onda na corda; f= freqüência de vibração da corda = freqüência da onda sonora produzida pela mesma.

17. Exemplos de Cordas Vibrantes • Na harpa todas as cordas são da mesma espessura, mas possuem tamanhos diferentes para possibilitar sons diferentes (mesma Tração  mesma V ; L  f ). • No violão todas as cordas são de mesmo tamanho, mas possuem espessuras diferentes para possibilitar sons diferentes (mesmo L  corda fina V  f ).

18. Tubos Sonoros • Se uma fonte sonora for colocada na extremidade aberta de um tubo, as ondas sonoras emitidas irão superpor-se às que se refletirem nas paredes do tubo, produzindo ondas estacionárias com determinadas freqüências. • Uma extremidade aberta sempre corresponde a um ventre (interferência construtiva) e a fechada, a um nó (interferência destrutiva).

19. 3 /2 2 /2 3 /2 1 /2 L L L 2 /2 3 /2 Tubos Sonoros – Tubo Aberto n= 1; 2; 3...representa o número do harmônico

20. Exemplos de Tubos Abertos • No trompete e no berrante o som é produzido pelos lábios do executante; • Nos instrumentos de madeira, com o oboé, o som é produzido pela palheta; • Na flauta transversal e nos tubos de órgão o som é produzido por uma aresta em forma de cunha que intercepta o sopro.

21. 5 /4 3 /4 5 /4 3 /4 1 /4 L L L 5 /4 5 /4 3 /4 5 /4 Tubos Sonoros – Tubo Fechado No tubo fechado, obtêm-se freqüências naturais apenas dos harmônicos ímpares. n=1 ; 3 ; 5 ...  representa o número do harmônico.

22. Exemplo de Tubos Fechados • A freqüência do som emitido por um tubo sonoro depende do comprimento do tubo

23. Efeito Doppler • O efeito Doppler, para ondas sonoras, constitui o fenômeno pelo qual um observador percebe uma freqüência diferente daquela emitida por uma fonte, devido ao movimento relativo entre eles (observador e fonte). • É o que acontece quando uma ambulância, com sua sirene ligada, passa por um observador (parado ou não). Enquanto a ambulância se aproxima, a freqüência por ele percebida é maior que a real (mais aguda); mas, à medida que ela se afasta, a freqüência percebida é menor (mais grave).

24. Observador em Repouso e fonte em movimento • Fonte aproxima-se do observador O1: haverá um encurtamento aparente do comprimento de onda 1, em relação ao  normal. A freqüência percebida pelo observador será maior que a freqüência real da fonte. • Fonte afasta-se do observador O2, haverá um alongamento aparente do comprimento de onda 2, em relação ao  normal. A freqüência percebida pelo observador será menor que a freqüência real da fonte.

25. Observador em Repouso e fonte em movimento • Para o observador O1, que se aproxima de F, haverá um maior número de encontros com as frentes de onda, do que se estivesse parado. A freqüência por ele percebida será maior que a normal. • Para o observador O2, que se afasta de F, haverá um menor número de encontros com as frentes de onda, do que se estivesse parado. A freqüência por ele percebida será menor que a normal.

26. Efeito Doppler - Conclusão • Movimento de aproximação entre fonte e observador: • Movimento de afastamento entre fonte e observador:

27. Efeito Doppler - Conclusão Observador aproximando da fonte o sinal é positivo Afastando-se da fonte o sinal é negativo

28. Exercícios • 2. (PUC-RS) Quanto a sua natureza e forma de propagação, as ondas podem ser classificadas em eletromagnéticas ou mecânicas, de longitudinais ou transversais. Uma das evidências que as ondas sonoras são longitudinais é que elas não sofrem: • a)    reflexão. • b)    refração. • c)     interferência. • d)    polarização. • e)     difração. Alternativa D

29. A B Exercícios • 3. (Unirio) Dois operários, A e B, estão parados no pátio de uma fábrica. Em certo instante, a sirene toca. O operário B ouve o som da sirene 1,5 s após o operário A tê-lo ouvido. Considerando a velocidade do som constante e de módulo 340 m/s, a distância, em metros, entre os dois operários é:

30. VSom tSom A B d Solução - 3 Alternativa C

31. Exercícios • 4. (FEI-SP) Quando uma onda sonora atinge uma região em que a temperatura do ar é diferente altera-se: • a freqüência. • o comprimento de onda. • o timbre. • a intensidade do som. • a altura do som. f constante Temperatura varia Densidade varia V e  variam Alternativa B

32. Exercícios • 6. (Fatec-SP) Quando uma onda sonora periódica se propaga do ar para a água: • o comprimento de onda aumenta. • o comprimento de onda diminui. • a freqüência diminui. • a velocidade diminui. • nda. f constante Densidade aumenta V e  aumentam Alternativa A

33. Exercícios • 7. Uma pessoa em P1 emite um som que alcança o ouvido de outra pessoa, situada em P2, no fundo do mar. Qual dos caminhos mostrados na figura deste problema poderia representar a trajetória seguida pela onda sonora de P1 até P2? • P1AP2. • P1BP2. • P1CP2. • P1DP2. • P1EP2. f constante Densidade aumenta V e  aumentam Ângulo aumenta Afasta da normal Alternativa D

34. Exercícios • 8. (Fafeod-MG) Uma pessoa, a 680m de distância de um obstáculo refletor, dá um grito e ouve o eco de sua voz. A velocidade do som no ar é de 340m/s. O tempo gasto entre a emissão do som e o momento em que a pessoa ouve o eco, em segundos, é igual a: • um valor que não pode ser calculado com os dados fornecidos. • 1 • 2 • 4 • 8 Distância percorrida pelo som d= 2680= 1360m Velocidade do som = 340m/s Alternativa D

35. Exercícios • 9. (UFU-MG) Um estudante de Física se encontra a uma certa distância de uma parede, de onde ouve o eco de suas palmas. Desejando calcular a que distância se encontra da parede, ele ajusta o ritmo de suas palmas até deixar de ouvir o eco, pois este chega ao mesmo tempo que ele bate as mãos. Se o ritmo das palmas é de 30 palmas por minuto e a velocidade do som é de aproximadamente 330m/s, a sua distância da parede é de: Freqüência das palmas f=30 palmas/min Velocidade do som = 330m/s Intervalo de tempo entres as palmas (T) = tempo de eco (t)

36. Exercícios – Solução 9 Freqüência das palmas f=30 palmas/min Velocidade do som = 330m/s Intervalo de tempo entres as palmas (T) = tempo de eco (t) Alternativa C

37. Exercícios • 15. (FEI-SP) Um jornal publicou, recentemente, um artigo sobre o ruído e sua influência na vida dos seres vivos. Esse artigo comentava, por exemplo, que, se uma vaca ficasse passeando pela Avenida Paulista durante um certo tempo, ela não daria mais leite, e uma galinha deixaria de botar ovos. Considerando Io=1012W/m2, num local onde o ruído atinge 80dB, a intensidade sonora, em W/m2, é: Alternativa A

38. 1,80m P Exercícios • (PUC-MG) A figura ao lado mostra uma corda vibrando no estado estacionário. A afirmativa incorreta é: • O comprimento de onda é 120 cm. • A corda vibra no terceiro harmônico. • A distância entre um ventre e um nó consecutivo é 30cm. • O ponto P da corda vibra em movimento harmônico simples. • Se a velocidade de propagação vale 7,2m/s, a freqüência de vibração vale 8,64Hz.

39. 1,80m P 0,3m ventre 0,60m nó Exercícios • Pela figura temos: • L=1,80m (comprimento da corda) • n=3 (Terceiro harmônico) Alternativa E

40. Exercícios • (FuvestSP) Um músico sopra a extremidade aberta de um tubo de 25cm de comprimento, fechado na outra extremidade, emitindo um som na freqüência f =1700Hz. A velocidade do som no ar, nas condições do experimento, é V=340m/s . Dos diagramas abaixo, aquele que melhor representa a amplitude de deslocamento da onda sonora estacionária, excitada no tubo pelo sopro do músico, é: Alternativa E

41. Exercícios • (U. Amazonas-AM) Para medir a freqüência de uma onda sonora, utiliza-se um tubo de secção reta circular, provido de um êmbolo, contendo partículas leves que acompanham as vibrações da onda, indicando a formação de ventres e nós. A figura abaixo mostra a situação em que a posição do êmbolo permite a formação de ondas estacionárias no interior do tubo. Considerando a velocidade do som no ar, dentro do tubo, 340m/s e o comprimento efetivo do tubo 60cm, a freqüência do som, em Hz, é:

42. Terceiro Harmônico Solução • Pela figura: terceiro harmônico • V=340m/s • L = 60cm = 0,6m Alternativa C