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Acústica.

O som apresenta as mesmas características gerais das outras formas de onda.

As ondas sonoras são compressões e rarefações longitudinais do meio através do qual se propagam e são produzidas pela vibração de objetos.

Quando uma onda sonora se propaga através de um meio qualquer, as variações de pressão formadas ao longo de seu trajeto geram perturbações no meio em decorrência das tensões nele aplicadas.

A velocidade do som é obtida pelo cálculo da raiz quadrada de seu módulo elástico dividida pela densidade.

Velocidade do Som.

A velocidade do som, assim como a velocidade de outros tipos de onda, varia de acordo com o meio.

Em ar parado, a 0°C, corresponde a cerca de 331 m/s (1.191,6 km/h).

Se a temperatura do ar subir cerca de 1°C, a velocidade do som aumentará cerca de 0,6 m/s.

Nos metais, como o aço, a velocidade do som é de 5.060 m/s.

Esta é a razão pela qual, nos filme de "faroeste", vemos as pessoas encostarem o ouvido nos trilhos das estradas de ferro para ouvir a aproximação do trem.

Isto ocorre porque a onda se propaga muito mais rápido através do aço do que do ar.

Nas profundezas dos oceanos, o efeito combinado da salinidade, da temperatura e da pressão resulta numa velocidade mínima do som.

O canal centrado ao redor desta velocidade mínima em profundidades entre 1.000 e 1.300 m permite que ondas sonoras se propaguem por grandes distâncias horizontais, com perda relativamente pequena.

Já foram transmitidos, desta forma, sinais da Austrália às Bermudas.

O fato de a velocidade do som variar nos diferentes meios é uma das razões da utilização de técnicas sísmicas para sondar camadas de rochas ou minerais no subsolo.

Levantamento Sísmico.

O levantamento sísmico baseia-se na variação da reflexão das ondas sísmicas nos diferentes tipos de rocha.

De modo semelhante, varreduras ultrasônicas são empregadas na medicina e permitem, por exemplo, mostrar a imagem de um bebê no útero da mãe.

Em ambos os casos, as variações no tipo de material são determinadas pelas variações do tempo que o som leva para se propagar até o detector.

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Refração do Som.

À noite, o ar próximo ao solo costuma ficar mais frio que o das camadas superiores, pois a Terra se resfria após o pôr do Sol.

Assim sendo, a onda sonora que se move verticalmente a partir do solo vai sofrendo ligeiros desvios horizontais ao atravessar as camadas mais quentes de ar.

Por fim, acabará sendo refletida de volta para baixo, permitindo que o som seja ouvido a longas distâncias.

Este fenômeno é explicado pela lei de refração de Snell, segundo a qual camadas de ar sob diferentes temperaturas funcionam como meios diferentes através dos quais o som se propaga em velocidades diferentes.

Na 1ª Guerra Mundial, os canhões da frente de batalha ao norte da França podiam ser ouvidos no sul da Inglaterra, mas não na área intermediária.

Este fato consistiu numa importante prova da existência da estratosfera, que é a parte da atmosfera acima da troposfera (camada de ar mais baixa).

Na estratosfera média e superior, a temperatura aumenta com a altitude.

Ouvido Humano.

O ouvido humano é um detector bastante sensível.

Seu limiar de percepção corresponde a uma intensidade sonora de 10^-12 watts por metro quadrado (W m²) que é a medida da energia que chega até ele, conhecida como intensidade limiar.

O som de maior intensidade que o ouvido consegue tolerar é da ordem de 1 W m².

Por abranger uma faixa de variação muito extensa, costuma-se representá-la em escala logarítmica de base 10.

Sua unidade original era o bel, termo derivado do nome do inventor do telefone, o escocês Graham Bell (1847-1922).

Mesmo graduado com base na escala logarítmica, o bel, por ser uma unidade muito ampla, é substituído normalmente pelo decibel (db), 1 bel = 10 db.

Se o limiar de intensidade for de 0 db, o som correspondente ao limiar de intensidade dez vezes maior será de 10 db, cem vezes maior será de 20 db, mil vezes maior será de 30 db e assim por diante.

Assim, o valor de 1 W m² está 120 db acima do limiar.

Frequências ao redor de 3.200 Hz fazem o canal auditivo humano ressoar.

A faixa de maior sensibilidade situa-se entre 2.500 e 4.000 Hz.

Apenas cerca de 10% da população conseguem ouvir sons de 0 db e, mesmo assim, na região de 2.500 e 4.000 Hz.

A resposta do ouvido não é linear, ou seja, não possui relação direta com a intensidade do som detectado.

A sensibilidade está relacionada à frequência, apresenta forte diminuição nas frequências audíveis mais baixas, mas diminui menos nas mais altas.

A faixa de frequência à qual o ouvido humano responde varia com a idade.

No caso dos adolescentes, situa-se entre 20 e 20.000 Hz, enquanto para adultos próximos dos 40 anos o limite superior cai para a faixa entre 12.000 e 14.000 Hz.

No limiar inferior da audição, as flutuações de pressão das ondas sonoras correspondem a cerca de 3 x 10^-10 da pressão atmosférica.

O tímpano (chamado de membrana timpânica) vibra com velocidades bastante baixas, cerca de 10 cm por ano.

Este dado pode parecer estranho, já que o ouvido vibra com frequências de até 20.000 Hz (ciclos por segundo).

No entanto, a baixa velocidade é explicada pelo fato de que o deslocamento detectado das moléculas de ar adjacentes ao tímpano a cada vez que ele se move é menor do que o raio atômico típico (cerca de 10^-10 m).

O ouvido humano é um detector muito sensível e uma sobrecarga constante acaba por deteriorar sua performance.

Frequências situadas abaixo da faixa de audição humana são conhecidas como infra-sônicas e as situadas acima são chamadas ultra-sônicas.

A sensibilidade auditiva de alguns mamíferos, como o golfinho e o morcego, situa-se dentro da gama ultra-sônica.

Tais animais se orientam através do eco produzido pelos guinchos agudos que emitem.

Animais de grande porte, como as baleias e os elefantes, utilizam frequências infra-sônicas para se comunicar a longas distâncias.

Acredita-se que aves migratórias detectam sons infra-sônicos gerados por diversas fontes naturais, que lhes são úteis para a navegação.

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Características das Notas Musicais.

As notas produzidas pelos instrumentos musicais possuem três características principais.

A intensidade relativa poderia parecer a mais simples delas, mas é complicada em função da resposta não-linear do ouvido.

A 100 Hz e 10.000 Hz o limiar de audição é de cerca de 40 db, comparado ao de 0 db da faixa entre 2.500 e 4.000 Hz.

O conceito de intensidade relativa, portanto, não se baseia apenas na energia que atinge o ouvido, mas também na frequência.

A altura está intimamente relacionada à frequência.

Quando se dobra a frequência da vibração, a altura se eleva em uma oitava.

De modo geral, quanto mais alta a frequência, maior a altura.

Os sons produzidos pelos instrumentos musicais não constituem formas de ondas simples, são resultantes de diversas combinações de ondas.

Tal complexidade resulta no timbre da nota de um instrumento específico.

Até mesmo uma nota "pura" pode conter diversas ondas de frequências diferentes.

Tais frequências são conhecidas como harmônicos ou múltiplos da frequência fundamental ou mais baixa, a qual possui dois nodos e um antinodo, sendo chamada de primeiro harmônico.

O segundo harmônico possui três nodos e dois antinodos, em que o comprimento de onda é reduzido à metade e a frequência é dobrada.

O terceiro harmônico possui quatro nodos e três antinodos; seu comprimento de onda corresponde a um terço do original e sua frequência, ao triplo.

Cada instrumento dá ênfase a um determinado harmônico.

Os sintetizadores musicais imitam os instrumentos produzindo eletronicamente uma mistura de harmônicos em várias amplitudes.

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Efeito Doppler.

O efeito Doppler, descrito pela primeira vez pelo físico austríaco CJ. Doppler (1803-1853), é valido para todas as ondas.

Ocorre com maior frequência na acústica, sendo particularmente percebido nas sirenes de veículos de emergência.

A intensidade e a altura da nota emitida pela sirene parecem aumentar à medida que o veículo se aproxima e diminuir quando se afasta.

A explicação é que quando o observador se move em direção à fonte sonora recebe as oscilações de pressão com frequência maior do que quando esta parado.

Assim, a impressão que ele tem é de que a fonte está emitindo frequências mais altas.

Inversamente, se ele estiver se afastando da fonte, a frequência com que recebe as oscilações parece diminuir.

O mesmo se aplica para o caso em que a fonte está em movimento e o observador, parado.

Os morcegos emitem feixes de sons de frequência constante; a frequência emitida pelas diferentes espécies de morcegos varia de cerca de 40 a 120 kilohertz (kHz: 1 kHz = 1.000 Hz).

Devido ao efeito Dopplen a frequência do eco que retorna aos ouvidos destes animais depois de refletido por um objeto depende da relação de aproximação ou afastamento entre o morcego e o objeto.

Os morcegos parecem ser capazes de perceber efeitos Doppler de menos de 1%.

Suas narinas possuem espaçamento correspondente a um quarto do comprimento de onda, de modo que ao longo da normal ou da perpendicular a uma linha entre suas narinas, as ondas estão em fase e, assim, em amplitude total móxima.

Deste modo, o som emitido é irradiado frontalmente em linha reta.

O efeito Doppler é também notado na ótica, tendo profundo significado para a compreensão do universo.

Comparando-se o espectro de uma estrela ao arco ou à centelha de algum elemento nela presente, suas linhas espectrais podem deslocar-se.

Deslocamentos para a extremidade vermelha do espectro para comprimentos de onda maiores, indicam que a estrela esta se afastando da Terra.

O astrônomo norte-americano Edwin Hubble (1889-1953) estudou este fenômeno em diversas galáxias.

Constatando que sua velocidade de recessão é proporcional à sua distancia da Terra, confirmando, desta forma, que o universo parece estar em expansão.

Sons no Período Noturno.

À noite os sons, sob certas condições, podem ser ouvidos a longa distância, mas não na área intermediária.

Durante a noite, o ar mais próximo ao solo torna-se, em geral, mais frio que o ar das camadas mais altas.

Como o ar frio é mais denso que o quente, as andas sonoras que vão se movimentando através de meios cada vez menos densos vão se curvando em ângulos cada vez maiores.

Ao atingir um determinado ângulo crítico de incidência, o ângulo de refração torna-se igual a 90°C em relação a vertical.

Acima deste valor, as ondas passam a ser refletidas para baixo, fenômeno que recebe o nome de reflexâo interna total.

Estrondos.

Se a velocidade da fonte da onda sonora for superior à do som, 300 m/s (1.080 km/h) na troposfera superior (até 10 km acima da superfície terrestre), a frente de onda produzida não será esférica, e sim cônica.

As diferentes cristas de onda se unem formando uma oncla de choque.

Um avião supersônico (cuja velocidade é superior à do som) gera este tipo de frente de choque, provocando um forte ruído (um estrondo) e grandes variações de pressão.

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