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Física

Acústica

Miguel Bertelli
Publicado por Miguel Bertelli
Última atualização: 18/9/2019

Introdução

A área da Física que estuda o som é chamada de acústica.

O som é uma onda mecânica, ou seja, precisa de um meio físico para se propagar. Um exemplo é alguém falando, em que a onda sonora se propaga através da variação de densidade do ar.

Além disso, o som é uma onda longitudinal. Para que o ouvido humano capte o som, a frequência precisa estar entre 20 Hz e 20 kHz (20.000 Hz).

Faixas de som

Na acústica, temos três principais faixas de som - ou ondas sonoras:

  • Infrassom (frequências abaixo de 20 Hz): são ondas sonoras graves e estão abaixo da faixa audível pelo ouvido humano. Ventos, tornados e alguns animais como o elefante e o cachorro são exemplos capazes de produzir o som nessa faixa de frequência;
  • Frequências audíveis (frequências entre 20 Hz e 20 kHz): é uma extensa faixa de frequência sonora que os humanos conseguem ouvir. Exemplos de emissores de ondas sonoras nessa frequência são os instrumentos musicais, caixas de som, voz humana etc;
  • Ultrassom (frequências acima de 20 kHz): são ondas sonoras agudas e estão acima da faixa audível pelo ouvido humano. Morcegos, aparelho médico de ultrassom e radares são exemplos de emissores de ondas sonoras nessa faixa de frequência.

Fontes sonoras

Um objeto de estudo muito importante na acústica são as fontes sonoras. Qualquer corpo com a capacidade de emitir ondas sonoras leva essa denominação.

No ar, um objeto que consegue causar uma perturbação na densidade, fazendo variar formando uma onda, gera som.

Como exemplos de fontes sonoras, temos: instrumentos musicais como violão e flauta, o aparelho vocal humano, caixas de som convertendo um sinal digital em som, entre outros.

Características do som

Dentro da acústica, podemos analisar o som de acordo com três formas diferentes. São elas:

  • intensidade
  • altura
  • timbre

Intensidade

A intensidade do som está relacionada com a quantidade de energia que a onda transporta.

O som pode ser menos intenso, possuindo um transporte menor de energia e uma amplitude da onda menor. Ou pode ser mais intenso, possuindo um transporte maior de energia e uma amplitude de onda maior.

A unidade utilizada para medir a intensidade é o bel, e possui esse nome em homenagem a Graham Bell (1847 - 1922), o inventor do telefone. Vemos com mais frequência a unidade decibel, que equivale a um décimo do bel (1 db = 0,1 b).

Para o cálculo do nível sonoro, em decibéis, temos a seguinte fórmula:

Onde:

  • \beta é o nível sonoro;
  • I é a intensidade do som em questão;
  • I_{0} é a intensidade mínima que o ouvido humano consegue perceber, que no caso é de 1.10^{-12} W/m^{2}.

Altura

A altura do som está relacionada com a frequência da onda sonora.

Sons com uma altura maior possuem uma frequência mais alta e são chamamos de sons agudos. Já os sons com uma altura menor possuem uma frequência mais baixa e são chamamos de sons graves.

Timbre

Na acústica, o timbre é uma característica do som que nos permite diferenciar sons de mesma frequência produzidos por diferentes fontes sonoras.

Se tocarmos uma mesma nota no violão e em um piano, sabemos rapidamente diferenciar qual fonte sonora produziu cada som.

Velocidade do som

A velocidade do som vai depender do meio em que a onda sonora vai se propagar. No ar, o som se propaga com uma velocidade de 340 m/s.

Fórmula da velocidade

A fórmula da velocidade de uma onda também se aplica na acústica. A velocidade de uma onda é dada por:

Onde:

  • é a velocidade do som, que no ar tem o valor de 340 m/s;
  • \lambda é o comprimento de onda;
  • f é a frequência da onda.

Reflexão das ondas sonoras

Para a reflexão das ondas sonoras temos três classificações diferentes. São elas:

  • Eco: quando o tempo de ida e volta da onda sonora é maior que 0,1 segundo;
  • Reverberação: quando o tempo de ida e volta da onda sonora é próxima de 0,1 segundo;
  • Reforço: quando o tempo de ida e volta da onda sonora é menor que 0,1 segundo.

Harmônicos musicais e ondas estacionárias

Os harmônicos musicais podem ocorrer em cordas e tubos - como por exemplo um violão  ou uma flauta - e partem do princípio de ondas estacionárias que produzem som.

As ondas estacionárias ocorrem quando várias ondas se interagem de forma construtiva e destrutiva.

Na onda estacionária temos duas regiões importantes:

  • Nós: local onde a onda fica parada no repouso;
  • Ventre: local onde ocorre a oscilação da onda.

Harmônicos em cordas

Esquema com os 3 harmônicos em uma corda.

  • Primeiro harmônico: dois nós e um ventre;
  • Segundo harmônico: três nós e dois ventres;
  • Terceiro harmônico: quatro nós e três ventres.

Harmônicos em tubos

Dentro de um tubo também se formam ondas estacionárias. Temos dois tipos de tubos para analisar: o tubo aberto e o tubo fechado.

Tubo aberto

Esquema com 3 harmônicos em um tubo aberto.

No tubo aberto, teremos as duas extremidade do tubo abertas.

  • Primeiro harmônico: um nó e dois ventres;
  • Segundo harmônico: dois nós e três ventres;
  • Terceiro harmônico: três nós e quatro ventres.

Tubo fechado

Esquema com os 3 harmônicos em um tubo fechado.

No tubo fechado, temos apenas uma das extremidades aberta. Neste tipo de tubo, aparecem apenas os harmônicos ímpares.

  • Primeiro harmônico: um nó e um ventre;
  • Terceiro harmônico: dois nós e dois ventres;
  • Quinto harmônico: três nós e três ventres;

Fórmula do comprimento da corda

Para o comprimento da corda temos a seguinte fórmula:

Onde:

  • L é o comprimento da corda;
  • \lambda é o comprimento da onda estacionária;
  • n é o número do harmônico;

Fórmulas


Exercícios

Exercício 1
(PUC-PR/1999)

Sobre conceitos e aplicações da Acústica, assinale a alternativa INCORRETA:

Ilustração: Rapaz corpulento de camiseta, short e tênis acenando

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