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Física

Ondas Sonoras

Sara Nahra
Publicado por Sara Nahra
Última atualização: 31/12/2018

Introdução

As ondas sonoras são classificadas como ondas mecânicas e se propagam em um meio material. Elas são tridimensionais, uma vez que se propagam em todas as direções e são também longitudinais, ou seja, suas vibrações coincidem com a direção de propagação.

É por meio da audição que reconhecemos os sons e o ramo da Física ondulatória responsável pelo estudo dos fenômenos sonoros - e da forma com que o som é produzido e propagado - é conhecido como Acústica.

Produção do Som

Para entender como o som é produzido, vamos imaginar uma lâmina muito fina fixada na vertical por uma de suas extremidades a um suporte, como mostra a figura abaixo.

Se vibrarmos essa lâmina rapidamente, é produzido um som sibilante. Isso acontece porque, ao vibrar de um lado para outro, a lâmina comprime o ar na região do deslocamento, criando assim uma camada de alta pressão, transferindo-lhe energia que tende a se propagar.

Na outra região, de onde a lâmina partiu, ocorre rarefação do ar e, consequentemente, o ar fica com baixa pressão. Essa rarefação também tende a se propagar, uma vez que foi necessária uma parte da energia proveniente do movimento da lâmina para produzi-la. Ao oscilar de um lado para o outro, essas regiões de ar vão se comprimindo e rarefazendo de forma simétrica.

Esse processo acontece diversas vezes por segundo, conforme a lâmina oscila de maneira muito rápida, e é assim que se produz o som característico da lâmina oscilante.

Propagação do Som

Por serem ondas mecânicas, o som precisa de um meio material para se propagar, não sendo possível sua propagação no vácuo. De uma forma geral, os sólidos transmitem o som melhor que os líquidos, e estes melhor do que os gases.

Isso ocorre devido ao fato de as partículas estarem mais próximas nos sólidos do que nos líquidos e gases, permitindo que a energia da perturbação se transmita de forma mais eficaz.

A tabela abaixo compara a velocidade de propagação do som a 25 °C, em diversos materiais.

Qualidade dos Sons

Cada pessoa, objeto ou instrumento apresenta seu próprio som característico. Uma mesma fonte sonora é capaz de produzir vários tipos de sons, como ocorre com nossas cordas vocais ou com uma flauta.

Assim, podemos classificar os sons de acordo com determinadas características, sendo algumas delas: altura ou tom, intensidade ou volume e timbre. 

Altura ou tom

altura ou tom permite classificar os sons em graves ou agudos.

  • Sons graves são mais baixos e são chamados de tons grossos. Exemplo de sons graves: sons produzidos pelas tubas ou pelos baixos e contrabaixos de um coral.
  • Já os sons agudos são mais altos e são chamados de tons finos. Exemplo de sons agudos: sons produzidos por violinos e guitarras ou os tenores e contraltos em óperas e corais.

A altura do som está também relacionada com a frequência. Os sons graves apresentam frequências menores do que os agudos. 

Intensidade ou volume

A partir da intensidade ou volume do som, é possível diferenciar os sons fortes dos fracos. Quanto maior for a amplitude de vibração da fonte sonora, maior será a intensidade do som. 

Observe a figura abaixo.

A figura acima mostra que um mesmo som, que apresenta a mesma frequência, poderá ser mais forte para amplitudes de oscilações maiores, ou mais fraco, para amplitudes de oscilações menores.

As ondas sonoras transportam energia de uma região para outra do espaço, e essa energia é descrita por meio da intensidade física (I), que é a quantidade de energia que atravessa perpendicularmente uma superfície de área unitária, em uma unidade de tempo. 

Matematicamente, temos:

Onde P é a potência da fonte sonora.

unidade da intensidade física no sistema internacional (SI) é J/(m.s²) ou W/m².

Outro ponto importante é que a intensidade do som varia com a distância r da fonte. No caso das ondas tridimensionais esféricas, a intensidade é inversamente proporcional ao quadrado da distância do ponto considerado à fonte que emite o som:

Para cada frequência, existe uma intensidade física mínima (\(I_0\)), também chamada de limiar de audibilidade, que vale cerca de \(10^{-12}\) W/m². Abaixo deste valor, não é possível ouvir nenhum som. Para intensidades físicas acima de 1 W/m², a sensação auditiva torna-se dolorosa.

São utilizados logaritmos para definir a intensidade auditiva ou nível sonoro β de um som através da seguinte fórmula:

Onde:

  • β é a intensidade auditiva ou nível sonoro;
  • I é a intensidade física do som considerado;
  • \(I_0\) é o limiar de audibilidade = \(10^{-12}\) W/m².

unidade de intensidade sonora é belB. caso seja usado o submúltiplo decibel (dB), a expressão torna-se:

Timbre

timbre possibilita identificar e diferenciar sons produzidos por diferentes fontes, mas que apresentam a mesma altura e a mesma intensidade. Por exemplo, a mesma nota produzida por um violino ou um piano é diferenciada pelas diferentes sensações sonoras que causam, isto é, os diferentes timbres.

O timbre depende da maneira como as vibrações ocorrem na fonte sonora, ou seja, depende do formato das ondas sonoras.

A maioria dos instrumentos produzem sons que são misturas do som fundamental com outros sons de maior frequência, conhecidos como sons harmônicos. Os sons harmônicos não são perfeitamente audíveis, pois apresentam intensidades mais baixas do que as do som fundamental. Apesar disso, são esses sons que nos permitem distingui-los.

Portanto, o som emitido por um violino ou um piano é diferenciado através do número e da intensidade dos sons harmônicos que acompanham o som fundamental de cada um desses instrumentos. É essa diferença que irá proporcionar timbres diferentes ao mesmo som fundamental.

Escala Musical

Convencionou-se a escolha das notas musicais de acordo com a harmonia dos diferentes instrumentos musicais, além da sensibilidade e seletividade da audição humana. A tabela abaixo mostra as notas musicais e suas respectivas frequências.

Fenômenos Sonoros

Alguns fenômenos que ocorrem com os sons são:

  • reflexão
  • refração
  • difração
  • ressonância
  • interferência

Dois dos fenômenos causados pela reflexão do som são a reverberação e o eco.

O tempo que nosso aparelho auditivo leva para que haja o acontecimento total do som é, em média, de 0,10 s. Isso significa que, ao ouvir o som direto da fonte, o som se extinguirá em um tempo de cerca de 0,10 s.

Porém, caso o som refletido demore menos que 0,10 s para chegar aos nossos ouvidos, ocorrerá um efeito de adição deste som com o som direto e, então, a sensação auditiva será reforçada, gerando uma percepção continuada em tempo e aumentada em intensidade. Este fenômeno é chamado de reverberação.

eco, por sua vez, ocorre quando o som direto e o som refletido em algum obstáculo são captados separadamente. Uma pessoa, por exemplo, poderá produzir um som e ouvir seu eco se estiver localizada a uma distância de, no mínimo, 17 m do ponto refletor. Neste caso, o intervalo de tempo para a percepção dos dois sons (direto e refletido) é igual ou maior que 0,10 s. Nesse intervalo de tempo, a onda sonora percorre 34 m a uma velocidade de 340 m/s, sendo 17 m na ida e 17 m na volta.

Efeito Doppler

O exemplo mais comum do efeito Doppler é o que ocorre nas sirenes das ambulâncias.

Percebemos que o som da sirene é mais agudo quando a ambulância se aproxima de nós e torna-se mais grave a medida que a ambulância se afasta.

Quando a fonte sonora e o receptor estão em repouso, a frequência do som não é alterada. A distância entre as cristas das ondas sonoras se mantém constante, apresentando, portanto, o mesmo comprimento de onda.

Já quando a fonte sonora estiver se aproximando do receptor, que está em repouso, o comprimento da onda sonora diminui e a frequência do som torna-se maior do que aquela emitida pela fonte, sendo ouvido assim um som mais agudo, de maior altura.

Ao se afastar do ouvinte, a pessoa detectará sons mais graves, de menor altura, uma vez que os comprimentos de onda se tornam maiores e as frequências menores. O mesmo acontece se o ouvinte estiver se aproximando ou se afastando da fonte sonora.

Podemos relacionar a frequência emitida pela fonte (f) e a frequência captada pelo observador ou receptor (f’) através da seguinte fórmula:

Onde:

  • v = velocidade da onda sonora
  • \(v_F\) = velocidade da fonte
  • \(v_O\) = velocidade do observador
  • f = frequência emitida pela fonte
  • f’ = frequência aparente recebido pelo observador

O sinal será manipulado da seguinte forma:

  • Se o observador estiver se aproximando da fonte, utiliza-se \(+v_O\); se o observador estiver se afastando da fonte, utiliza-se \(-v_O\).
  • Se a fonte estiver se afastando do observador, utiliza-se \(+v_F\); se a fonte estiver se aproximando do observador, utiliza-se \(-v_F\).

A trajetória é orientada no sentido positivo, de O para F.

Fórmulas


Exercícios

Exercício 1
(IFSUL/2017)

Nos gráficos a seguir são representadas duas ondas sonoras. Cada quadradinho vale 1 unidade.


Analisando cada um dos gráficos, conclui-se que o:

Ilustração: Rapaz corpulento de camiseta, short e tênis acenando

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