Som

1.A natureza do som

Em termos físicos, o som faz parte de um grupo de fenômenos que se constituem em uma sequência recorrente de alterações na pressão atmosférica (*) em um dado ponto no espaço. Abalos sísmicos, agitações oceânicas e ultrasons também fazem parte desse grupo. Em termos psico-acústicos, o som é a sensação auditiva produzida por variações na pressão atmosférica (**), quando a intensidade e a frequência dessas alterações encontram-se dentro de certos limites.

(*) — ou em qualquer outro meio elástico.
(**) — são variações mínimas, e somente o ouvido as sente.

Velocidade de propagação

Em um meio elástico, o som é uma onda que se propaga a uma velocidade (c ) dada por:

em que:

p0 = pressão estática no gás, em dinas por centímetro quadrado
rho = densidade do gás, em gramas por centímetro quadrado
gama = constante ligada ao calor específico do gás; (no ar: =1,4)

Velocidade no ar

Se a temperatura permanecer constante, a velocidade do som não se altera com uma mudança de pressão, justamente porque, se a pressão aumenta, a densidade também aumenta.

No ar, a velocidade do som pode ser obtida pela seguinte equação:

Sendo c a velocidade em metros por segundo e t a temperatura em graus centígrados.

Frequência

Quando existe som, a pressão atmosférica em um dado ponto do espaço varia periodicamente. A pressão altera-se desde um valor mínimo p1 até um valor máximo p2 de tal modo que, ao atingir o valor p2 , a pressão inicia um retorno ao valor p1; e quando atingir o valor p1, retoma a ida até o valor p2 , reiniciando então um novo ciclo, e assim será enquanto perdurar o fenômeno. É a chamada periodicidade do som.

O número de ciclos por segundo denomina-se frequência (f ), e o tempo (T ) decorrido entre o primeiro e o último instantes de um desses ciclos é o período. Desta forma, T = 1/f .

Frente de onda

É uma linha de pontos que estão em fase, e que são equidistantes relativamente à fonte.

Comprimento de onda

É a distância (lambda) que o som percorre para completar um ciclo.

Desta forma, a velocidade de propagação da onda sonora é o produto do comprimento de onda pela frequência:

Pressão

Uma onda sonora consiste de uma sucessão de valores de pressão acima e abaixo da pressão estática do meio (isto é, sem perturbação).

A pressão sonora instantânea em um dado ponto é a pressão instantânea total nesse ponto menos a pressão estática (isto é, a pressão atmosférica normal na ausência de som). A pressão efetiva do som em um dado ponto é o valor médio quadrático da pressão instantânea em um ciclo completo.

Numa onda esférica a pressão do som diminui de modo inversamente proporcional à distância da fonte.

Amplitude e velocidade de partícula

O transcurso de uma onda de som causa nas moléculas do meio uma alteração nas suas posições normais, isto é, nas posições que ocupam na ausência de som. Nas ondas de voz e música, as moléculas oscilam na frequência do som, em deslocamentos da ordem de pequenas frações de milímetro, isto a uma velocidade de acordo com a equação: u = p/(rho.c)

A amplitude ou deslocamento da partícula desde a sua posição de origem na ausência de som é dada por

[f = frequência, em ciclos por segundo]

Intensidade

A intensidade ( I ) de um campo sonoro em um certo ponto e a uma certa direção é a energia sonora transmitida por unidade de tempo a uma área unitária normal a essa direção. Ou seja, a intensidade do som é a potência sonora por unidade de área.

Numa onda de som plana, a intensidade é dada por: (I = p2/??c = pu = ??c u2 ) 

onde k = 4??2? c. Isto é, a intensidade varia com o quadrado da frequência e com o quadrado da amplitude.

[a unidade da intensidade é o erg por segundo por centímetro quadrado.]

Nível de intensidade

A intensidade é um valor obtido por comparação com um som de referência.

O ouvido humano responde a uma faixa de intensidades que se estende desde um valor I0 até cerca de 10.000.000.000 I0 . Devido a essa largura, é conveniente que se adote uma escala logarítmica, isto é:

Em que N é o nível de intensidade, e I0 o valor de referência.

(A resposta dos órgãos sensoriais é proporcional ao logaritmo da magnitude do estímulo; Lei de Weber-Fechner).

Decibéis

O bel expressa numa escala logarítmica a razão de duas potências acústicas. Um decibel é a décima parte de um bel.

Dois sons com potências P e P0 terão

decibéis entre eles.

Efeito Doppler

É o fenômeno evidenciado pela mudança de frequência numa onda sonora que se observa quando a distância entre fonte e observador altera-se com o tempo. Quando fonte e observador aproximam-se um do outro, a frequência observada é maior do que a frequência real da fonte. Quando se afastam, a frequência é menor. No ponto de observação a frequência vale:

c = velocidade do som
vo = velocidade do observador
vs = velocidade da fonte
fs = frequência da fonte

Refração

É uma mudança na direção do som devido a uma mudança de velocidade na transmissão. Em 1: ar quente próximo da superfície terrestre e ar frio mais acima. A velocidade do som no ar quente é maior. A onda sonora é desviada para cima. Em 2: situação de temperatura do ar é oposta, e assim o som é curvado para baixo.

Difração

É o surgimento de uma fonte secundária de som devido à passagem da onda por uma aresta, um orifício ou uma fenda.
Difração também é o surgimento de sombras acústicas devido ao choque da onda com um obstáculo.

Difração caso1

Orifício menor do que o comprimento-de-onda

A maior parte da onda é refletida. A pequena parte que atravessa 
a parede pelo orifício será irradiada em todas as direções, 
justamente como se fosse uma nova fonte de som.

Difração caso 2

Orifício maior do que o comprimento-de-onda

Transmissão sem perda de intensidade.

Difração caso 3

Obstáculo menor do que o comprimento-de-onda

A onda sonora circunda o obstáculo e recupera a sua frente de onda. A sombra acústica é desprezível.

Difração caso 4

Obstáculo maior do que o comprimento-de-onda

Sombra acústica quase perfeita. A frente de onda e a intensidade do som refletido são iguais às que surgiriam se a fonte de som S fosse colocada na posição da sua imagem I.

Reflexão

Quando a onda de som encontra um obstáculo grande, rígido e pesado ela é mandada de volta.

O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Absorção

É o processo no qual a onda sonora perde energia ao atravessar um meio ou chocar-se contra uma superfície. Os materiais porosos têm uma grande quantidade de pequenos orifícios. A combinação de material e geometria possibilita a criação de salas anecóicas, isto é, ambientes em que a absorção é total.

Sala de absorção média

Sala anecóica

Transmissão

Em todo ambiente fechado ou delimitado por paredes e tetos ocorrem sempre três mecanismos: reflexão, absorção e transmissão.

Uma vez que a absorção não é total, assim como a reflexão não faz voltar toda a energia incidente, uma parte do som não é nem absorvida nem refletida, mas transmitida.

Projeção acústica

Combinando reflexão, absorção e transmissão

Projeção acústica ortogonal

2. Audição

O sentido da audição é conhecido apenas parcialmente, sobretudo no que que se refere ao processamento neural dos sons.

O aparelho auditivo

Ouvido externo

(orelha + canal auditivo)

coleta o som e o envia pelo canal auditivo, cujas dimensões valem:

L = 3 cm
D = 0,7 cm

Orelha

Por muitos anos pensou-se que a orelha não tinha muita importância. Em 1967, Wayne Batteau descobriu que sem a orelha não se tem como localizar a fonte sonora no espaço 3D.

Localização espacial

Ouvido médio

vai da membrana do tímpano até as membranas ou janelas do ouvido interno.

Os sons vindos do canal auditivo fazem vibrar a membrana do tímpano. A vibração é transmitida aos ossículos.

(a trompa de Eustáquio liga o ouvido médio à parte posterior do nariz para equalizar a pressão.)

Ouvido interno

O som é transmitido do estribo ao ouvido interno através da janela oval. 
As vibrações fazem com que o líquido da cóclea entre em movimento e provoque o movimento vibratório dos cílios.

Quando os cílios vibram, são gerados pulsos que se transmitem ao cérebro pelo nervo auditivo.
(contém mecanismos para a audição e para a sensação de equilíbrio.)

O canal auditivo

L = 3 cm
D = 0,7 cm

f =c/L = 340/0.03
f =11.480 Hz

O tubo amplifica a pressão na frequência correspondente a 1/4 do comprimento de onda, isto é, fm = 2870 Hz.

O tubo acústico tem seção transversal variável

Amplificação acústica na membrana do tímpano

Resposta da membrana do tímpano

Seção transversal da cóclea

onda na membrana basilar
(Órgão de Corti contém 25000 cílios)

Onda de 200 Hz que se propaga na membrana basilar.
Velocidade do som na membrana:
distância percorrida pelo pico negativo: de 27 a 28,5 mm
tempo gasto:1,25 ms
c = 1,5mm/1,2ms = 1,2 m/s
Isto é, um valor 1/275 da velocidade no ar (344m/s)

Banda crítica

No processo de audição, produz-se uma onda que se propaga ao longo da membrana basilar e que terá uma amplitude máxima em um certo ponto cuja posição depende da frequência do som que se ouve. A perturbação produzida pela onda expande-se um pouco para a direita e um pouco para a esquerda deste ponto de movimento máximo da membrana.

Esta região corresponde a uma faixa de frequências denominada banda crítica.

Para um som de 200Hz há uma banda de 90Hz. Já em 5000Hz a banda é da ordem de 900Hz. A banda crítica tem mais ou menos 1,2 mm, cobrindo cerca de 1300 cílios.

Banda crítica e a audição de dois sons simultâneos

Seja um som contendo dois tons (sons puros). Para um pequeno afastamento de frequência, ouvem-se batimentos. Aumentando-se esta separação, o batimento desaparece e se ouve um único tom, ainda que possuidor de uma certa rugosidade. Aumentando-se ainda mais a separação, os dois sons passam a ser ouvidos em separado, com a rugosidade ainda presente. Até aí ainda há uma sobreposição entre as duas regiões na membrana

Separando-se ainda mais os dois tons, a rugosidade desaparece e ambos os tons soam de forma suave. Neste ponto as duas regiões da membrana basilar excitadas pelos dois tons são completamente disjuntas.

Banda crítica

1:1 (480-480) 
9:8 (480-540) (120-135) (60-67.5)
6:5 (480-576)
4:3 (480-640) 
3:2 (480-720)
8:5 (480-768)
9:5 (480-864) 
2 :1 (480-960)

Tons resultantes

Sons que se produzem no sistema auditivo como uma resposta não linear (caso de estímulos de intensidades elevadas).

Mascaramento

Audição binaural

As ondas sonoras que atingem cada um dos ouvidos são em geral diferentes.

Para sons de baixa frequência (comprimento-de-onda grande em comparação com o tamanho da cabeça) haverá uma diferença de fase devido à pequena diferença de tempo que há entre os instantes em que o som atinge os ouvidos. Em frequências altas (comprimento-de-onda pequeno) haverá também uma diferença de intensidade porque um dos ouvidos estará mais perto da fonte e também devido à sombra acústica imposta pela cabeça. A despeito dessas diferenças de tempo e de intensidade, ouve-se um único som, fenômeno conhecido por fusão binaural.
No processamento do som, o cérebro utiliza essas diferenças para deduzir de onde vem o som e qual a sua localização no espaço.

Unidades:

Intensidade: watts/m2
Nível de intensidade: decibéis

Audibilidade: sones
Nível de audibilidade: fones

Área auditiva

fala e música

Faixa de audição

Nos seres humanos, a faixa de audição se estende desde um limite inferior de frequência, nas imediações de 15 Hz, até o limite superior de cerca de 15000 Hz. Desta forma, existe uma razão perto de 1000:1, isto é, aproximadamente 2^10:1 (que vale 1024), entre a frequência do som mais agudo que se pode ouvir e a do som mais grave, de modo que a largura da faixa de audição é de 10 “oitavas” .

Audição e visão

Curvas de mesma audibilidade

3. Tons simples

Comparação superficial dos tons simples com as luzes monocromárica

Fonte: www.cic.unb.br