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21-12-2015
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Sumário
UNIDADE TEMÁTICA 2 – Comunicações.
1.2 - O som – uma onda mecânica longitudinal.
- Produção e propagação de um sinal sonoro.
- Som como onda mecânica.
- Propagação de um som harmónico.
- Propriedades do som: Altura, intensidade e timbre.
- Espectro sonoro.
- Sons harmónicos e complexos.
- Sobreposição de ondas.
24/11/2015
Comunicações O som – uma onda mecânica longitudinal
24/11/2015
Embora para muitos a Ciência e a Música
estejam muito distantes, na verdade estes
assuntos estão, desde a antiguidade,
relacionados em muitos aspetos.
A parte da Física que se ocupa do estudo do som
chama-se ACÚSTICA.
Nos últimos anos a ciência da acústica
desenvolveu-se a tal ponto que o seu impacto
na compreensão da música é verdadeiramente
significativo.
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Comunicações O som – uma onda mecânica longitudinal
24/11/2015
Os músicos e os cientistas têm muitas
características em comum: são ambos
criativos, relacionam-se de forma
emocional com as atividades e gostam de
comunicar com os outros.
Há contudo uma diferença básica:
os cientistas tentam descrever as
situações em termos objetivos, ou seja,
utilizam instrumentos capazes de obter
medidas quantitativas.
Comunicações O som – uma onda mecânica longitudinal
24/11/2015
Por exemplo:
A intensidade sonora exprime-se no SI em W/m2
ou
1 pW/m2 = 0 dB (decibel).
Os músicos utilizam descrições subjetivas para
descrever uma tonalidade musical, como forte,
fraca, viva, pura, rica, baixa, áspera, suave,
redonda, etc.
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Comunicações Mas afinal o que é o som?
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Sinal Sonoro
As perturbações provocadas pelo tambor necessitam de um meio
material (o ar) para se propagarem. O meio de propagação pode
ser gasoso, líquido ou sólido.
Comunicações Mas afinal o que é o som?
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É necessário um meio material para que o som se
propague desde a fonte até aos nossos ouvidos.
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Comunicações Mas afinal o que é o som?
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O som não se propaga no vazio
Comunicações Mas afinal o que é o som?
Ou seja, as ondas sonoras propagam-se fazendo vibrar as moléculas
constituintes do ar, num movimento de vaivém, em torno de uma
posição de equilíbrio e na direção em que o som se propaga.
Podemos dizer que um sinal
sonoro é a propagação de
uma vibração de um meio
mecânico, por sucessivas
compressões e rarefações
(zonas de menor compressão)
deste.
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Comunicações Como se propaga a vibração originando o som no ar?
A oscilação dum diapasão, transfere energia às moléculas do ar à sua volta, o
que faz com que elas comecem também a vibrar.
Perto da fonte sonora, as moléculas do ar executam movimentos vibratórios.
Este movimento vibratório é comunicado, através de colisões e outras interações,
às partículas suas vizinhas, que passam, por sua vez, a vibrar, e assim
sucessivamente.
A figura representa zonas de
compressão e de rarefação
no mesmo instante.
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Comunicações Como se propaga a vibração originando o som no ar?
O movimento vibratório das moléculas faz com que se criem zonas
com maior densidade de moléculas e outras com menor:
• as zonas de compressão do ar (com mais ar no mesmo volume) têm
uma pressão maior do que a pressão normal do ar;
• as zonas de rarefação do ar (menos ar no mesmo volume) têm uma
pressão menor do que a pressão normal do ar.
A figura representa zonas de compressão e
zonas de rarefação no mesmo instante.
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Comunicações Como se propaga a vibração originando o som no ar?
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Comunicações Produção, propagação e receção do som
As vibrações da fonte sonora são
comunicadas ao ar envolvente. As partículas
do ar envolvente também vibram. A vibração
dessas partículas do ar é comunicada a
outras partículas que ficam mais afastadas.
Quando a vibração chega ao ar próximo dos
nossos ouvidos, …
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Comunicações Produção, propagação e receção do som
Quando a vibração chega ao ar próximo dos nossos ouvidos, comunica-se à
membrana do tímpano.
As vibrações desta membrana são ampliadas por uma cadeia de ossos,
chegando ao caracol, onde há células nervosas que são estimuladas por estas
vibrações.
Aqui as ondas sonoras de pressão são convertidas em impulsos nervosos,
transportados pelo nervo auditivo até ao cérebro, que os descodifica.
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Comunicações Produção, propagação e receção do som
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Comunicações Como se percebe o som?
Em síntese, percebemos o som através de variações de pressão do
ar que atingem o nosso ouvido.
Para que possamos perceber o som é necessário que as variações de
pressão que chegam aos nossos ouvidos, e estejam dentro de certos
limites de rapidez e intensidade.
Se essas variações ocorrem entre 20 e 20 000 vezes por segundo esse
som é potencialmente audível.
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Comunicações Os sons que ouvimos
Em geral, o ouvido humano só percebe
um número limitado de frequências, daí
falar-se em som audível.
O domínio das frequências varia de
pessoa para pessoa e também com a
idade; em regra considera-se o intervalo
20 Hz – 20 000 Hz.
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Comunicações Espectro sonoro
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A frequência de um som é determinada pela frequência de vibração da fonte que
lhe deu origem.
Comunicações Os sons que não ouvimos
Os sons de frequência superior a 20 000 Hz correspondem a vibrações
tão rápidas que os nossos ouvidos não conseguem distingui-las (não
as ouvimos) – são os ultrassons.
Em contrapartida, os sons com frequências inferiores a 20 Hz
correspondem a vibrações tão lentas que os nossos ouvidos também
não as captam – são os infrassons.
Há animais que captam sons inaudíveis para o ouvido humano, tal
como se pode verificar pela análise do espectro sonoro anterior.
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Comunicações Os sons que ouvimos
A audibilidade não é só determinada pela frequência.
Por exemplo, um determinado som dentro do domínio de frequências de
audibilidade humana pode não ser ouvido se a amplitude (intensidade)
ficar abaixo de determinado limite, o chamado fraco, ou seja, a onda não
é suficientemente energética para provocar perceção.
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Comunicações Aplicações dos ultrassons
Ecografias Sonar
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Comunicações A velocidade do som em determinados meios
Todos os sons, graves e agudos (de baixa ou alta frequência), se propagam no ar
à mesma velocidade diz-se que o ar é um meio não dispersivo.
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Comunicações A velocidade supersónica
Quando os objetos se deslocam a velocidades superiores à do som.
O Número de Mach ou velocidade Mach (Ma) é uma medida adimensional de
velocidade. É definida como a razão entre a velocidade do objeto e a velocidade
do som, onde:
é o número Mach
é a velocidade média relativa do objeto
é a velocidade média do som.
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Comunicações A velocidade supersónica
• A expressão "barreira do som" nasceu da ideia (errada) de que a velocidade do som era
o limite da velocidade de voo de um avião. Esta ideia mudou completamente quando o
primeiro avião atingiu uma velocidade "supersónica" (acima da barreira do som).
A primeira vez que se atravessou a barreira do som foi no dia 13 de Fevereiro de 1947.
Quem o fez foi um piloto de ensaios de nome Chuck Yeagen, no avião foguete Bell X-1.
• No momento em que um avião atravessa a barreira do som, forma-se uma enorme
nuvem à sua volta? Esta nuvem é provocada pela onda de som que, ao avançar,
comprime a humidade do ar. Chama-se "cone de Mach".
• Ao voar, a uma velocidade supersónica, um avião cria, no seu rasto, um fenómeno
chamado «estampido sónico»? Ou seja, um barulho parecido com o ribombar de um
trovão. Se o avião voar baixinho, o barulho pode até partir os vidros das janelas das
casas das pessoas! No entanto, ao contrário do que se possa pensar, quando um avião
ultrapassa a velocidade supersónica, o voo passa a ser suave, porque se passa a voar
mais rápido do que as ondas de pressão.
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Comunicações Reverberação e eco
A reverberação e o eco são dois efeitos sonoros causados pela reflexão do som.
A reverberação acontece quando a diferença entre o intervalo de tempo de
retorno de dois sons é menor do que 0,1 s.
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Comunicações Interferência construtiva e interferência destrutiva
Uma onda pode resultar da sobreposição de várias ondas, cada partícula do
meio oscila com uma elongação que é soma das elongações correspondentes a
cada uma das respetivas ondas. Chama-se interferência a esta sobreposição.
Ondas em fase Ondas em oposição
de fase
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Comunicações O som caracteriza-se por diferentes propriedades
Altura é a propriedade do som ser mais grave ou mais agudo.
Timbre é a propriedade através da qual identificamos a origem do som.
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Intensidade é a propriedade do som ser mais forte ou mais fraco.
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Comunicações De que modo podemos distinguir e classificar os diferentes sons?
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Comunicações Altura
A altura do som depende principalmente da frequência da onda sonora.
Permite distinguir um som agudo (alto) de um som grave (baixo).
A voz humana pode emitir desde sons muito agudos a sons muito graves.
Um som é tanto mais agudo quanto mais elevada for a frequência.
Dadas duas ondas com a
mesma amplitude, a que tiver
maior frequência corresponde
a um som mais alto.
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Comunicações Sons agudos e sons graves
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Comunicações Intensidade
A intensidade do som depende da amplitude da onda sonora.
Permite distinguir um som forte de um som fraco.
Quanto maior for a amplitude da onda sonora, maior será a intensidade
do som.
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Comunicações Intensidade
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Comunicações Intensidade
• A intensidade do som é definida como a energia que atravessa uma
área unitária perpendicular à direção de propagação, na unidade de
tempo.
• É uma potência sonora por unidade de área. Unidade SI: W/m2
• É proporcional ao quadrado da amplitude da onda e diminui com o
aumento do quadrado da distância entre o emissor e o recetor.
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Comunicações Intensidade
A intensidade do som nada tem a ver com o facto de ser agudo (alto)
ou grave (baixo). Um som agudo pode ser forte ou fraco, o mesmo
acontecendo com um som grave.
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Comunicações Intensidade
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Comunicações Intensidade
O nível sonoro mede-se em decibel (dB).
A intensidade do som é tão variável e a
sensibilidade do ouvido humano tão grande
que se usa geralmente uma escala especial
para exprimir o nível de intensidade
sonora ou nível sonoro.
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Comunicações Intensidade
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Comunicações Exemplo
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Comunicações Timbre
O timbre é a característica do som que
permite distinguir dois sons, com a
mesma altura e intensidade, produzidos
por fontes sonoras diferentes.
Por exemplo, se ouvirmos a mesma
melodia tocada na mesma tonalidade por
instrumentos diferentes (piano, violino,...)
distinguimos os dois instrumentos pelo
respetivo timbre.
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Comunicações Sons puros (ou simples) e sons complexos
Se observarmos num osciloscópio a forma de
uma onda emitida por um DIAPASÃO verificamos
ser uma onda sinusoidal – trata-se de um som
simples ou puro.
O som que resulta da soma ou sobreposição dos sons puros é complexo.
Já não é uma onda sinusoidal (ou harmónica) com frequência bem
definida.
Um SOM PURO tem uma frequência bem definida, cuja forma é a da
função seno (ou cosseno), ou seja, é uma onda harmónica.
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Comunicações Sons puros (ou simples) e sons complexos
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Comunicações Som fundamental e som harmónico
Nos sons complexos, uma das frequências a mais baixa, constitui o que
se chama som fundamental, as outras frequências maiores constituem
os sons harmónicos.
São os sons harmónicos que permitem distinguir o mesmo som
produzido por instrumentos musicais diferentes, assim como a voz de
diferentes pessoas.
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Comunicações Som fundamental e som harmónico
Som simples
ou puro
Som
complexo
Um som puro, cuja
frequência seja um múltiplo
inteiro de uma dada
frequência, designa-se por
HARMÓNICO.
som
fundamental
primeiro
harmónico
segundo
harmónico
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Comunicações Som fundamental e som harmónico
Relação entre as frequências dos sons
harmónicos (fn) com a frequência
fundamental (f0)
fn= n f0 n = 1, 2, 3…
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Comunicações Timbre
O timbre resulta da combinação do som
fundamental e dos seus harmónicos.
O número de harmónicos que intervêm e a
proporção com que cada um entra no som
resultante conferem características
particulares ao som de um instrumento
musical e também da voz humana.
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Comunicações Timbre
Combinações do mesmo som fundamental e de dois primeiros
harmónicos de diferentes amplitudes, resulta em timbres diferentes,
com a mesma intensidade e frequência.
O som resultante é diferente, mas continua a ser uma onda periódica com a
mesma frequência que o som fundamental.
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Comunicações Exemplo
R.:
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1. Fazer exercícios do livro, página 146.
TPC
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