FFI0210 Acústica Física

História da Acústica

Prof. Dr. José Pedro Donoso

Universidade de São Paulo

Instituto de Física de São Carlos - IFSC

Agradescimentos

O docente da disciplina, Jose Pedro Donoso, gostaria de

expressar o seu agradecimento as editoras LTC (livros Tecnicos e

Científicos) e Cengage Learning pelo acesso às figuras dos livros

textos: ” Fisica ” de Tipler & Mosca e “ Fundamentos de Física ” de

Halliday, Resnick e Walker (LTC) e “ Principios de Física ” de

Serway & Jewett (Cengage Learning).

A.D. Pierce, Acoustics(AIP & Acoustic Soc America, 1981)

O.J. Abdounur, Matemática e Música(Escrituras editora, SP, 1999)

Marin Mersenne (1588-1648) Motivado pelo seu interesse em música, dedicoumuito tempo a pesquisa em acústica e as medidasda velocidade de propagação do som no ar. Em1627 publicou L'harmonie universelle cuja abordagem teórico-prática contém relatos de experimentos engenhosos, estudos sobre o som e reflexões concernentes à relação entre matemática e música, pelo qual é considerado o pai da acústica. Ele foi o primeiro a determinar a freqüência de uma nota musical e descobriu que a relação da freqüência entre uma nota e sua oitava era respectivamente de 1 para 2. Ele explicou as características de colunas vibrantes de ar, bem como os fenômenos do eco e da ressonância. Estabaleceu a relação da frequência de uma cordatensionada:

µT

Lf

2

1=

No século XVII se estabelecem as fundações da filosofia moderna e das ciências.

Aparecem as academias e sociedades científicas

1657 : Accademia del Cimento (Florencia)

1662 : Royal Society of London (Londres)

1666 : Académie des Sciences (Paris)

Medidas da velocidade de propagação do som no ar

1636, Mersenne, utilizando instrumentos musicais e canhões: 316 m/s

1658, Gassendi, estabeler que vs independe do timbre e da intensidade do som

1666, Borelli a Viviane (discípulo de Galileo): 361 m/s

1687, Newton determina teoricamente 295 m/s a partir da Lei de Boyle

1708, o reverendo William Derham, com disparos da torre de sua igreja em Upminster,

numa distância de 20 km, encontra o valor médio de 348 m/s

1738, Cassini, Römer, Picard e Huygens, disparos de canhão em 28 km: 347 m/s

1822 Prony, Arago, Bouyard, Mathieu, Gay-Lussac e Humboldt: 340.9 m/s

1905, Hebb (USA) utilizando a tecnica de Michelson: 331.41 m/s para o ar seco.

M.E. Delany, Acustica 38 (1977) 201

Medidas da velocidade do som na água

Jean-Daniel Colladon (1802-1893) e Charles Sturn (1803-1855)

R.T. Beyer. Sounds of Our Times (Springer & AIP, 1999)A. Fischetti. Initiation à l´ Acoustique (Editions Belin, Paris, 2003)

Lago de Genebra (1826, 1827).

Velocidade do som na água

A fonte do som era um sino

que era golpeado debaixo da

água ao mesmo tempo que

explodiam uma pequena

quantidade de pólvora. O valor

encontrado: 1438 m/s

(valor aceito atualmente, 1482

m/s, a 20 oC)

R.T. Beyer. Sounds of Our Times (Springer & AIP, 1999)

Hermann von Helmholtz (1821 – 1894)

Cientista particularmente versátil, fez importantes contribuições no campos da medicina

(transmissão de impulsos nervosos, fisiologia da visão, o mecanismo de audição,

invenção do oftalmoscópio), da física (princípio de conservação da energia, mecânica

dos fluidos e teoria eletrodinâmica) e da acústica (vibração de colunas de ar,

freqüências de ressonância de cavidades)

R.T. Beyer. Sounds of Our Times(Springer & AIP, 1999)

John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919)

Com uma experiência simples realizada no gramado da Universidade de Cambridge, demonstrou que a localização biaural (audição dos dois ouvidos) era muito precisa e formulou uma hipótese sobre o funcionamento do sistema de localização. Rayleigh sugiriu que a diferença de fase e de intensidade fornecem a informação para a localização biaural. Em 1871 publica The theory of sounds, onde organiza a teoria de vibrações, generaliza a lei de reprocidade formulada por Helmholtz, introduz o conceito de impedância acústica, e estuda o problema da propagação das ondas de som e o limite de audição.

J. Tyndall (1820–1893) pesquisas sobre canto e ondas visualizadas

com chamas

K.R. Koening (1839–1901) desenvolveu um aparelho tonométrico

contendo 600 diapasões

Sir Charles Wheatstone (1802 – 1875) experimentos sobre audição

R.W.B. Stephens, A.E. Bates, Acoustics and Vibrational Physics (E. Arnold, London, 1966)

Tyndall

Wheatstone (em.wikipedia.org)

Aparelho de Koeningpara visualizar vocais(Beyer, Sound of ourTimes)

W. Thomson, Lord Kelvin (1824-1907) desenvolve o primeiro

sintetizador harmônico

J. Fourier (1768-1830) desenvolveu a técnica para análise das

funções periódicas e mostrou que ela pode ser decomposta numa

série de funções harmônicas simples.

G.S. Ohm (1789-1854) estabelece que os soms musicais são

funções periódicas e que o ouvido é capaz de analisar qualquer

som em suas componentes separadas

J. Henry (1799-1878) pesquisas sobre a propagação do som na

neblina e sobre acustica de edificações

M. Faraday (1791-1867) e E.F. Chladni (1756 – 1827) utilizam pó

(areia) para visualizar os modos de vibração de tampos

R.W.B. Stephens, A.E. BatesAcoustics and Vibrational Physics

(E. Arnold, London, 1966)

Lord Kelvin

Fourier

Ernst Heinrich Weber (1795-1878) foi um dos pioneiros a estudar a resposta humana a estímulos físicos. Experimentando com pesos, ele decubriu que a resposta do indivíduoera proporcional ao aumento relativo da carga. Matematicamente, a relação entre o estínulo (E) e a sensação humana (S) é logaritmica . As descobertas de Weber forammais tarde popularizadas por Gustav T. Feschner (1801-1887), daí o nome Lei de Feschner – Weber:

Em 1920, a unidade de transmissão em telefonia, desenvolvida pelos engenheiros daBell Telephone passou a ser medida em “bel” (símbolo, dB), em homenagem a Alexander Graham Bell (1847-1922). Harvey Fletchner (1884-1981) verificou que 1 dB era a mínima variação da potência sonora (W) detectável pelo sistema auditivo. A Lei de Fechner – Weber pode ser reescrita na forma:

0

logE

ES ∝

( )0

log10W

WdBS =

S.R. Bistafa, Acústica Aplicada ao Controle do Ruído (Editora Blücher, 2006 e 2011)

Grandes salas de concerto

Scala de Milão (1778) considerada um marco na acústica de salas

Teatro Principal de Valencia (Espanha, 1832)

Liceu de Barcelona (1847) e Teatro Real de Madrid (1850)

Grosser Musikverein (Viena, 1869)

Royal Albert Hall (Londres, 1871)

Teatro de Bayreuth (Alemanha, 1876)

Revistas científicas dedicadas a acústica

Journal of the Acoustical Society (EUA, 1929)

Revue d` Acoustique (Paris, 1932)

Akustiche Zeitschrift (Alemanha, 1936)

Acustica (international journal)

Journal of Acoustics of the Academy of Science of the USSR (english traslation)

Journal of Sound and Vibration (Británico)

M.E. Delany, Acustica 38 (1977) 201; A. Fischetti. Initiation à l´ Acoustique (Paris, 2003)

F.A. White, Our Acoustic Environment (Wiley,1975)

Duas salas de concerto inaguradas no século XX mostraram aos especialistas que, emacústica, as coisas podem falhar

Royal Festival Hall (Londres, 1951): O tempo de reverberação da sala era muito curto. O problema foi corrigido por P.H. Parkin e K. Morgan em 1970.

R.T. Beyer. Sounds of Our Times (Springer & AIP, 1999)

Philharmonic Hall (New York, 1962) com projeto acústico de Leo Beranek. A controvérsia sobre a qualidade do somdurou 30 anos e foi resolvida com umareforma conduzida pelo Prof Cyril M. Harris. A sala foi reaberta em 1976 com o nome de Avery Fisher Hall .

Wallace Clement Sabine (1868-1919)

Paul Earls Sabine (1879-1958), primo

Hale Johnson Sabine (1909-1981), filho

Professor de Harvard, considerado o pai da acústica

aplicada a arquitetura. Estudou o problema acústico

do auditório Fogg Lecture Hall inagurada em 1894 e,

depois de muitas experiências estabelece uma

equação empírica que permite calcular o tempo de

reverberação do som em função das dimensões do

local e do coeficiente de absorção acústica dos

materiais. A figura mostra os tempos medidos em

função da localização no auditório. Seu filho Hale,

dedicou-se ao estudo do controle de ruido em

industrias e instituições.

Raichel, The Sience & Applications of Acoustics (Springer, 2006)Perez Miñana. Compendio práctico de acústica (Ed. Labor, 1969)

Beyer. Sounds of Our Times (Springer & AIP, 1999)

W.C. Sabine

Sala da orquestra Filarmónica de Berlín (1963). Projeto de Hans Scharoum e Palau de Música de Barcelona (1908) de Luis D. Montaner.

Revista Tectonica, vol. 14 (ATC Ediciones, 1995)

Referências Bibliograficas

D.R. Raichel, The Science and applications of acoustics (2nd ed. Springer, 2006)Ian Johnston, Measured Tones (Ed. Taylor & Francis, 2002)J. Perez Miñana. Compendio práctico de acústica (Ed. Labor, Barcelona, 1969) L.J. Arizmendi, Tratado Fundamental de Acústica en la Edificación (Univ Navarra, 1980)O.J. Abdounur, Matemática e Música (Escrituras editora, SP, 1999)R.T. Beyer. Sounds of Our Times (Springer & AIP, 1999)R.W.B. Stephens, A.E. Bates, Acoustics and Vibrational Physics (E. Arnold, London, 1966) W.F. Magie, A Source Book in Physics (Mc Graw Hill, 1935)M. Barron, Auditorium acoustics and architectural design (E&FN Spon, 1993)

ArtigosM.E. Delany, Sound propagation in the atmosphere. Acustica 38 201 (1977).S. Shen, Acoustics of Ancient Chinese Bells. Scientific American 256 (4) 94 (1987)S.L. Vassilantonopoulos, J.N. Mourjopoulos, A Study of Ancient Greek and Roman Theater Acoustics, Acta Acustica & Acustica 89, 123 (2003)R.S. Shankland, Acoustics of Greek Theatres. Physics Today, October 1973G. Assayag, JP. Cholleton, Musique, nombres et ordinateurs. La Recherche 26, 804 (1995)