Ondas Sonoras

Jusciane da Costa e Silva

Mossoró, Maio de 2010

Universidade Federal Ruraldo Semiárido - UFERSA

Descrever as ondas em termos de flutuações de pressão.

Calcular a velocidade de ondas sonoras em diferentes meios.

Calcular a intensidade de uma onda sonora.

Como ocorre a ressonância em instrumentos musicais.

O que acontece quando ondas sonoras de fontes diferentes se sobrepõem.

Por que a altura de uma sirene muda enquanto ela passa por você.

SUMÁRIO

O som é uma onda mecânica, longitudinal e tridimensional que se propaga em um meio (sólido, líquido e gasoso). Uma onda sonora está relacionada com a densidade das partículas do meio através do qual o som se propaga.

SOM

A Frequência do SomUltra-sons: Sons com frequências muito elevadas, superiores a 20000 Hz, que o ouvido humano não consegue ouvir.

Sons audíveis: Para os seres humanos - sons de frequência compreendida entre os 20 Hz e os 20 000 Hz. 

Infra-sons - sons de frequência de 0 a 20 Hz (não audíveis). Estes sons provocam náuseas e perturbações intestinais.

Ondas Sonoras como Flutuações de Pressão

Ouvido O som é uma vibração de moléculas que se propaga.

O ouvido é um mecanismo de recepção de ondas sonoras e de conversão de ondas sonoras em impulsos nervosos.

O ouvido é formado de três partes: ouvido externo, ouvido médio e ouvido interno.

O ouvido externo capta as vibrações de ar; o ouvido médio as amplia, conduzindo-as ao ouvido interno; o ouvido interno transforma as vibrações em mensagens nervosas. Pessoas surdas todos os nervos de seus ouvidos estão

completamente paralisados.

S

x x + x

x

y1 = y(x,t) y2 = y(x + x,t)

Amplitude de pressão:

A

-A

Pmáx

-Pmáx

y<0y>0

y>0: as partículas são deslocadas para a direita.

y<0: as partículas são deslocadas para a esquerda.

ExpansãoCompressão

Características do SomOs sons caracterizam-se através de 3 parâmetros:

•INTENSIDADE: Se considerarmos sons da mesma frequência, então vemos que a intensidade de um som está relacionada com a amplitude de vibração da onda sonora. Quanto maior a amplitude, mais intenso é o som.

•ALTURA: É simplesmente a frequência da onda.

O agudo e o grave estãorelacionado com a freqüência.

Diapasão

Flauta

Violino

Voz (letra a)

Clarineta

•TIMBRE: Caracteriza sons mais complexos, constituídos por vários harmônicos. É a característica que nos permite identificar os diferentes instrumentos produtores de sons.

Quando algum objeto vibra de forma completamente desordenada, dizemos que o som produzido por esta vibração é um RUÍDO, como por exemplo o barulho de uma explosão, um trovão e um vulcão em erupção.

A diferença entre os sons musicais e o trovão é que nos instrumentos musicais utilizamos apenas algumas dentre as inúmeras freqüências possíveis, que foram estabelecidas por convenção, constituíndo-se nas NOTAS MUSICAIS.

Música e Ruído

Velocidade do SomAs ondas sonoras propagam-se em meios sólidos, líquidos e gasosos, com velocidades que dependem das diferentes características dos materiais.

Consideremos um fluido com densidade em um tubo com uma seção reta com área A. No estado de equilíbrio, o fluido está submetido a uma pressão uniforme P.

•Velocidade do Som em um fluido:

•Velocidade do Som em um gás ideal:

•Velocidade do Som em um sólido:

B – Módulo de compressão - Densidade do fluido

Y – Módulo de Young

– Razão das capacidades caloríficasR – Constante do gásT – TemperaturaM – Massa molar

A 20°C, o som propaga-se no ferro sólido a 5100 m/s, na água líquida a 1450 m/s e no ar a 343 m/s

... GasLíqSól vvv

Os golfinhos emitem ondas sonoras com frequencias elevadas (100 000 Hz) e usam o eco para guiar e para caçar. O correspondente na água é 1,48 cm. Com esse sistema de sonar, eles consegue detectar a presença de objetos tao pequenos quanto seu

A ultrasom é uma técnica médica que usa exatamente o mesmo principio; ondas sonoras com frequencias elevadas e pequenos percorrem o corpo humano e os ecos são usados para criar uma imagem.

Intensidade do Som

A intensidade do som é definida como a energia que a onda sonora transporta por unidade de tempo por unidade de área.

•Intensidade e amplitude de deslocamento:

•Intensidade e amplitude da pressão:

O auto falante que possui frequenciabaixa deve vibrar com amplitude maior do que o dispositivo com mesma frequencia para produzir a mesma intensidade.

O intervalo de intensidade a que o ser humano é sensível é muito elevada, por este motivo, se adota uma escala logarítmica para as intensidades do som.

Onde representa o nível de intensidade sonora.

I0 é uma intensidade de referência, perto do limiar de audição humana 1000 Hz.

A escala Decibel

A escala Decibel

Ondas Estacionárias e Instrumentos de Sopro

Semelhante a reflexão de ondas transversais:Uma onda sonora também sofre reflexão, causa esta que origina as ondas estacionárias.

Ondas Estacionárias e Instrumentos de Sopro

Um nó de pressão corresponde sempre a um ventre de deslocamento, e um ventre de pressão corresponde sempre a um nó de deslocamento.

Tubo de Kundt

Quando temos um TUBO FECHADO, o deslocamento das partículas nessa extremidade fixa da corda é sempre igual a zero. Logo a extremidade fechada de um tubo é um NÓ DE DESLOCAMENTO e um VENTRE DE PRESSÃO.

Quando a extremidade é ABERTA temos um NÓ de PRESSÃO já que a pressão é constante (Patm), portanto temos um VENTRE DE DESLOCAMENTO.

Ondas Estacionárias e Instrumentos de Sopro

A aplicação mais importante das ondas longitudinais estacionárias é a produção de tons musicais por instrumentos com tubo de ar.

A boca sempre funciona como uma extremidade aberta, logo, ela é um nó de pressão e um ventre de deslocamento

L 1 /2

12

21

1

1

L

L

L

2 /2

2 /2

22

22

2

2

L

L

L

3 /2

3 /2

3 /2

32

23

3

3

L

L

Tubo AbertoNós de pressão e ventres de deslocamentos

Tubo Fechado

L 1 /4

14

41

1

1

L

L

L

3 /4

3 /4

34

43

3

3

L

L

3 /4 L

5 /4

5 /4

5 /4

54

45

5

5

L

L

5 /4

5 /4

Extremidade fechada é nó de deslocamento e ventre de pressão

Batendo-se numa das hastes do diapasão, as duas vibram com determinada frequência (normalmente, 440Hz). Essa é a frequência natural (ou própria) do diapasão.

diapasão

Todos os corpos possuem uma frequência própria (prédio, ponte, copo, etc.).

Frequências Naturais e Ressonância

Exemplo de Ressonância

A ponte de Tacoma Narrows entrou em ressonância, provocada pela vibração dos cabos metálicos existentes em sua estrutura. Suas amplitudes de oscilação aumentaram a ponto de provocar sua ruína.

Batimentos

Efeito Doppler

O efeito Doppler, para ondas sonoras, constitui o fenômeno pelo qual um observador percebe uma frequência diferente daquela emitida por uma fonte, devido ao movimento relativo entre eles (observador e fonte).

É o que acontece quando uma ambulância, com sua sirene ligada, passa por um observador (parado ou não). Enquanto a ambulância se aproxima, a frequência por ele percebida é maior que a real (mais aguda); mas, à medida que ela se afasta, a frequência percebida é menor (mais grave).

Observador em Repouso e fonte em movimento

Fonte aproxima-se do observador O1: haverá um encurtamento

aparente do comprimento de onda 1, em relação ao normal. A

frequência percebida pelo observador será maior que a frequência real da fonte.

Fonte afasta-se do observador O2, haverá um alongamento aparente

do comprimento de onda 2, em relação ao normal. A frequência

percebida pelo observador será menor que a frequência real da fonte.

O1 O2

V

F

Observador em movimento e fonte em Repouso

Para o observador O1, que se aproxima de F, haverá um maior número de encontros com as frentes de onda, do que se estivesse parado. A frequência por ele percebida será maior que a normal.

Para o observador O2, que se afasta de F, haverá um menor número de encontros com as frentes de onda, do que se estivesse parado. A frequência por ele percebida será menor que a normal.

O1 O2

V V

F

V=0

Efeito Doppler - ConclusãoMovimento de aproximação entre fonte e observador:

Movimento de afastamento entre fonte e observador:

EMITIDARECEBIDA ff

EMITIDARECEBIDA ff

Efeito Doppler Geral (vD – Velocidade do detetor, vS – velocidade da fonte e v – velocidade do Som):