Acústica- O que é?

A Acústica é uma área da Física que estuda o som, nomeadamente as ondas sonoras e os fenómenos ondulatórios derivados da propagação dessas ondas.

Mas o que é o som, afinal?!

O som resulta da propagação das ondas sonoras que, por sua vez, são provocadas por um corpo em vibração. Todos os corpos que emitem som precisam, necessariamente, de ser capazes de vibrar, e são chamados fontes sonoras.

  • Ondas Sonoras

As ondas sonoras são ondas longitudinais, isto é, a direcção de propagação é paralela à direcção da oscilação; e são também ondas mecânicas, ou seja, necessitam de um meio material para se propagarem, não se propagando no vácuo.


O espectro sonoro é o conjunto de todos os sons: infra-som, som audível e ultra-som. O som audível, é constituído pelas ondas sonoras cujas frequências estão compreendidas entre os 20Hz e os 20.000 Hz; o Infra-som possui frequências inferiores a 20 Hz, e os Ultra-sons possuem frequências superiores a 20.000 Hz.


Como se propaga o som?


O som propaga-se provocando uma série periódica e sucessiva de compressões e rarefacções num determinado meio.


  • Propriedades do som:

Altura


A altura de um som está relacionada com a frequência da onda sonora que lhe deu origem. Um som com baixa frequência é dito som grave e o som com frequências altas é dito som agudo.

Timbre


O timbre
é a característica sonora que permite distinguir sons com mesma frequência e a mesma intensidade, desde que as ondas sonoras correspondentes a esses sons sejam diferentes. Isto é, dois instrumentos musicais diferentes podem emitir sons com a mesma altura e intensidade, porém o timbre será diferente, pois esta característica está relacionada com a fonte sonora.

Intensidade


A intensidade de um som está relacionada com a quantidade de energia que a onda sonora que lhe deu origem transporta. Assim, um som originado por uma onda sonora com grande intensidade é um som forte; um som originado por uma onda sonora com pequena intensidade é um som fraco.


Fenómenos de Reflexão, Refracção e Difracção

Reflexão do Som


  • A reflexão de uma onda sonora acontece quando esta encontra um obstáculo e inverte o sentido de propagação. A reflexão do som pode originar dois outros fenómenos: o ecoreverberação.
  • Um eco é uma reflexão de som que chega ao ouvinte pouco tempo depois do som original. Este  fenómeno só acontece quando entre os dois sons houver um intervalo de tempo igual ou superior a 0,1 s.
  • Na reverberação não há um intervalo mínimo de 0,1s entre os dois sons, pelo que o ouvido humano não consegue distingui-los, havendo assim um reforço do som original.

Refracção do Som


Como já vimos, a refracção ocorre quando uma onda passa de um meio para outro distinto, isto é, com índice de refracção diferente. Neste caso, a velocidade do som altera-se bem como o seu comprimento de onda.

Difracção do Som


A difracção é a propriedade que as ondas têm de contornar obstáculos. Este fenómeno é dependente do comprimento da onda que se propaga. Através da razão entre o comprimento de onda e a largura do obstáculo podemos calcular o grau de difracção de uma onda específica.



Quanto maior for a razão maior será a extensão da curva de difracção. Esse é o fenómeno que explica o facto de podermos ouvir atrás da porta quando uma pessoa fala do outro lado dela.

Efeito Doppler-Fizeau

O efeito Doppler-Fizeau, no caso das ondas sonoras aplica-se da seguinte maneira:

  • À medida que o observador e a fonte se aproximam, o som vai ficando mais agudo.
  • À medida que o observador e fonte se afastam, o som fica mais grave.
(p. ex., durante a passagem de uma ambulância este efeito é bem notório)

  • Ressonância

A ressonância aplicada à acústica pode explicar-se através do seguinte exemplo:

O corpo de um instrumento musical, um banjo, por exemplo, é uma caixa de ressonância. As vibrações da corda entram em ressonância com a estrutura da caixa de madeira que "amplifica" o som e lhe acrescenta vários harmónicos, dando-lhe o timbre característico do instrumento.

  • Movimento Harmónico Simples (MHS)

Os instrumentos musicais, por exemplo, são emissores de sons harmónicos, constituídos por ondas harmónicas (ver ONDULATÓRIA), e estacionárias, que resultam da combinação de duas ondas que se propagam em sentidos opostos.

Consideremos apenas os instrumentos de sopro e os de cordas. Dentro dos instrumentos de sopro há os de tubo aberto, que têm duas extremidades desobstruídas, e os de tubo fechado, nos quais uma das extremidades está obstruída. As ondas sonoras reflectem-se tanto nos tubos com as extremidades abertas como nos tubos com as extremidades fechadas, formando-se assim as tais ondas estacionárias.

Tubos sonoros de extremidades abertas:

Nas extremidades abertas dos tubos sonoros localizam-se os pontos em que a amplitude de vibração das moléculas é máxima. Nesses pontos formam-se os antinodos dedeslocamento (fig.1). Nos antinodos, a variação de pressão é nula. Por sua vez, os nodos de deslocamento são zonas onde a amplitude de vibração das moléculas é nula, e portanto, a pressão é máxima. Dois nodos consecutivos (ou dois antinodos consecutivos) distam, entre si, metade de um comprimento de onda.

 



Figura 1 - Onda estacionária em tubo aberto

Um dado tubo sonoro produz som apenas para determinadas frequências fixas, designadas frequências ressonantes, e para uma frequência mínima, a frequência fundamental. Os sons emitidos pelos instrumentos musicais são combinações de sons harmónicos. Cujas frequências são múltiplas da frequência fundamental.

Em tubos de extremidades abertas, o comprimento do tubo sonoro é dado, em função do comprimento de onda da onda, pela expressão:

 

 

Da mesma maneira, a frequência fundamental, , é dada por:

,

em que:

                   - velocidade da onda;

                   L - comprimento do tubo.
 

Tem-se ainda que as frequências dos seguintes harmónicos são dadas por:


 
Tubo sonoros com uma extremidade fechada (ou tubos fechados):

Na extremidade aberta forma-se um antinodo, e na extremidade fechada forma-se um nodo de deslocamento.

Em tubos fechados, o comprimento do tubo em função do comprimento de onda é dado por:


 
            A frequência fundamental é dada por:

,
 
As frequências dos seguintes harmónicos dão dadas pela expressão:



em que:

L
-é o comprimento do tubo

n
-é o número de ventres dentro do instrumento.

Pela própria definição, percebemos que apenas há ocorrência de harmónicos ímpares.

Quando existir um furo nos tubos (como no caso da flauta de Bisel), formar-se-á um antinodo naquele local.
 
Instrumentos de cordas

Tomemos como exemplo os instrumentos acústicos de cordas.

Todos estes instrumentos, como o Banjo, possuem pelo menos uma corda esticada, estando as suas duas extremidades fixas.

É aplicada uma perturbação a esta corda fazendo-a entrar em vibração. No entanto, esta vibração está confinada entre as extremidades da corda. Através de interferências entre os pulsos reflectidos nas extremidades (fig.2) acaba por se formar uma onda estacionária com uma frequência bem definida.

http://www.if.ufrj.br/teaching/fis2/ondas2/musica305.gif


Figura 2 - Harmónicos num instrumento de cordas


A frequência fundamental é dada por:


 
As frequências dos seguintes harmónicos são dadas pela expressão: