Acustica - Ondas Sonoras 70395h

Acústica

Acústica • Acústica é o estudo das ondas sonoras; • Ondas sonoras são mecânicas, longitudinais tridimensionais; • Ondas sonoras não se propagam no vácuo;

Vibração

Orelha

V



e

Tímpano Nervo

Fonte oscilando com freqüência f

 Compressão

Rarefação

Cérebro

Acústica – A Freqüência do Som • Infra-som: sons com freqüências abaixo de 20Hz. Não perceptível ao ser humano; • Ultra-som: sons com freqüências acima de 20000Hz. Não perceptível ao ser humano; • Som audível: sons com freqüências perceptíveis ao ser humano (20Hz a 20000Hz) Infra-som

Som audível

Ultra-som

f (Hz) 0

20

20.000

Acústica – A Velocidade do Som • As ondas sonoras propagam-se em meios sólidos, líquidos e gasosos, com velocidades que dependem das diferentes características dos materiais. De um modo geral, as velocidades maiores ocorrem nos sólidos e as menores, nos gases. • A 20°C, o som propaga-se no ferro sólido a 5100m/s, na água líquida a 1450m/s e no ar a 343m/s.

VSól .  VLíq .  VGas.  Densidade  velocidade 

Acústica – A Altura do Som • qualidade que permite diferenciar um som de alta freqüência (agudo) de um som de baixa freqüência (grave). A altura do som depende apenas da freqüência.

Som alto - Freqüência maior - som agudo Som baixo - Freqüência menor - som grave • As notas musicais possuem alturas sonoras diferentes, isto é, cada nota possui uma freqüência característica.

Acústica – A Intensidade do Som • qualidade que permite diferenciar um som forte de um som fraco. A intensidade do som está relacionada com energia que a onda transfere e com a amplitude da onda.

Um som de maior volume

Uma onda sonora de maior amplitude.

Maior transporte de energia pela onda

Som de maior intensidade

Intensidade do Som • Intensidade física: I 

E A  t

E  P  Potência t

A = Área

P constante

E = Energia

AI

t = tempo

• Unidade no SI:

J m2 s

W m2

P I  A

Intensidade do Som • Mínima intensidade física ou limiar de audibilidade (Io): é o menor valor da intensidade física ainda audível, vale: I o  10 12

W m2

• Máxima intensidade física ou limiar de dor (Imáx): é o maior valor da intensidade física ável pelo ouvido, vale: I máx  1

W m2

Intensidade do Som • Intensidade auditiva ou nível sonoro (  ): I   10  log Io

• A unidade de nível sonoro, para a equação dada, é o decibel (dB). • Um ambiente com:

I o  10

12

2

W m  o  0dB 2

I Máx  1W m  Máx  120 dB

40dB é calmo; 60dB é barulhento mais de 80dB já constitui poluição sonora.

Acústica – O Timbre do Som • Qualidade que permite diferenciar duas ondas sonoras de mesma altura e mesma intensidade, emitidos por fontes distintas. • O timbre está relacionado à forma da onda emitida pelo instrumento. Diapasão Flauta

Violino Voz (letra a)

Clarineta

Reflexão do Som • Persistência acústica : menor intervalo de tempo para que dois sons não se separem no cérebro. A persistência acústica do ouvido humano é de 0,1s. • Um ouvinte consegue distinguir dois sons distintos desde que os receba em intervalos de tempo maiores (ou iguais) a 0,1s. • Esse fato possibilita ao observador perceber o fenômeno da reflexão do som em três níveis: eco, reverberação e reforço.

Reflexão do Som • t=intervalo de tempo para que o som que foi emitido pelo observador e refletido seja recebido pelo mesmo. t  0s

t

• Eco: ocorre quando t  0,1s. O observador ouve separadamente o som direto e o som refletido. • Reverberação: ocorre quando t < 0,1s. Há um prolongamento da sensação auditiva. • Reforço: ocorre quando t  0s. Há somente um aumento da intensidade sonora.

Freqüências Naturais e Ressonância • Batendo-se numa das hastes do diapasão, as duas vibram com determinada freqüência (normalmente, 440Hz). Essa é a freqüência natural (ou própria) do diapasão.

diapasão

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

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

Efeito Doppler • O efeito Doppler, para ondas sonoras, constitui o fenômeno pelo qual um observador percebe uma freqüência 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, a por um observador (parado ou não). Enquanto a ambulância se aproxima, a freqüência por ele percebida é maior que a real (mais aguda); mas, à medida que ela se afasta, a freqüência 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 freqüência percebida pelo observador será maior que a freqüência real da fonte. • Fonte afasta-se do observador O2, haverá um alongamento aparente do comprimento de onda 2, em relação ao  normal. A freqüência percebida pelo observador será menor que a freqüência real da fonte.

O2

O1

V

F

Observador em Repouso e fonte em movimento • 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 freqüência 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 freqüência por ele percebida será menor que a normal.

V

V F

O1

V=0

O2

Efeito Doppler - Conclusão • Movimento de aproximação entre fonte e observador:

f RECEBIDA  f EMITIDA • Movimento de afastamento entre fonte e observador:

f RECEBIDA  f EMITIDA

Exercícios • 2. (PUC-RS) Quanto a sua natureza e forma de propagação, as ondas podem ser classificadas em eletromagnéticas ou mecânicas, de longitudinais ou transversais. Uma das evidências que as ondas sonoras são longitudinais é que elas não sofrem: a) b) c) d) e)

reflexão. refração. interferência. polarização. difração. Alternativa D

Exercícios • 3. (Unirio) Dois operários, A e B, estão parados no pátio de uma fábrica. Em certo instante, a sirene toca. O operário B ouve o som da sirene 1,5 s após o operário A tê-lo ouvido. Considerando a velocidade do som constante e de módulo 340 m/s, a distância, em metros, entre os dois operários é:

A

B

Solução - 3 VSom A

tSom

B

d

t Som  1,5s  Dados VSom  340 m s d  ? 

VSom

d d   340  t Som 1,5 d  510 m Alternativa C

Exercícios •

4. (FEI-SP) Quando uma onda sonora atinge uma região em que a temperatura do ar é diferente altera-se:

a) b) c) d) e)

a freqüência. o comprimento de onda. o timbre. a intensidade do som. a altura do som.

f constante Temperatura varia

Densidade varia V e  variam

Alternativa B

Exercícios •

6. (Fatec-SP) Quando uma onda sonora periódica se propaga do ar para a água:

a) b) c) d) e)

o comprimento de onda aumenta. o comprimento de onda diminui. a freqüência diminui. f constante a velocidade diminui. Densidade aumenta nda.

V e  aumentam Alternativa A

Exercícios •

a) b) c) d) e)

7. Uma pessoa em P1 emite um som que alcança o ouvido de outra pessoa, situada em P2, no fundo do mar. Qual dos caminhos mostrados na figura deste problema poderia representar a trajetória seguida pela onda sonora de P1 até P2? P1AP2. f constante P1BP2. Densidade aumenta P12. V e  aumentam P1DP2. Ângulo aumenta P1EP2.

Afasta da normal Alternativa D

Exercícios •

a) b) c) d) e)

8. (Fafeod-MG) Uma pessoa, a 680m de distância de um obstáculo refletor, dá um grito e ouve o eco de sua voz. A velocidade do som no ar é de 340m/s. O tempo gasto entre a emissão do som e o momento em que a pessoa ouve o eco, em segundos, é igual a: um valor que não pode ser calculado com os dados fornecidos. 1 Distância percorrida pelo som d= 2680= 1360m 2 Velocidade do som = 340m/s 4 8 d 1360

Alternativa D

V 

t

 t 

340

 t  4s

Exercícios •

9. (UFU-MG) Um estudante de Física se encontra a uma certa distância de uma parede, de onde ouve o eco de suas palmas. Desejando calcular a que distância se encontra da parede, ele ajusta o ritmo de suas palmas até deixar de ouvir o eco, pois este chega ao mesmo tempo que ele bate as mãos. Se o ritmo das palmas é de 30 palmas por minuto e a velocidade do som é de aproximadamente 330m/s, a sua distância da parede é de:

Freqüência das palmas f=30 palmas/min

Velocidade do som = 330m/s Intervalo de tempo entres as palmas (T) = tempo de eco (t)

Exercícios – Solução 9 Freqüência das palmas f=30 palmas/min Velocidade do som = 330m/s Intervalo de tempo entres as palmas (T) = tempo de eco (t) f 

30 palmas 30 palmas 1   f  palmas s 1 min 60 s 2 1 1 T    T  2s f 12

T  t  t IDA  tVOLTA  t IDA  1s d d V   330  t IDA 1 d  330 m Alternativa C