Ondas Sonoras

Onda

Onda é uma propagação de energia em um meio qualquer sem levarmos em consideração o transporte de matéria. Uma perturbação oscilante desse meio periodica ou não.  Existem ondas mecânicas e ondas não mecânicas. As ondas mecânicas são perturbações que apenas podem ocorrer em meios materiais ou físicos, como sólidos, líquidos e gases como, por exemplo, o som, ondas do mar etc. As não mecânicas podem fluir em qualquer meio, material ou não (vácuo), por exemplo, as ondas hertzianas (eletromagnéticas) e ondas gravitacionais.

As ondas ainda podem ser classificadas quanto à direção de vibração: longitudinal ou transversal. Observe as figuras abaixo que mostram duas perspectivas de ondas transversais.

Note que a primeira figura representa uma vista lateral enquanto a segunda uma vista espacial. A direção e o sentido* de propagação são facilmente visualizados em ambas (da esquerda p/ direita na 1ª e do centro p/ as bordas na 2ª). Este é o sentido que representa a propagação da energia, ou seja, a energia ou perturbação se propaga nesse sentido. 

_{*Direção pode ser representada por uma reta na qual pode haver dois sentidos. Exemplo  direção horizontal sentido esquerda-direita ou direita-esquerda.}

Na primeira figura notamos mais facilmente não só o sentido de propagação, mas também se acompanharmos o movimento do ponto azul ao centro percebemos melhor o movimento de vibração do meio. Note que esse ponto vibra (para cima e para baixo), porém não se propaga. Este é o sentido de vibração.

Note que nas figuras anteriores que representam visões diferentes de um mesmo tipo de onda, a direção de vibração e de propagação são perpendiculares (90°). Esse tipo de onda é classificada como onda transversal.

Agora observe a figura a seguir que demonstra a propagação de uma onda longitudinal em uma mola.

Quando a mola é empurrada nessa direção sofre uma compressão, quando puxada sofre uma expansão. Esta compressão ou expansão “caminham” ao longo da mola e representa a visualização da perturbação ou energia se propagando. A vibração é causada pelo movimento da mão. Este movimento é similar ao da bolinha azul visto na figura que representa a onda transversal, porém neste casso o movimento de vibração é paralelo ao movimento de propagação, por isso esse tipo de onda é classificada como longitudinal. Observando a figura com mais atenção podemos visualizar que mesmo o segundo movimento da mão sendo mais rápido isso não significou uma onda mais veloz, ou seja, num meio em um dado momento, a velocidade de uma onda é invariável! 

Gráfico de forma de onda

O que temos visto comumente por parte de leigos e alunos é a confusão entre forma de onda real e o gráfico da forma de onda. Um gráfico apenas mostra uma, duas ou mais grandezas ou valores relacionados de forma visual e não textual. Um gráfico de forma de onda relaciona vários valores associados à onda sonora, porém nunca sua forma ou aparência real! Examinemos a figura a seguir: 

Esta é uma representação gráfica dos valores ou grandezas relacionadas a uma onda sonora de forma senoidal no decorrer do tempo. ‘A’ na figura representa a amplitude da onda. Imaginando se tratar de uma onda elétrica ‘A’ poderia representar o valor da voltagem, como se trata de uma onda sonora a amplitude representa o nível de pressão sonora (veremos em outra ocasião detalhadamente quando tratarmos do decibel) q está relacionado ao que chamamos de volume. O ‘λ’ (lê-se lambda) representa o comprimento da onda que é igual ao tamanho físico do ciclo ou da distância entre os ciclos. Lambda na figura apenas indica a noção do que é o comprimento de onda, mas não pode ser medida diretamente num gráfico como este, pois o eixo ao qual se refere nada tem haver com espaçamento e sim com tempo! Na figura podemos observar que os ciclos são regulares e se repetem a cada 0,05 segundos (T ou período). Logo, em um segundo caberão 20 ciclos (0,05 x 20=1), ou seja, 1hz^**. A freqüência é igual ao inverso do período: 

 F= 1/0.05      F= 20hz.

O comprimento de onda pode ser obtido através da divisão entre a velocidade do som no meio pela freqüência.

 

No caso, λ= 340/20

λ=17 metros.

 

Note que quanto maior a freqüência menor será o comprimento de onda para um mesmo meio, ou seja, são grandezas inversamente proporcionais. Isso é fácil entender, pois se a velocidade é a mesma quanto mais ciclos são produzidos mais próximos estarão dos próximos, pois estes terão menos tempo para se distanciar da fonte.

Notamos que é muitíssimo fácil confundir um gráfico de forma de onda com uma onda transversal fisicamente falando, pois a princípio podem parecer idênticas. Mas note que num gráfico a referencia horizontal (eixo X) é o tempo e numa visão tridimensional de uma onda transversal não é possível ter noção direta sobre tempo, apenas distâncias entre os ciclos. O tempo só pode ser calculado conhecendo-se a velocidade no meio o que não pode simplesmente ser inferido em uma figura estática. Em se tratando de uma vista e não de um gráfico, o comprimento de onda poderia ser medido em escala diretamente.

_{**Hz=ciclos por segundo. Medida de freqüência assim como RPM (rotações por minuto)}

Som

Agora que já vimos algumas características das ondas fica fácil entender que o som é uma onda mecânica longitudinal. Obviamente isso não é tudo a se falar sobre ondas sonoras. Existem muitas outras particularidades e características, algumas delas abordadas aqui.

O volume sonoro a que nos referimos de forma corrente na física chama-se intensidade sonora e corresponde à amplitude da onda. Em outro artigo (decibel) estudaremos mais precisamente o tema ‘intensidade’. Por hora basta-nos saber que a intensidade ou volume é proporcional ao deslocamento de ar. Imagine o deslocamento do cone de um auto falante. Quanto mais o cone se projeta para frente e para trás maior será a intensidade, quanto mais vezes o cone perfaz este percurso por unidade de tempo (segundo) maior a freqüência produzida. Observe que os auto falantes produzem sons de freqüências diferentes, mas com a mesma intensidade. 

O som sendo uma onda tipo mecânica poderá se propagar em qualquer meio material e jamais no vácuo (como nos fazem crer os filmes de guerra espacial). A velocidade de propagação vai depender do meio e de suas características em um determinado momento como temperatura, densidade, umidade, pressão etc.

Velocidade do som no:

• Borracha: 54 m/s

• Ar (ao nível do mar e Temp. 15°C Umidade Relativa: 80%): 340,5m/s ou 1.226,0Km/h

• Água Salgada: 1.400 m/s
• Ferro: 5.100 m/s
• Granito: 6.000 m/s

 

Imagine uma situação como a esquematizada na figura de um trem viajando e a certa distancia um homem com o ouvido sobre o trilho. O trem gera som diretamente sobre os trilhos pelo atrito das rodas sobre este e demais vibrações.

Digamos que a distancia entre os dois seja de 5100 metros. Assim o som emitido no momento 0 (zero) que viaja pelos trilhos chegaria ao ouvido correspondente em exatos: 

Velocidade = Distancia/Tempo,

Logo: Tempo= Distância/Velocidade ou Tempo=5100/5100

Tempo=1segundo, ou seja, no ferro som leva um segundo para viajar cinco kilometros.

O som também será emitido através do ar no mesmo momento zero, mas chegará ao homem depois de 15 segundos.

Pois, Tempo=5100/340 

 

Alguns podem nesse momento se perguntar: Se a velocidade do som é maior em um meio que em outro, mais ciclos vão chegar ao ouvido por segundo e a freqüência percebida será maior??? 

A resposta é: negativo! A velocidade do som quando aumenta o comprimento de onda aumenta na mesma proporção, então a mesma quantidade de ciclos chegará ao ouvido, ou seja, freqüência (altura) e duração permanecem sempre iguais. Se fosse de outra forma a altura e duração percebidas por nós seria diferente a cada vez que as características do ar como temperatura ou umidade mudassem. Assim se, por exemplo, tivéssemos uma fonte que emitisse uma única freqüência fixa de 100HZ em um meio no qual a velocidade fosse de 340m/s o comprimento de onda seria: λ=340/100 ou 3,4metros. Mudando para um meio cuja velocidade do som fosse 100m/s o comprimento de onda: λ=100/100, ou 1metro.  Ou seja, a velocidade e o comprimento de onda são grandezas diretamente proporcionais; quanto maior a velocidade maior o comprimento de onda de forma que a freqüência é a mesma!

Observamos isto claramente na animação. Note que a velocidade do meio superior é a metade da velocidade do meio inferior, mas o comprimento de onda é a metade. Nesse caso podemos notar que os ciclos passam pelo marcador exatamente ao mesmo tempo, ou seja, a freqüência é idêntica.

Se calcularmos o comprimento de onda da dita menor freqüência ouvida pelo ser humano (20 HZ) chegaremos ao resultado de 17 metros, ou seja, um ciclo é emitido viaja a velocidade 340 no ar e quando o próximo ciclo for emitido o anterior estará a 17 metros de distância caso não existam anteparos. 

Na dita maior freqüência ouvida que seriam 20KHZ (20.000Hz) como os ciclos são emitidos em intervalos bem menores serão mais próximos. 
λ em 20khz = 0, 017m ou 1,7cm.

Note que para percebermos uma freqüência precisamos ouvir pelo menos dois ciclos. Então isso quer dizer que percebemos freqüências mais agudas antes das mais graves! É claro que isso é um exagero, pois as diferenças de tempos estariam na ordem de mseg (milissegundos), mas de fato elas existem. 

Note que na animação as duas ondas percorrem o mesmo meio, portanto têm velocidades exatamente iguais, porém suas freqüências têm uma relação de oitava, ou seja, uma é o dobro da outra. Note que a cada dois ciclos na direita há apenas um na esquerda.

Efeito Doppler

Mas será que a freqüência ouvida é sempre igual â emitida?

Já vimos que no caso de mudança de meio a freqüência permanece constante, porém existe um caso onde a altura (freqüência) do som ou de qualquer onda muda. Se existir movimento entre a fonte e o receptor a freqüência percebida será maior ou menor conforme o sentido do movimento. Quando se aproximam a freqüência é maior quando se afastam menor. Na ilustração podemos observar esse fenômeno. Note que a velocidade de cada pulso é a mesma embora a fonte se locomova! 

A percepção de altura muda apenas porque cada ciclo é emitido mais perto e/ou mais longe do anterior, pois após emitir um pulso a fonte se desloca. Funcionaria da mesma forma se ao invés de a fonte se mover, fosse o ouvinte que se movesse.

 

Os dois primeiros e os dois últimos pulsos foram dados com a fonte praticamente sem movimento, portanto estes se mantêm concêntricos. Todos nós já vivenciamos o efeito Doppler quando, por exemplo, um veículo passa por nós buzinando, ou com sirene. O som é agudo enquanto o veículo se aproxima e vai ficando mais grave enquanto se afasta ao mesmo tempo em que temos um crescendo e diminuindo na intensidade.

  

Mais uma vez insistimos para que o leitor se lembre que a velocidade do som é a mesma para um meio, mesmo que a fonte se locomova! O mesmo não aconteceria com um projétil de um revolver, por exemplo. Imagine que a velocidade com a qual uma bala de um revolver é lançada pela explosão do cartucho é de 300 m/s. Se ao dirigir por uma estrada em linha reta, digamos que o automóvel estivesse a 120 Km/h o que seria o mesmo de uns 33 m/s e o tiro fosse dado exatamente no sentido do movimento na verdade a velocidade do projétil se somaria à velocidade do veículo sendo então de 300 + 33 = 333m/s. 

Se o projétil fosse disparado exatamente contrário ao movimento do veículo a velocidade do projétil seria diminuída de 33 m/s sendo de uns 267 m/s. Nos dois casos desprezando a ação de quaisquer forças dissipativas como resistência do ar etc. 

Para quaisquer outras direções valeria a lei dos vetores e as velocidades do projétil estariam compreendidas entre 267 e 333 m/s.

Portanto para o som não se aplica a mesma lógica, ou seja, sua velocidade é a mesma em um dado meio. Apenas percebe-se mudança de altura ou efeito Doppler porque mais ou menos ciclos chegam ao nosso ouvido em determinado tempo.

 Continua...