Acústica – O que é? Intensidade, Altura, Timbre e Efeito Doppler

Por Natália Alves em 07/11/2019, às 11:11

Acústica é a área da física responsável pelo estudo do som. Ondas sonoras são ondas longitudinais que se propagam no ar e em outros meios. Elas têm origem mecânica e, portanto, não se propagam no vácuo.

A sensibilidade do ouvido humano varia de pessoa para pessoa, de acordo com a idade de cada um. Porém, costumamos adotar parâmetros médios, em que 20 Hz é a frequência mínima audível e 20 000 Hz a frequência máxima.

Abaixo de 20 Hz, as frequências são chamadas de infrassons, e acima de 20 000 Hz são chamadas de ultrassons.

Por ser uma onda mecânica, o som se propaga normalmente mais rápido nos sólidos do que nos líquidos, e nos líquidos mais rapidamente do que nos gases.

Como o som é uma onda, sua velocidade (v), sua frequência (f) e seu comprimento de onda (λ) se relacionam por: V = λ.f.

Uma onda sonora pode sofrer reflexão, refração ou interferência. Somente a polarização não pode ocorrer, porque o som se constitui de ondas longitudinais e não transversais.

Intensidade, altura e timbre

Há várias grandezas físicas que caracterizam um som. A intensidade é uma delas: as ondas sonoras podem ser mais intensas (“som forte”) ou menos intensas (“som fraco”).

A intensidade (l) é definida como a energia transportada perpendicularmente pela onda através de uma superfície por unidade de tempo e por unidade de área. A intensidade, no SI, é dada por watt por metro quadrado (W/m²).

Para expressar a intensidade de um som, utiliza-se uma grandeza mais apropriada, chamada de nível de intensidade ou nível sonoro (β), dada em decibel (dB), definida pela expressão:

O valor de referência, l₀ = 10^-12 W/m², é denominado limiar da audição (som mais fraco que se pode ouvir).

A altura é outra qualidade do som. É ela que permite diferenciar um som grave de um som agudo. O primeiro é um som de baixa frequência, e o segundo é um som de alta frequência.

Uma terceira qualidade do som é o timbre. O timbre nos permite distinguir entre sons de mesma frequência (mesma altura) e de mesma intensidade, emitidos por fontes diferentes. Por exemplo, percebemos se uma nota musical é produzida por um piano ou por uma flauta porque o timbre do som de um instrumento difere do timbre de outro instrumento, pois ambos produzem em nosso sistema auditivo sensações diferentes.

Reverberação e eco

Um aspecto comum a todas as nossas sensações é que elas não são instantâneas: começam, perduram por um pequeno intervalo de tempo e se vão.

Vamos admitir que, recebida uma vibração auditiva, por mais curta que seja, sua sensação perdure por um décimo de segundo. Esse intervalo de tempo (Δt = 1 s) é chamado remanescência.

Para entendermos o que é reverberação, suponha que uma pessoa (receptor) receba dois sons – o primeiro chega diretamente de uma fonte sonora, e o segundo após o som ter refletido em uma barreira qualquer. Quando uma pessoa recebe um segundo som enquanto não termina o tempo de remanescência do primeiro, acontece uma supercomposição de ambos. O resultado é uma sensação única, mais intensa e prolongada, chamada reverberação do som.

É o tempo de remanescência que nos dá a sensação de dimensões de um ambiente em que o som se propaga.

O tempo de reverberação poderá ser prolongado se tivermos vários sons refletidos. Duas superfícies frontais lisas e rígidas, como duas paredes, favorecem a ocorrência desse fenômeno.

Para que haja eco, o som refletido deve chegar ao receptor com um atraso maior do que o tempo de remanescência.

Analisando a situação de uma pessoa que esteja de frente para uma barreira. Ela pode ouvir o som da própria voz de duas maneiras: diretamente ou refletido da barreira.

O som refletido chega de volta até alguém após um intervalo de tempo dado por:

Ocorre o fenômeno do eco quando Δt > Δt_r,sendo Δt_r = 1,0 s.

Por exemplo, considerando a velocidade do som no ar 340 m/s, uma pessoa deve estar no mínimo a 17m de uma barreira para ouvir o eco da própria voz.

Efeito Doppler

O efeito Doppler ocorre quando existe movimento relativo entre a fonte emissora das ondas e o receptor, chamado de observador. Como toda velocidade é relativa a um determinado referencial, usaremos como referência o meio em que a onda se propaga.

Existem três situações:

Quando o observador se movimenta: imagine que estamos na praia, parados. As ondas do mar chegam aos nossos pés com uma frequência da fonte f_F. Quando corremos num sentido contrário as ondas, passamos por um número maior delas e a frequência percebida pelo observador f_O se torna maior que a frequência das ondas. Quando corremos no mesmo sentido das ondas, a frequência percebida pelo observador fica menor que a frequência das ondas;
Quando a fonte se movimenta: quando a sirene de um automóvel se aproxima mais do observador, o observador percebe o som mais agudo. Quando ela se afasta, o observador percebe um som mais grave;
Quando há movimento relativo entre fonte e observador: quando há aproximação, fo > f_F, o som fica mais agudo do que o da fonte. Quando fo <f_F, o som fica mais grave do que o da fonte.