Os ultrassons (ART587)

Este artigo foi publicado em 2008, mas versões anteriores já haviam sido publicadas muitas outras vezes, algumas antes de 1980. É claro que à medida que o tempo passou o artigo teve melhorias e atualizações, como esta que é uma das últimas. Os ultrassons são importantes tanto em aplicações eletrônicas como para a física, assim o artigo serve também como base para uma apostila dos cursos fundamental e médio que tratam do assunto, como para a própria iniciação tecnológica e em cursos técnicos. Recomendamos este artigo também para professores que desejam saber um pouco mais sobre o assunto, principalmente as ligações dos ultrassons com a tecnologia.

Utilizamos os ultrassons numa grande quantidade de aplicações eletrônicas importantes. Podemos citar como exemplos, o sensoriamento de objetos, medida de distâncias, controles remotos, limpeza do objetos, aplicações médicas e até mesmo na transmissão de informações, essas vibrações inaudíveis ocupam lugar de destaque no amplo espectro das vibrações mecânicas. Como gerar ultrassons e como utilizá-los? Essas são algumas das questões que procuraremos abordar neste artigo. Respondendo a essas perguntas, levaremos nossos leitores a uma dimensão maravilhosa, que nossos sentidos não podem alcançar, mas que podem explorar com a ajuda da eletrônica.

Nossos ouvidos são estruturas sensíveis que se adaptam perfeitamente aos tipos de vibrações que são mais comuns na natureza e no próprio meio em que vivemos.

Assim, milhões de anos de evolução, determinaram a faixa bem definida de freqüências que podemos ouvir e que denominamos "sons".

Uma experiência imaginária nos permite entender melhor o que é o som, e também outras vibrações de mesma natureza, que se situam além do alcance de nossos ouvidos os infrassons e os ultrassons, sendo este último o assunto chave deste nosso artigo.

Se prendermos uma barra de metal numa morsa, podemos fazer com que uma de suas extremidades entre em vibração, conforme mostra a figura 1. Para nossa experiência não importa exatamente como fazer isso, mas sim as conseqüências dessas vibrações.

 

Barra de metal presa numa morsa.
Barra de metal presa numa morsa.

 

As vibrações desta barra de metal vão comprimir e distender o ar em sua volta de modo regular, criando assim "ondas" onde localizamos regiões maior ou menor densidade de partículas, ou seja, ondas de compressão e descompressão, conforme mostra a figura 2.

 

Barra vibrando: ondas de compressão e descompressão
Barra vibrando: ondas de compressão e descompressão

 

Estas ondas longitudinais se propagam pelo ar numa velocidade que depende da pressão, umidade, temperatura e alguns outros fatores adicionais.

Para o ar ambiente, em condições normais de temperatura e pressão, ou seja, a 20 graus centígrados no nível do mar, a velocidade de propagação é da ordem de 333 metros por segundo.

No entanto, para maior facilidade de cálculos é comum fazermos a aproximação para 340 metros por segundo.

Encontrando algum tipo de obstáculo, essas vibrações podem forçá-lo a vibrar na mesma freqüência, transferindo-lhe assim energia. Em outras palavras, estas ondas transportam energia que podem entregar a objetos que encontrem em seu percurso.

Se as vibrações ocorrerem numa velocidade relativamente pequena, algumas vibrações por segundo apenas, mesmo incidindo na membrana sensível de nossos ouvidos, que é o tímpano, elas não conseguem excitá-lo a ponto de haver a transmissão de um sinal ao nosso cérebro.

Isso significa que essas vibrações estão numa freqüência abaixo do que podemos ouvir.

Essas vibrações, pela sua freqüência, são denominadas infrassons. A posição dessas vibrações no espectro é mostrada na figura 3.

 

Infra-sons no espectro dos sons.
Infra-sons no espectro dos sons.

 

Conforme vimos, essas vibrações transportam energia e por isso, possuem certo poder de destruição.

Num terremoto, as vibrações desta faixa de freqüência causam grande destruição podendo ser sentidas, mas não ouvidas.

O ponto em que as vibrações começam a ser ouvidas está em torno de 15 Hertz.

É preciso que a nossa barra de metal imaginária vibre pelo menos 15 vezes por segundo para que as ondas de compressão e descompressão que cheguem aos nossos ouvidos o estimulem.

A sensação transmitida ao cérebro será a de um som contínuo muito grave, um zumbido.

Aumentando gradualmente a freqüência das vibrações, ou seja, fazendo com que a barra vibre cada vez mais rapidamente, vamos modificar a altura do som (a altura é a característica relativa à freqüência que não deve ser confundida com o volume ou intensidade), tornando o som médio quando chegamos a aproximadamente 500 Hz e depois agudo quando ultrapassamos os 2 000 Hz, conforme mostra o diagrama da figura 4.

 

Espectro dos sons audíveis.
Espectro dos sons audíveis.

 

Aumentando mais e mais as vibrações, entretanto, vamos verificar que as pessoas, segundo suas idades, características pessoais e até mesmo eventuais doenças, vão deixando de ouvir o som que está sendo emitido.

O limite exato em que deixamos de ouvir as vibrações, varia bastante de pessoa para pessoa, mas na média está em torno de 15 000 Hz (15 000 vibrações por segundo).

Teremos então percorrido todo o espectro audível, ou seja, a faixa de freqüências que corresponde às vibrações que podemos ouvir, conforme mostra a figura 5.

 

Espectro completo dos sons.
Espectro completo dos sons.

 

No entanto, passando dos 15 000 Hz a barra de metal ainda pode vibrar.

Estas vibrações já não serão mais audíveis, pois estão além de nossa capacidade de percepção. A barra estará produzindo então ultrassons.

Não existe limite conhecido para até onde a barra de metal pode vibrar.

Existem dispositivos que podem gerar ultrassons de milhões de hertz, ou seja, muitas oitavas acima do nosso limite auditivo e que portanto não podem ser ouvidos por ninguém.

Mas, o interessante é que no mundo animal existem espécies que podem ter ouvidos capazes de alcançar freqüências que o ouvido humano não consegue, conforme mostra a figura 6.

 

Faixas de sons ouvidos por diversos animais.
Faixas de sons ouvidos por diversos animais.

 

Assim, o que o ultrassom para nós, pode não ser para algumas espécies animais.

Podemos citar como exemplo os cães que, em alguns casos, podem ouvir vibrações de até 25 000 Hz, alcançando assim freqüências que nós não podemos perceber.

Quantas vezes seu cãozinho levantou as orelhas sobressaltado percebendo alguma espécie de som que você não ouviu?

Animais como os morcegos e até mesmos os golfinhos, podem usar os ultrassons com finalidades muito mais complexas do que a simples comunicação.

O morcego, por exemplo, possui um sistema de audição tão elaborado que pode captar e interpretar os ecos ou reflexões das vibrações que ele mesmo emite em freqüências ultrassônicas.

Em outras palavras, ele possui um verdadeiro sistema de "radar", que no caso, por operar com sons, recebe a denominação de "sonar".

Ele emite um som de freqüência muito alta (que não podemos ouvir) que chega aos 40 000 Hz, e se existir algum tipo de obstáculo para sua propagação, como por exemplo outros animais, insetos ou os galhos de uma árvore, ele recebe o eco e o interpreta, determinando a distância do obstáculo, seu tamanho e posição, evitando-o ou atacando-o.

À medida que as vibrações aumentam de freqüência, a distância entre os pontos de maior compressão e menor compressão diminui, ou seja, diminui o comprimento de onda.

Isso significa que estas ondas passam a ser sensíveis a obstáculos cada vez menores.

Podemos fazer uma interessante experiência com os morcegos (que é bem conhecida dos que moram no interior): provocando a vibração de uma vara, eles se desorientam podendo se chocar contra ela.

O que ocorre é que a vara em vibração provoca um fenômeno denominado "Efeito Doppler".

Quando uma vibração sonora reflete num objeto que se move em relação à fonte que emite o som, na reflexão ocorre uma alteração da freqüência.

Se o objeto estiver se movimentando em direção à fonte, a alteração é no sentido de haver uma diminuição do comprimento de onda e, portanto, um aumento da freqüência.

Efeito inverso ocorre se o objeto estiver se afastando. Tudo isso é mostrado na figura 7.

 

Variação de freqüência: Efeito Doppler.
Variação de freqüência: Efeito Doppler.

 

Você pode perceber este fenômeno observando o que ocorre quando um carro passa em alta velocidade por você com a buzina acionada.

Na aproximação o som da buzina parece mais agudo, e quando ele se afasta, o som torna-se mais grave.

A transição do som de agudo para grave é bastante nítida no instante exato em que ele passa por você.

Ora, no caso do morcego, a vibração da vara altera a freqüência do eco que o animal espera e isso o confunde, de modo que ele não consegue interpretá-lo, desorientando-o completamente em vôo.

Na natureza existem muitos animais que emitem e/ou recebem ultrassons, de modo que a possibilidade se "escutarmos" ultrassons abre um campo muito interessante de pesquisa usando recursos eletrônicos.

Existem grilos, pequenos mamíferos e até mesmo peixes que emitem ultrassons do mesmo modo que existem diversos fenômenos naturais que são acompanhados da emissão dessas vibrações.

Na verdade, emissões fortes de ultrassons podem "perturbar" certos animais, daí a utilização de aparelhos que emitem tais vibrações em grande intensidade.

Existem "espantalhos eletrônicos" que afastam cães de latas de lixo ou ratos de depósitos de cereais ou mesmo despensas que nada mais são do que potentes osciladores de ultrassons ligados diretamente a um pequeno alto-falante.

Como os humanos não podem ouvir tais vibrações elas não nos causam qualquer tipo de inconveniente.

Na verdade, mesmo sem ouvir (perceber), foi comprovado que ultrassons em grande intensidade tem um efeito nocivo sobre a audição humana. Assim, recomenda-se que humanos não permaneçam por muito tempo em locais em repelentes ultrassônicos sejam usados.

Para os leitores que desejarem fazer experiências com ultrassons, temos na figura 8 o diagrama de um potente emissor que pode ser usado como espantalho ou ainda para experiências diversas que envolvam este tipo de vibração.

 

Circuito emissor de ultra-sons.
Circuito emissor de ultra-sons.

 

Este circuito produz ultrassons na faixa de 20 a 30 kHz e o transdutor nada mais é do que um tweeter do tipo piezoelétrico que apresenta rendimento bom nesta faixa, para a aplicação visada.

 

APLICAÇÕES PRÁTICAS

Aparelhos que emitam ou recebam ultrassons não são simples curiosidades. Na industria, na medicina, ou mesmo no lar encontramos diversos dispositivos que operam com ultrassons.

Na industria, por exemplo, os ultrassons podem ser usados para detectar falhas de materiais como, por exemplo peças usadas em aviões ou ainda estruturas especiais.

Um transdutor aplica os ultrassons de altíssima freqüência no material.

Se existirem cavidades internas, falhas ou rachaduras ocorrem reflexões que mudam o padrão do sinal captado por outro transdutor e visualizado num osciloscópio, conforme mostra a figura 9.

 

Detecção de falhas em materiais com ultra-som.
Detecção de falhas em materiais com ultra-som.

 

Outra aplicação interessante é na limpeza de peças de metal. Se colocarmos jóias ou outras peças delicadas num recipiente metálico contendo um solvente especial e aplicarmos um ultrassom de alta potência ocorre um fenômeno de grande utilidade.

As vibrações ultrassônicas fazem aparecer bolhas microscópicas nas cavidades em que se acumula a sujeira, expulsando-a com facilidade.

Este fenômeno, denominado "cavitação", possibilita a realização de limpezas profundas em peças de pequenas dimensões ou muito delicadas.

Para essa finalidade existem aparelhos especiais que usam esta tecnologia, como o mostrado na figura 10 e que podem ser encontrados em oficinas especializadas.

 

Aparelho para limpeza de peças de metal.
Aparelho para limpeza de peças de metal.

 

Na medicina temos equipamentos que são capazes de formar uma imagem de órgãos de nosso corpo, com a diferença de que os ultrassons não causam dano algum aos tecidos, o que não ocorre com os raios X.

Citamos também os estetoscópios ultrassônicos que nada mais são do que aparelhos que convertem vibrações de freqüências mais altas em vibrações de mesmo padrão mas de freqüência mais baixa.

Desta forma, os batimentos cardíacos do feto, que ocorrem em freqüências inaudíveis para nós, se tornam perfeitamente audíveis com um aparelho deste tipo, conforme mostra a figura 11.

 

Estetoscópio ultra-sônico.
Estetoscópio ultra-sônico.

 

Um conversor deste tipo, de grande sensibilidade pode servir ao explorador da natureza para ouvir insetos e animais maiores que produzam sinais na faixa que não podemos ouvir normalmente, convertendo-os para uma freqüência mais baixa.

Este mesmo tipo de aparelho também pode ser usado por um técnico para detectar vibrações anormais numa máquina que não esteja funcionando corretamente.

Também podemos citar sistemas de alarmes que detectam a passagem de pessoas pela interrupção de uma emissão ultrassônica.

Uma aplicação muito importante, que imita os animais, no caso o morcego, é o Sonar.

Operando numa freqüência acima de 40 kHz, o sonar emite ultrassons usando um transdutor especial. Estes ultrassons se propagam pela água e refletem tanto no fundo como em objetos e animais (peixes, por exemplo).

O resultado disso é a produção de um ou mais ecos, conforme mostra a figura 12.

 

 

Produção de ecos pelo sonar.
Produção de ecos pelo sonar.

 

Nos aparelhos mais simples, apenas o eco mais forte que corresponde ao fundo é considerado e há a indicação da profundidade pelo tempo que o ultrassom demora para ir e voltar.

Nos aparelhos mais sofisticados é formada uma imagem que considera todos os ecos e assim pode ser visualizada a presença de um cardume.

Os barcos de pescas mais bem equipados possuem tais sonares que são capazes de detectar onde está o cardume que se visa capturar, conforme mostra a figura 13.

 

Detecção do cardume.
Detecção do cardume.

 

CONCLUSÃO

As aplicações que vimos são apenas algumas das muitas possíveis para os ultrassons.

Futuramente em nossas edições focalizaremos projetos que envolvam este tipo de vibração como por exemplo detectores, alarmes, aparelhos para escutar o inaudível, emissores com a finalidade de espantar animais, etc.

O importante para o leitor é saber o que é o ultrassom e como ele pode ser usado.

 

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