A Natureza do Som
Se bem que as vibrações sonoras não tenham natureza elétrica, como elas podem ser captadas e reproduzidas por dispositivos elétricos, seu estudo é muito importante para quem pretende conhecer eletrônica. Como exemplo podemos os citar sensores acústicos de uso industrial, intercomunicadores e até os sistemas multimídia fazem muito uso dessas vibrações, pois os alto-falantes dos computadores produzem sons e, além disso, temos as entradas para sons captados por microfones.
As ondas sonoras são vibrações mecânicas necessitando para se propagar de meios materiais. No vácuo o som não se propaga. Uma experiência tradicional que mostra que isso é verdade consiste em se fazer funcionar uma campainha dentro de um vidro, do qual se tenha retirado todo ar. O silêncio é absoluto, pois onde não há meio para o som se propagar ele não pode ser ouvido, conforme o leitor poderá ver na figura 206.
Na lua seria impossível uma conversação, já que ela não possui atmosfera e os "sons de explosão" no espaço que vemos nos filmes de ficção consistem numa aberração, pois lá tudo é silêncio. No ar, o som se propaga na forma de ondas de compressão e descompressão, conforme mostra a figura 207.
Assim, um alto-falante ao reproduzir um som, empurra para frente o ar para produzir uma onda de compressão e depois ao se mover em sentido contrário, o puxa de modo a produzir uma onda de descompressão. Tanto a compressão como a descompressão se propagam com a mesma velocidade que, no ar sob condições normais de temperatura e pressão, é da ordem de 340 metros por segundo.
Quando estas ondas de compressão e descompressão atingem nossos ouvidos elas atuam sobre uma fina membrana em seu interior, denominada tímpano, que transmite as vibrações ao sistema interno. O sistema mecânico interno de nossos ouvidos, formado por alguns ossos móveis muito delicados, “traduz” as informações sobre a natureza do som captado e as envia ao cérebro por meio de ligações nervosas. Na figura 208 temos uma visão em corte de nosso ouvido.
Espectro Audível
Existe um limite bem definido para o tipo de vibrações sonoras que nossos ouvidos podem perceber. Assim, temos inicialmente um limite inferior para as frequências das vibrações que determina a nossa faixa de audição e que está em torno de 16 hertz ou 16 vibrações por segundo.
Este limite corresponde aos sons mais graves que podemos ouvir. Não podemos ouvir vibrações que ocorram mais lentamente do que na taxa de 16 por segundo.
À medida que a frequência dos sons ou vibrações aumenta, eles vão produzindo sensações diferentes. Inicialmente graves, eles se tornam médios e depois agudos até que o valor máximo que podemos perceber é atingido. Para as pessoas comuns o valor varia um pouco, mas está em torno de 16 000 Hertz.
Esta frequência corresponde ao som mais agudo que a maioria das pessoas pode ouvir. Veja a figura 209 onde mostramos um gráfico que representa a faixa audível, ou seja, onde estão aos sons de todas as frequências que podemos ouvir.
Abaixo do limite inferior temos a faixa dos infrassons e acima do limite superior de audição temos as vibrações denominadas de ultrassons. Existem animais como o morcego, o golfinho e até mesmo o cachorro que possuem um limite superior de audição acima do nosso. Estes animais conseguem ouvir os ultrassons até de frequências que em alguns casos chegam aos 100 000 Hz ou 100 quilohertz!
Características dos Sons
Os sons possuem características que precisam ser muito bem conhecidas por parte de quem pretende usá-los, principalmente em aplicações que envolvam a eletrônica ou sua produção a partir de circuitos especiais, podemos distinguir os diferentes sons por suas características.
Saber diferenciar estas características é muito importante tanto para quem trabalha com som como para quem projeta equipamentos de som.
Altura de um Som
A altura de um som é a característica que está ligada a sua frequência. Dizemos que um som é mais alto que outro quando sua frequência é maior.
Os sons de frequências mais baixas são denominados graves, depois temos os médios e finalmente os agudos. Um som mais alto é, portanto, um som mais agudo. Para os instrumentos musicais podemos dizer que o som do violino é mais alto do que o som do violão.
Não devemos confundir a altura do som com sua intensidade ou volume que explicamos a seguir.
Volume ou Intensidade
O volume ou intensidade é a característica do som ligada à força com que as ondas de compressão e descompressão ocorrem. O volume ou intensidade são associados à potência do som.
Dois amplificadores que possuam potências diferentes, quando ligados ao máximo volume, produzem sons com volumes ou intensidades diferentes. A representação de dois sons com a mesma frequência nas intensidades diferentes é feita conforme o leitor poderá ver pela figura 210.
Lembramos que as ondas sonoras transportam energia e que essa energia pode ter efeitos destrutivos. Assim, o som ouvido em grande intensidade, como ocorre em muitas casas noturnas, shows e mesmo pelos que usam fones, pode causar problemas auditivos como a diminuição da capacidade auditiva e até mesmo a surdez completa.
As ondas sonoras de grande intensidade são até usadas em ferramentas e equipamentos de limpeza. Sua energia, por exemplo, pode ser usada para a limpeza de objetos de metal (joias, por exemplo) em limpadoras ultrassônicas, conforme mostra a figura 211.
Timbre
O timbre é a característica que nos permite diferenciar a mesma nota musical emitida por dois instrumentos diferentes. Podemos dizer que se trata da “coloração” ou “personalidade” do som.
Do mesmo modo que as oscilações podem ser suaves, provocadas por um movimento de vai e vem de um cone de alto-falante, também podemos produzir sons a partir de movimentos bruscos ou irregulares de um objeto.
Colocando os dois tipos de sons e mesmo outros num gráfico, vemos que para os movimentos suaves que correspondem a um som puro, a representação é uma senóide. No entanto, para outros sons, as vibrações podem ser representadas de outras formas.
Nossos ouvidos conseguem perceber as diferenças entre dois sons que tenham a mesma frequência, mas que tenham modos de vibrações ou timbres diferentes.
Assim, as mesmas notas de diversos instrumentos possuem a mesma frequência e até mesmo a mesma intensidade, mas como possuem timbres diferentes, podemos saber de que tipo de instrumento provém. A nota dó de um violão é diferente do dó de um piano pelo timbre! Veja na figura 212 o que ocorre com alguns instrumentos.
Quando um amplificador reproduz um som alterando sua forma de onda original, nossos ouvidos conseguem perceber isso, o que resulta num efeito indesejável que é a distorção.
Já sabemos que as ondas sonoras não podem se propagar no vácuo, mas, além desta propriedade, elas possuem algumas outras importantes.
Comprimento de Onda
Esse é um conceito muito importante que também se aplica a outros tipos de perturbações que se propagam pelo espaço na forma de ondas tais como as ondas de rádio. Supondo um ciclo completo na produção de uma onda sonora senoidal, vamos imaginar que, no momento em que temos sua produção ela já inicia sua propagação através de um meio material como, por exemplo, o ar.
Quando o ciclo for completado, sua fronte, ou seja, a parte inicial da perturbação já estará a uma certa distância. Essa distância que corresponde à distância que um ciclo completo percorre ao ser produzido é denominada "comprimento de onda". Ela é representada pela letra grega lambda (?). Veja na figura 213.
Veja que esse comprimento de onda dependerá fundamentalmente de dois fatores: a velocidade de propagação e a frequência. Podemos relacionar as três grandezas através de uma fórmula importante:
v = λ x f
onde:
v é a velocidade de propagação (m/s)
λ é o comprimento de onda (m)
f é a frequência (Hz)
Para o som, no ar em condições normais, podemos fixar v em 340 m/s.
A velocidade de propagação dos sons varia bastante conforme os materiais.
Propriedades dos Sons
Os sons se propagam apenas pelos meios materiais e na forma de ondas longitudinais ou transversais. Isso faz com que ele apresente certas propriedades que o leitor deve conhecer. As principais propriedades dos sons são:
Reflexão
Se ondas sonoras incidirem numa superfície dotada de um certo grau de flexibilidade e com certa extensão, elas podem refletir-se ou seja, “bater e voltar”, conforme mostra a figura 214.
Existe um tempo mínimo para que nossos ouvidos possam distinguir dois sons sucessivos, dado justamente pelas características de resposta de frequência que eles apresentam. Assim, se o intervalo que ocorrer entre a emissão do som e a sua volta superar 0,1 segundos, poderemos perceber claramente dois sons: o emitido e o refletido. Teremos então o fenômeno conhecido como eco, conforme mostra a figura 215.
Veja que, para que tenhamos uma separação de 0,1 segundos entre os sons a uma velocidade de 340 metros por segundo, isso representa uma distância total de 34 metros, ou 17 metros de ida e 17 metros para a volta. Esses 17 metros correspondem, portanto, à distância mínima que deve existir entre a pessoa e o ponto de reflexão para haver eco.
Um fenômeno que ocorre quando os tempos de volta do som refletido forem menores que 0,1 segundos e, além disso, ocorrem reflexões sucessivas, é o prolongamento do som, denominado reverberação. É o efeito de "som de catedral" em que o som de um grito ou de um sino parece prolongar-se indefinidamente, devido a reflexões sucessivas num intervalo menor do que o necessário para se obter eco.
Difração
Outro fenômeno que ocorre com os sons é a difração. Quando uma onda sonora encontra um obstáculo para sua propagação como, por exemplo, a borda de uma superfície, conforme o leitor poder na figura 216, a borda pode funcionar como um elemento que encurva as ondas sonoras.
Esse fenômeno é mais acentuado com as ondas sonoras de maior comprimento, ou seja, com os sons graves. O princípio de Huygens, que pode ser estudado nos livros de física do ensino médio, explica o que ocorre de uma forma mais detalhada, caso o leitor deseje se aprofundar no assunto.
O Decibel
Do som mais fraco ao som mais forte que podemos ouvir existe uma variação gigantesca de intensidades, o que dificulta o uso de uma unidade de medida linear. Do som mais fraco ao mais forte, a intensidade varia em trilhões de vezes.
A própria natureza, para ajustar as características do ouvido à todos os sons que podemos encontrar, dota-o de uma resposta não linear. Assim, o ouvido tem sensibilidade maior para os sons mais fracos e, por outro lado, reduz sua sensibilidade, quando os sons são mais fortes.
Dizemos que a resposta de nossos ouvidos segue uma curva logarítmica, conforme mostra a figura 217.
Para maior facilidade de representação das intensidades sonoras e mesmo de seus cálculos é adotada uma unidade logarítmica chamada Bel. O que se faz então é adotar para a medida da intensidade sonora uma unidade logarítmica.
Esta unidade é o Bel, e na prática trabalhamos com décimos de bel ou decibéis, abreviado por dB. Veja na figura 218 a curva de sensibilidade do ouvido humano para os sons de diversas frequências com a escala em dB.
A tabela dada a seguir nos mostra os níveis sonoros relativos em dB de algumas fontes comuns, para que o leitor tenha uma ideia de como essa escala funciona.
Fonte sonoraNível sonoroRespiração normal10 dBQuarto de dormir silencioso35 dBConversação em voz normal45 dBPessoas conversando com voz um pouco elevada60 dBFesta barulhenta90 dBRua movimentada90 dB Concerto de Rock120 dBTrovão120 dBJato decolando (30 m de distância)140 dB
Ressonância
Outro fenômeno muito importante que ocorre com os sons e também com outras formas de vibrações é a ressonância. Todos os corpos possuem uma frequência própria de vibração, uma frequência na qual podem vibrar com mais facilidade. Essa frequência depende do material de que são feito, de sua forma e também de suas dimensões.
É por esse motivo que, quando batemos numa barra de metal pequena e numa barra grande os sons produzidos possuem frequências diferentes. Cada barra tende a vibrar na sua frequência própria, conforme o leitor poderá ver pela figura 219.
Um instrumento, de grande utilidade para afinação de instrumentos musicais, que se baseia totalmente na ressonância é o diapasão. Conforme poderemos pela figura 220, ele consiste numa barra de metal em forma de forquilha que, ao ser excitada (batida ou vergada) produz som numa frequência fixa, normalmente a nota fá de 440 Hertz na qual se baseia a afinação de uma grande quantidade de instrumentos musicais.
A ressonância pode ser um fenômeno desejado ou indesejado em muitas aplicações que envolvam som. Ela é desejada quando precisamos produzir um som de uma frequência fixa e podemos aproveitar as características físicas de um objeto. Os instrumentos musicais se baseiam totalmente nisso.
Ela é indesejada, quando a presença de vibrações mais fortes na frequência em que um corpo tende a vibrar traz algum tipo de problema. A ressonância de alto-falantes comuns em certas frequências, por exemplo, pode distorcer os sons dessas frequências tornando a reprodução desagradável.
Aplicações para os Ultrassons
Os ultrassons podem ser utilizados em diversos tipos de aplicações práticas, muitas das quais se baseiam em exemplos encontrados na própria natureza.
O SONAR, por exemplo, se baseia no sistema de orientação empregado pelos morcegos e pelos golfinhos. Esses animais emitem ondas ultrassônicas de frequências que podem chegar a 100 000 Hz em alguns casos e possuem um ouvido suficientemente sensível para captar seus ecos.
Em função do eco, eles podem determinar o tamanho do objeto em que as ondas se refletiram e também se esse objeto está em movimento, com uma ideia de sua direção, conforme poderemos ver na figura 221.
Aproveitando essa ideia embarcações utilizam um equipamento denominado ecobatímetro (que se baseia no sonar) capaz de medir a profundidade do local em que elas se encontram e também detectar cardumes ou objetos flutuantes em profundidades intermediárias. Na figura 222 onde ilustramos o princípio de funcionamento desse equipamento.
Pelo tempo que o sinal ultrassônico leva para ir até o fundo e voltar têm-se a profundidade e ecos intermediários indicam a presença de cardumes.Tudo isso é apresentado numa tela especial que já possui, em alguns casos, recursos para processar a imagem fornecendo até um perfil do fundo do mar no local da navegação.
Na robótica também se utiliza o mesmo princípio para detectar obstáculos e determinar a distância em que ele se encontra. Um emissor ultrassônico é colocado na frente do robô autônomo juntamente com o receptor, conforme o leitor poderá ver na figura 223.
Ondas ultrassônicas são constantemente enviadas e recebidas, e se houver um obstáculos no qual elas reflitam, um circuito que processa constantemente o eco, determina sua distância pelo tempo que elas levam para ir e voltar.
A possibilidade de se medir distâncias ou ainda detectar coisas pela reflexão de ondas sonoras encontra aplicações importantes também na indústria. Uma delas consiste na detecção de falhas numa peça de metal por meio de ultrassons.
Se ultrassons são aplicados na peça a reflexão, teoricamente, só ocorre na outra extremidade ou face da peça. No entanto, se existir alguma "descontinuidade" para a propagação das ondas como, por exemplo, uma falha interna ou rachadura, as ondas refletem antes e o aparelho pode fazer sua detecção. Na figura 224 ilustramos o que ocorre.
Efeito Doppler
Um efeito de extrema importância para algumas aplicações que envolvem sons e ultrassons é o "Efeito Doppler". Quando um objeto emite um som, a frequência desse som é alterada pelo seu movimento, conforme mostra a figura 225.
De uma maneira simples de entender, podemos dizer que se o objeto se afasta da fonte emissora, conforme poderemos ver nessa figura 226, as ondas refletidas são "esticadas" e o som que volta tem um comprimento de onda maior ou frequência mais baixa.
Se o objeto se aproxima da fonte emissora, as ondas refletidas têm seu comprimento "encolhido" e com isso o som que volta é mais agudo, ou seja, tem uma frequência mais alta. Podemos perceber isso facilmente quando um carro em alta velocidade passa por nós buzinando.
Quando ele vem a buzina nos parece mais aguda do que quando ele se afasta. No momento exato em que ele passa por nós percebemos a transição do som.
Se conhecermos a frequência do som emitido, e medirmos a frequência do som que volta podemos determinar com precisão a velocidade do objeto em que ele se reflete, conforme mostra a figura 226.
Som Estereofônico
Quando compramos um equipamento de som, a primeira preocupação que nos vêm à mente é que ele seja estéreo ou estereofônico, que é o termo correto Muitos associam isso à presença de dois alto-falantes, mas não é só isso. Veja neste artigo o que é som estéreo, para não cair em ciladas comprando equipamentos que realmente não possuam esse recurso.
A palavra estéreo vem do grego “stereos”, significando “sólido”. Em eletro-acústica esta palavra é usada para designar uma forma de reprodução sonora que acrescenta a sensação de “volume” ou “corpo” a uma reprodução sonora, especificamente musical.
Nosso ouvido, pelas suas características de diretividade permite-nos “avalia” a localização de uma fonte sonora, comparando subjetivamente as diferenças de intensidade com que incidem os sons nos dois receptores que possuímos, ou seja, cada ouvido, conforme mostra a figura 227.
Assim, se tivermos uma fonte única de reprodução musical, a distância percorrida pelo som para chegar aos dois receptores é a mesma, não havendo então sentido de diferenciação dos diversos instrumentos de uma peça em sua verdadeira localização. No caso de uma orquestra, ouvimos os instrumentos amontoados num único local. Este é o caso do sistema monofônico, que não nos permite obter a sensação de localização ou “corpo” para uma peça musical.
No caso de um sistema estereofônico, como temos duas fontes distintas de som, emitindo sinais que também correspondem à posicionamentos distintos dos instrumentos ou participantes de uma peça, podemos ter a sensação de localização pelo ouvido, acrescentando-se assim a sensação de “volume” ou “corpo”, conforme mostra a figura 228.
É claro que, para haver estereofonia, é preciso que as duas fontes sonoras, no caso, as caixas acústicas, reproduzam programas ou sinais diferenciados. Estes sinais devem, portanto corresponder ao som original, não só em termos de frequências e formas de onda, como também em relação às intensidades dadas pelo posicionamento.
Veja então que para termos uma reprodução estéreo não basta ter simplesmente dois alto-falantes. É preciso que os sinais também sejam gravados ou transmitidos na configuração estéreo, a partir de fontes diferentes.
A gravação ou programa devem ser estéreos para que existam sinais separados, o amplificador deve ter dois canais de amplificação que alimentem dois sistemas diferentes de alto-falantes e estes sistemas de alto-falantes devem ser posicionados de forma apropriada.
Veja que:
a) Não há reprodução estereofônica ligando um gravador, ou outra fonte monofônica num amplificador estéreo, porque o sinal reproduzido pelos dois canais ou caixas será o mesmo. Não há separação de sinais para a reprodução.
b) Não há reprodução estereofônica com a simples ligação num amplificador comum de dois alto-falantes colocados em locais diferentes. Muitos aparelhos de som de muito baixo custo (principalmente rádios AM) têm dois alto-falantes, sendo vendidos como estéreo, mas na verdade são ligados no mesmo canal do amplificador único sendo, portanto a reprodução monofônica.
c) Não há reprodução estéreo num amplificador, receptor de FM ou qualquer outro aparelho que use um único alto-falante. Devem existir pelo menos dois alto-falantes num sistema estéreo, conforme mostra a figura 229. Veja o leitor que isso exige que se preste muito atenção na compra de qualquer equipamento. Já nos tentaram vender um “radio AM/FM estéreo” que possua um único alto-falante...
d) A modificação de um sistema de som monofônico para se tornar estereofônico exige a utilização de um seguindo amplificador e também de circuitos decodificadores, não sendo viável pelo custo na maioria dos casos.
Nos sistemas de som estéreo de automóveis, e nos rádios FM, existem circuitos que decodificam o sinal multiplexado que vem da estação. Na transmissão dos sinais dos dois canais, a estação os aplica a uma mesma portadora através de um processo denominado multiplexação, conforme mostra a figura 230.
Um receptor comum de rádio, não separa esses canais e os reproduz de forma misturada, não havendo a sensação estéreo, mas um receptor estéreo faz a separação ou decodificação (quando acende o LED vermelho no painel) e a reprodução é separada pelos dois alto-falantes.
Nos casos de outros equipamentos como gravadores, CD players, MP3, equipamentos de som de PCs, a separação do canais já é feita ao se enviarem os sinais para fones e alto-falantes, havendo com isso a reprodução estéreo.
Além do estéreo
Pode-se ter uma sensação de volume ou corpo para o som muito melhor se em lugar de apenas duas fontes sonoras tivermos mais. Assim, nos sistemas de som de home-theaters, são enviados 5 a 7 canais no que se denomina Dolby Surround, conforme mostra a figura 231.
Neste sistema temos dois alto-falantes traseiros (Rs e Ls), dois dianteiros (L e R) e um sub-woofer .
Os alto-falantes destes sistemas não são ligados todos ao mesmo canal, mas sim a canais diferentes de um sistema complexo de amplificação que separa os sinais de acordo com a posição do alto-falante. Com isso pode-se ter a sensação de sons que vem de trás e da frente, tanto da direita como da esquerda e uma caixa adicional para os graves (sub-woofer).
As lições deste curso são:
Lição 1 – Matéria e energia, a natureza da eletricidade, eletricidade estática
Lição 2 – Energia elétrica, corrente e tensão. O circuito elétrico
Lição 3 – Resistência elétrica, resistores, Lei de Ohm, Lei de Joule
Lição 4 – Tipos de geradores, rendimento e equação do gerador
Lição 6 – Magnetismo e eletromagnetismo
Lição 8 – Som e Acústica
Lição 9 – Ondas eletromagnéticas
