Características de um som

As ondas sonoras são ondas mecânicas e portanto não se propagam no vácuo. São audíveis pelo homem quando sua freqüência se situa entre 20 Hz e 20000 Hz.

Limiar e faixa de audibilidade 

A variação de pressão deve possuir um valor mínimo para atingir o limiar de audibilidade. Essa variação é a diferença instantânea entre a pressão atmosférica na presença ou ausência do som, em um mesmo ponto. Através de pesquisas realizadas com pessoas jovens, sem problemas auditivos, foi revelado que o limiar de audibilidade é de 2.10-5 N/m2 ou 0,00002 N/m2. Desse modo, convencionou-se este valor como sendo 0 (zero) dB, ou seja, o nível de pressão sonora de referência utilizado pelos fabricantes dos medidores de nível de pressão sonora (sonômetros, popularmente conhecido por decibelímetros). Quando a pressão sonora atinge o valor de 200 N/m2, a pessoa exposta começa a sentir dor no ouvido (limiar da dor). Esse valor corresponde a 140 (cento e quarenta) dB (SALIBA, 2001).
Portanto, a faixa audível (faixa de audibilidade) em relação ao nível de pressão sonora, é todo o valor que está compreendido entre o limiar de audibilidade e o limiar da dor.

E, a faixa audível, em relação à freqüência, deve possuir valores específicos que se situam entre 16 (dezesseis) Hz a 20 (vinte) KHz, para que o som seja percebido pelo ouvido humano.

Os valores abaixo dos 16 (dezesseis) Hz são chamados de infra-som, e os valores acima de 20 (vinte) KHz são chamados de ultra-som (SALIBA, 2001).

Por convenção internacional, definiu-se para Io = 10-12 W/m2, como sendo a intensidade auditiva de referência, relativa a um som simples de freqüência 1000 (mil) Hz. Essa intensidade corresponde ao limiar de audição.

Assim, a intensidade do som captada pelo ouvido corresponde à sensação do que se denomina popularmente de volume do som. A intensidade sonora, ou sonoridade, captada pelo aparelho auditivo humano diferencia-se segundo a freqüência dos sons.

Na seqüência apresentam-se gráficos e tabelas para ilustrar e representar graficamente a faixa de audibilidade, audiograma de um ouvido normal, e alguns valores de níveis de pressão sonora mais típicos em nosso cotidiano.

                              

Fontes de som

Em geral, as fontes de som são os corpos em vibração, como o cone de um alto-falante, as cordas vocais, etc.

A velocidade do som

Nos líquidos e nos sólidos, onde as moléculas estão mais próximas umas das outras, a velocidade do som é bem maior do que em um gás.
vsólidos > vlíquidos > vgases

Qualidades de um som:

Intensidade:

 É a qualidade que nos permite distinguir os sons fortes dos fracos.
A intensidade do som é uma característica que está relacionada com a amplitude das ondas sonoras.

Assim:

- quanto maior for a amplitude da onda sonora, mais forte será o som;

- quanto menor for a amplitude da onda sonora, mais fraco será o som.

Então, juntando estas duas características temos:

Timbre

É a qualidade que nos faz distinguir as vozes de duas pessoas, mesmo quando emitindo sons de mesma freqüência. Também permite diferenciar os sons de dois instrumentos musicais, mesmo quando eles emitem a mesma nota.

 

 

    som puro                                                                                        

                                                                                                               som complexo

 

                                                                             Som Complexo
 

 

 

Distingue-se facilmente o som proveniente do diapasão, do som produzido pela guitarra ou pelo piano, mesmo que estejam a tocar a mesma nota. Diz-se que estes instrumentos apresentam um Timbre diferente. Se vizualizarmos a onda sonora produzida por cada um deles quando produzem exactamente a mesma nota, é possível observar diferenças entre elas.

 

Altura

É a qualidade do som que nos permite distinguir os sons graves dos agudos.
Esta característica está relacionada com o número de vibrações em cada unidade de tempo, isto é, com a frequência de vibração das ondas sonoras.

Assim:

- quanto maior for a frequência da onda sonora, mais agudo ou alto será o som;

- quanto menor for a frequência da onda sonora, mais grave ou baixo será o som.                    

      

 

A Altura de um Som está diretamente relacionada com a frequência do som:

 

- Sons de maior frequência correspondem a sons agudos (ou altos);

- Sons de menor frequência correspondem a sons graves (ou baixos).

 

A frequência da voz num ser humano varia entre os 85 Hz e os 1100 Hz:

- valores próximos de 1100 Hz correspondem a sons agudos (ou altos). Por exemplo, num som com 1100 Hz de frequência, as partículas que propagam o som efectuam 1100 vibrações completas a cada segundo.

- valores próximos de 85 Hz correspondem a sons graves (ou baixos). Por exemplo, num som com 85 Hz de frequência, as partículas que propagam o som efectuam 85 vibrações completas a cada segundo;

A Intensidade Sonora (Sons Fortes ou Fracos)

 

O som produzido pelo motor de um avião é completamente diferente do som produzido pelo bater de asas de uma mosca. Para além disso, o som produzido pelo motor do avião ouve-se muito bem, mesmo que estejamos bastante afastados dele. Pelo contrário, o som produzido pelas asas da mosca só se ouve se estivermos muito próximos dela. Por esse motivo, dizemos que os sons produzidos têm intensidades sonoras diferentes:

- o som produzido pelo avião é um som forte;

- o som produzido pela mosca é um som fraco.

A Intensidade Sonora está relacionada com a Amplitude da onda sonora e com a quantidade de energia que a fonte sonora transmite ao meio de propagação do som:

- quanto maior a Intensidade Sonora, maior a Amplitude da onda sonora e maior a energia transmitida ao meio de propagação do som;

- quanto menor a Intensidade Sonora, menor a Amplitude da onda sonora e menor a energia transmitida ao meio de propagação do som.                                      

À medida que o som se propaga, a energia associada à vibração das partículas do meio vai diminuindo, logo a amplitude de vibração vai diminuindo também. Por esse motivo, quanto mais afastados estamos da fonte sonora, mais dificuldade temos em ouvir o som produzido.
 

                Sons fracos
 

   Sons fortes
 

 

 

Ressonância em taças de cristal

Por que o copo de cristal emite som quando passamos o dedo em sua borda?

Porque, ao ser esfregado, o copo vibra como uma corda de violino. O segredo está em um dos seus componentes: o chumbo. O metal, além de dar brilho a esse tipo especial de vidro, consegue deixá-lo mais firme. Assim, em vez de o copo de cristal absorver a maior parte da energia provocada pelo atrito com o dedo, como faz um copo comum, acaba devolvendo parte dessa energia em forma de som. A sonoridade é tão agradável que é possível fazer música usando vários copos. Um exemplo célebre está no filme E La Nave Va (1983), do diretor italiano Federico Fellini, em que uma dupla de músicos toca uma melodia usando dezenas de cristais com água. "Quando variamos o nível da água, alteramos as condições de ressonância do copo. Fazemos com que ele vibre em freqüências, ou notas, diferentes", diz o físico Cláudio Furukawa, da USP.

 

 

Experiências em sala de aula com a ressonância:

 

Arame dançante na borda de uma taça. Ponha duas taças idênticas com um pouco de água perto uma da outra. Entorte um pedaço de arame e coloque-o sobre a borda de uma das taças. Umedeça a ponta de seu dedo e esfregue-o com suavidade pela borda da outra taça. Se tudo der certo, você ouvirá um som grave e melodioso enquanto o arame começa a vibrar em ressonância com o som que você gerou. O mesmo poderá ser feito com canudo de refrigerante ou pedaços de espaguete. Em primeiro lugar colocamos as duas taças  juntas  mas sem tocá-las. As duas taças deverá possuir a mesma quantidade de água.Em seguida, colocamos uma das pedaços de  espaguete ou do  canudo de refrigerante. Finalmente, molhe um dedo na água e esfregue a borda de uma das taças. Em poucos segundos as duas taças começarão  a vibrar. Explicação:esfregando repetidamente  a borda de uma taça de cristal, ela vibrará emitindo um som que depende da quantidade de água que está dentro da taça. A segunda taça vibrará em ressonância. Você poderá ver a vibração da segunda taça, se colocarmos um objeto muito leve, que vibrará com ela. Como por exemplo os pedaços de espaguete ou os pedaços de canudos de refrigerante.                                 Vídeos demonstrando  experiências com as taças de cristal:    Vídeo incrível. Música em taças de cristal:       Tema do filme Harry Potter tocado de forma criativa:   Cantore líricos conseguem quebrar uma taça de cristal usando apenas o som emitido por sua voz? será que isso é possível?   O som é uma onda mecânica que se propaga em meios materiais, essa onda produz vibrações no meio em que se propaga. Toda e qualquer onda é capaz de produzir vibrações que estimulam oscilações em corpos situados nas proximidades das fontes. Quando a frequência de oscilações coincide com a frequência de oscilações natural do corpo,a amplitude de oscilação desse corpo atinge valores elevados, pois a fonte progressivamente cede energia ao corpo. Esse fenômeno é conhecido como Ressonância. Quando a frequência da voz de uma cantora lírica atinge a mesma frequência de vibração das moléculas de uma taça de cristal, a quantidade de energia das moléculas se eleva gradativamente e a taça se quebra.  Para visualizar essa tema clique no link abaixo para assistir ao vídeo do cantor da banda de rock Shaman- Thiago Bianchi quebrando uma taça de cristal:   http://www.youtube.com/watch?v=yttf-Jiyquc

O Diapasão

Diapasão é um instrumento metálico em forma de forquilha, que serve para afinar instrumentos e vozes através da vibração de um som musical de determinada altura. Foi inventado por John Shore  em 1711. A forquilha é afinada em uma determinada frequência (atualmente o mais comum é o Lá de 440 Hz). Ao ser golpeado contra uma superfície, as duas extremidades da forquilha do diapasão vibram produzindo a nota que será utilizada para afinar o instrumento musical. Em geral, é necessário encostar a outra extremidade do diapasão na caixa de ressonância do instrumento para amplificar seu som e permitir que seja ouvido à distância. O mesmo efeito pode ser conseguido se a extremidade do diapasão for encostada na caixa  craniana próximo à orelha. Com as mesmas finalidades, existe também o diapasão de sopro, normalmente utilizado para afinar guitarras e outros instrumentos de cordas. Esses diapasões são como pequenas gaitas, que têm uma palheta afinada para a altura de cada corda do instrumento a afinar. Essas pequenas gaitas, são conhecidos por Lamiré (Dicionário Houaiss da Língua Portuguesa), forma aglutinada das notas "Lá", "Mi" e "Ré". Daí a expressão "dar um lamiré".




                                              Foto: Um Diapasão

 

                                               Vídeo de demonstração do tema ressonância com uso do diapasão:

Ressonância

Chama-se ressonância o fenômeno de transferência de energia por vibração ou oscilação. Um corpo oscila em certa frequência e transfere energia a outro que passa a vibrar em igual frequência.
Qualquer sistema possui ao menos uma freqüência natural de oscilação ou vibração.Todos os corpos podem vibrar ou oscilar mas não de qualquer jeito, existem certas frequências possíveis, chamadas então de “frequências próprias” . No caso de um balanço infantil, só há uma frequência própria de oscilação, valor que depende do comprimento. Assim para a criança conseguir transferir energia para ela (e com isso ganhar altura) é preciso que ela balance o corpo na mesma frequência. E quando isso ocorre dizemos que o balanço entrou em ressonância.
Quando ocorrem excitações periódicas sobre o sistema, como quando o vento sopra com freqüência constante sobre uma ponte durante uma tempestade, acontece um fenômeno de superposição de ondas que alteram a energia do sistema, modificando sua amplitude.Se a freqüência natural de oscilação do sistema e as excitações constantes sobre ele estiverem sob a mesma frequência, a energia do sistema será aumentada, fazendo com que vibre com amplitudes cada vez maiores.

Um caso muito famoso deste fenômeno foi o rompimento da ponte Tacoma Narrows, nos Estados Unidos, em 7 de novembro de 1940. Em um determinado momento o vento começou soprar com freqüência igual à natural de oscilação da ponte, fazendo com que esta começasse a aumentar a amplitude de suas vibrações até que sua estrutura não pudesse mais suportar, fazendo com que sua estrutura rompesse.

O caso da ponte Tacoma Narrows pode ser considerado uma falha humana, já que o vento que soprava no dia 7 de Novembro de 1940 tinha uma frequência característica da região onde a ponte foi construída, logo os engenheiros responsáveis por sua construção falharam na análise das características naturais da região. Por isto, atualmente é feita uma análise profunda de todas as possíveis características que possam requerer uma alteração em uma construção civil.

Imagine que esta é uma ponte construída no estilo pênsil, e que sua frequência de oscilação natural é dada por:

Ao ser excitada periodicamente, por um vento de freqüência:

A amplitude de oscilação da ponte passará a ser dada pela superposição das duas ondas:

Se a ponte não tiver uma resistência que suporte a amplitude do movimento, esta sofrerá danos podendo até ser destruída como a ponte Tacoma Narrows.

 

Ponte de Tacoma vibrando no modo longitudinal.    
Ponte de Tacoma vibrando no modo torsional.   Vídeo demonstrando o fenômeno da ressonância na ponte de Tacoma:  

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

                                                                                                                                                                                                                       

  

A ressonância também está presente nos instrumentos musicais. Por exemplo, as cordas de um violão vibram com frequências bem determinadas, e a frequência determina a nota musical emitida. Altera-se a nota musical variando o comprimento da corda,apertando os trastes.Além disso existe a caixa de ressonância do violão – o corpo do violão vibra em ressonância com a onda sonora produzindo um reforço, aumentando a intensidade do som.

Modos de vibração de uma corda de violão

Uma corda de violão bem esticada  é colocada entre dois pontos fixos. Você dedilha essa corda e ela vibra, emitindo um som. É claro que as extremidades da corda, que estão presas, não vibram. Outros pontos da corda vibram com maior ou menor deslocamento. Vamos dar nomes aos bois: pontos da corda que não vibram serão chamados de NÓS da corda vibrante. Pontos que vibram com deslocamento máximo serão chamados de ANTINÓS da corda vibrante. As extremidades presas, é claro, sempre são NÓS, mas podem haver outros NÓS na corda.

A animação ao lado mostra uma possível forma de vibração da corda, com os dois nós das pontas e um antinó no meio da corda. Nessa animação, o deslocamento está super-exagerado para facilitar a visualização. Na corda de violão esse deslocamento não passa de um milímetro. Acontece que esse é o jeitão preferido de uma corda de violão vibrar, com um nó em cada ponta e um antinó no meio. Esse modo de vibrar é chamado de MODO FUNDAMENTAL da corda vibrante.

Modo fundamental de uma corda vibrante. N = nó. A = antinó.

Certo, mas a corda também pode vibrar de outros jeitos, desde que as pontas sejam nós. Na animação ao lado, além dos dois nós das pontas surge mais um nó no meio da corda. Esse é outro modo de vibração possível da corda, chamado de PRIMEIRO HARMÔNICO. Você então pergunta: o nó interno pode ficar noutra posição, por exemplo, a um terço de distância de uma das pontas? Não pode: essa forma de vibrar simplesmente não acontece. A simetria geométrica tem de ser mantida.

Primeiro harmônico da corda vibrante. N = nó. A = antinó.

A animação ao lado mostra ainda outro modo de vibraçào possível da corda. Nesse modo, chamado de SEGUNDO HARMÔNICO, aparecem dois nós internos, além dos nós das pontas. Agora você já pode imaginar outros modos harmônicos, com maior número de nós internos.

Segundo harmônico da corda vibrante.

 

O número de vezes que a corda vibra por segundo chama-se FREQÜÊNCIA da vibração. Ela é medida em Hertz, sendo 1 Hertz igual a uma vibração por segundo. Quanto maior afreqüência de um som, mais agudo ele será. A freqüência natural de vibração de uma corda depende do material da corda, de sua espessura e da TENSÃO com que ela está esticada. Os harmônicos têm freqüência que são Multiplos (2 vezes, 3 vezes, etc) da freqüência do modo fundamental. Quanto mais tensa a corda,maior a freqüência da vibração.No violão, se você dedilhar a quinta corda solta, isto é, sem apertá-la em nenhum ponto, ela vibra com uma freqüência de 440 Hertz, se estiver bem afinada, emitindo  o som da nota LA. O músico começa a afinar um violão aumentando ou diminuindo a tensão da corda,usando a tarraxa. As outras cordas são afinadas por comparação com a quinta. Um músico de ouvido absoluto afina o violão sem precisar de nenhuma ajuda .Mas podemos usar também outros meios de afinar os instrumentos musicais como o DIAPASÃO ou, mais modernamente, um instrumento eletrônico.

Se você quiser ouvir o som dessa nota LA, com freqüência de 440 Hertz, dê um clique no link ao lado.

SOM DO LA 440