Acústica | Física
A acústica é a parte da física que trata do som e de tudo que a ele se
refere. O fenômeno sonoro compreende aspectos da mais diversa índole,
como a natureza, a produção, a propagação e a recepção do som. Na cadeia
produção-recepção inclui-se a pessoa que recebe seu efeito, o que dá
origem a complexos problemas de percepção.A voz de uma pessoa, as notas de um violino, o trovão que ribomba durante a tempestade, a formação de imagens através dos ultra-sons - tudo isto são diferentes aspectos de fenômenos cujo estudo compete à acústica.
A acústica é uma ciência multidisciplinar - Assim, os físicos investigam a forma como o som é transmitido através da matéria; os engenheiros acústicos procuram obter uma reprodução fiel das ondas sonoras e aproveitá-las mediante dispositivos que transformam a energia acústica em mecânica ou elétrica; e os arquitetos estudam o isolamento e a absorção do som em edifícios. Em outros domínios, os músicos estudam as vibrações básicas, as misturas de sons, os harmônicos etc.; os médicos concentram seu interesse no ouvido e nas cordas vocais das pessoas, bem como na medição dos níveis de ruído; e os linguistas estudam a emissão dos sons pelo homem para chegar a sua forma mais simples, os fonemas.
Histórico da acústica
O estudo científico do som remonta à antiguidade, e atribuem-se a Pitágoras as primeiras experiências de análise dos sons. Por volta do século VI a.C. ele observou que a altura do som produzido por uma corda vibratória varia com o seu comprimento.
Durante a Idade Média não houve contribuições notáveis ao conhecimento científico da acústica. No século XVII, porém, realizaram-se consideráveis avanços. Em 1635, Pierre Gassendi mediu a velocidade do som no ar, encontrando um número próximo ao real. Por volta de 1650, Otto von Guericke demonstrou que o som não se propagava no vácuo, e em 1686, Sir Isaac Newton explicou os mecanismos de propagação. No princípio do século XVIII, Brook Taylor, reduzindo o movimento de uma corda vibratória a seus princípios mecânicos, produziu uma fórmula que em 1747 Jean le Rond d'Alembert viria a demonstrar em Pesquisas sobre as cordas vibratórias. Jakob I. Bernouilli e Leonhard Euler estudaram a vibração das hastes metálicas.
No início do século XIX determinou-se a velocidade do som em diferentes meios, e pouco depois Jean-Baptiste-Joseph Fourier analisou em profundidade os fenômenos ondulatórios que serviriam de base aos estudos do alemão Mathias Hermann. Mais tarde, Christian Doppler descobriu o efeito perturbador da velocidade sobre o som, e no fim do século foi criado o primeiro aparelho capaz de reproduzir um som previamente gravado (o fonógrafo de Thomas Alva Edison) e iniciaram-se as investigações no amplo campo que relaciona a acústica com a eletricidade, no qual se destacam as figuras de Edison e Alexander Graham Bell, o inventor do telefone.
No século XX desenvolveram-se várias técnicas que permitiram o transporte do som a grandes distâncias por meio da telefonia; a gravação e reprodução dos sons em fita magnética, discos e filmes; a produção de sons sintéticos, por via eletrônica; o emprego de ondas acústicas para a detecção de objetos, através do radar, do sonar (para localização de submarinos e cardumes) e dos ecógrafos (para diagnóstico em medicina interna); e muitas outras aplicações relacionadas com os ultra-sons.
Natureza do som
Quando um corpo vibratório modifica sua posição de repouso, ou de equilíbrio estático, movimenta o ar que o circunda. A compressão das partículas, em sua frente, e o vácuo correspondente, na parte posterior, a ele se transferem progressivamente e se afastam do foco. Quando o corpo modifica sua posição no sentido contrário, a compressão e o vácuo se reproduzem de modo inverso. O ar assim perturbado se movimenta segundo um modelo ondulatório. Os trens de ondas chegam através do ar ao ouvido, e produzem em seu interior a sensação auditiva, conhecida como som.
As partículas materiais submetidas a esse fenômeno movem-se na mesma direção que a onda. Trata-se, pois, de ondas longitudinais, que se afastam a partir da fonte em sentido radial. As ondas podem ser submetidas a processos físicos da mais diversa natureza, como a reflexão, a refração, a difração, a interferência ou a absorção. Para sua propagação é necessário que exista um meio, cuja densidade e temperatura determinem a velocidade do som emitido. A transmissão de ondas implica transferência de energia através do espaço.
Características dos sons
Chamam-se de sons simples aqueles que obedecem a modelos senoidais, e que correspondem, portanto, à representação da função trigonométrica seno. Em geral, cada um dos sons percebidos pelo ouvido humano é constituído por um conjunto de componentes sônicos simples, caracterizados por sua intensidade e frequência.
Define-se em geral a intensidade de um som como a quantidade média de energia transportada pela onda, por unidade de superfície e por unidade de tempo, através de uma superfície perpendicular à direção de propagação da onda. O valor dessa grandeza está relacionado à densidade do fluido em que as ondas se propagam, a sua amplitude e à velocidade.
Outras qualidades essenciais para se definir a natureza do som são a altura (distingue em graves ou agudas as sensações sonoras e está relacionada de perto à frequência) e o timbre. Essa última característica permite distinguir sons de igual altura e intensidade emitidos, por exemplo, por duas vozes ou dois instrumentos musicais diferentes, e está vinculado ao número de harmônicos que complementam um som simples, ou seja, são emitidos simultaneamente com esse último. A frequência de tais harmônicos é um múltiplo exato do som fundamental.
Velocidade
Entende-se por velocidade do som a rapidez da propagação das ondas acústicas em um dado meio. Por conseguinte, não se pode dizer que o som tenha uma só velocidade; ela é diferente para cada situação. Seu valor é determinado pelo meio, pela temperatura e pela pressão. A velocidade do som no ar, à temperatura de 20o C e pressão atmosférica normal, é de 344 metros por segundo; na água do mar, essa velocidade é de 1.490 m/s.
Medição
Os fenômenos relacionados com a intensidade do som abrangem um vasto campo. Assim, a relação entre a potência sonora de um suave murmúrio captado pelo ouvido e o estrondo produzido por um motor-foguete pode ser de 1 para 1017. A medição do som é realizada por comparação de potência, e sua unidade prática é o decibel (dB), submúltiplo da unidade sistemática, o bel (B).
O nível de potência do som é determinado pela fórmula N = 10 log W/Wo dB, onde W é a potência do som em watts e Wo a potência de referência. Em vista disso, define-se um som como a expressão de um excesso ou de uma falta de decibéis em relação a um valor prefixado.
Produção de ondas acústicas
O mecanismo de produção das ondas sonoras tem efeitos distintos, de acordo com o valor da frequência do fenômeno. As ondas de frequência inferior a vinte mil hertz são familiares e aparecem em três manifestações distintas: o ruído, a música e a voz humana. Acima desse valor, têm-se os ultra-sons, que alcançam frequências elevadíssimas. Imperceptíveis pelo ouvido humano, são porém captadas por alguns animais.
Dá-se o nome de ruído a todo som que, subjetivamente, seja classificado como desagradável ou indesejado. O ruído resulta da combinação de sons de uma única frequência, ou tons puros, e apresenta irregularidade no espectro (gama de frequências) contínuo ou no comprimento de onda. Por outro lado, a música é definida como uma sensação mental subjetiva e complexa, produzida por uma sucessão ou combinação de sons diferentes, que têm origem em corpos vibratórios, tais como cordas, membranas ou colunas de ar. Ao contrário do ruído, os sons musicais apresentam uma estrutura harmônica simples, de ondas regulares.
Os sons produzidos pela voz humana constituem ondas acústicas complexas. O sistema que os produz é formado por um conjunto que exerce a função de fole (diafragma, pulmões, brônquios e traqueia), um vibrador (laringe e cordas vocais), ressoadores (nariz, boca, garganta, cabeça etc.) e articuladores (lábios, língua, dentes e palato). A frequência da voz é determinada pelas cordas vocais.
Propagação das ondas acústicas
Tal como qualquer fenômeno de natureza ondulatória, as ondas que percorrem um meio material podem sofrer reflexão, refração, difração, dispersão, interferência ou absorção.
Assim, por exemplo, uma onda acústica é refletida sempre que existir descontinuidade ou mudança do meio em que se propaga. Fenômeno associado de perto à reflexão é o eco. Trata-se de um som definido ou distinguível que se escuta separado ou retardado, em resultado da reflexão da onda sonora. Quando o retardo é inferior a um décimo de segundo, o ouvido não percebe a separação e os sons se superpõem na forma de eco de reverberação. Esse processo acústico, fundamento do sonar, é aplicado na detecção de objetos e embarcações submersas, no transporte e na navegação.
Quando as ondas transmitidas encontram uma descontinuidade entre diferentes meios, uma parte delas se reflete e outra penetra no novo meio, produzindo-se um desvio na trajetória. Nisso consiste o fenômeno da refração.
Tem-se a difração quando as ondas contornam um obstáculo interposto na trajetória de propagação. A interferência resulta da superposição de ondas da mesma frequência e amplitude, que reforçam ou neutralizam as primitivas. A dispersão é consequência do choque de ondas curtas contra obstáculos grandes ou de ondas longas contra obstáculos pequenos.
Outros fenômenos acústicos de interesse são a filtragem, processo de eliminação de determinadas frequências; e a absorção, que é a perda de energia que ocorre sobretudo quando a onda se propaga através de um meio sólido ou líquido.
Recepção das ondas acústicas
Transmitidas através de diferentes meios, as ondas chegam enfim ao elemento sensível que as recebe e extrai a informação nelas contida. Quando a frequência varia de vinte a vinte mil hertz aproximadamente, o elemento sensível pode ser o ouvido humano. Abaixo do limite inferior situam-se as ondas subsônicas não audíveis; acima do limite superior, têm-se as ondas ultra-sônicas. Em ambos os casos, o elemento sensível se comporta como um transformador que converte a energia acústica em outro tipo de energia aproveitável.
O ouvido atua como um transdutor eletroacústico que modifica as vibrações recebidas e as converte em impulsos elétricos perceptíveis pelo nervo auditivo, mais sensível às mudanças de frequência que às de intensidade. De sua parte, o cérebro interpreta os impulsos, dando lugar à percepção do som.
O mecanismo que permite identificar e localizar a direção de uma fonte chama-se audição biaural e se deve à captação de diferentes intensidades acústicas do som que chega a cada um dos ouvidos.
As ondas ultra-sônicas não se propagam a grandes distâncias no ar, embora possam fazê-lo, com moderada atenuação, nos líquidos e nos sólidos. As frequências até 1013 Hz recebem o nome de sônicas; as situadas acima disso são conhecidas como hipersônicas. Estas últimas podem chegar até 1,25 x 1013 Hz.
Os ultra-sons têm múltiplas aplicações. Na indústria são empregados em solidificação, precipitação, aglomeração e emulsão de metais; nos laboratórios, destinam-se à detecção de imperfeições e ao estudo de propriedades mecânicas, físicas, químicas e metalúrgicas dos materiais; na medicina, à localização de tumores e ao diagnóstico; em oceanografia e hidrografia, às medições submarinas, ao levantamento cartográfico e à detecção de cardumes, embarcações e objetos submersos.
O controle e a correção de todos os aspectos negativos que possam afetar a adequada propagação e a boa recepção do som são os objetivos da acústica arquitetônica. Essa disciplina se ocupa do controle da reverberação, da redução e do isolamento do ruído e da absorção e distribuição do som.
A reverberação é a persistência do som num recinto, em consequência da reflexão em suas paredes. O fenômeno depende do tamanho e da forma do recinto, bem como da frequência do som. O chamado tempo de reverberação é o número de segundos transcorridos para que o ruído diminua em sessenta decibéis, uma vez extinta a fonte.
O ruído (vibrações, zumbidos etc.) pode ser reduzido com materiais absorventes, silenciadores e câmaras especiais, chamadas anecoicas. O ruído das estruturas, transmitido por paredes, tubulações etc., é amortecido por meio da interrupção da via de transmissão, com abafadores de som. Os ruídos de máquinas, por sua vez, são minorados com silenciadores e filtros que isolam os locais onde elas se acham instaladas.
Um recinto que conte com um tempo de reverberação ótimo, seja livre de ruídos estranhos e possua uma distribuição sonora regular pode ser considerado uma sala acústica ideal. A sala acústica deverá evitar os ecos, os focos pontuais de som, os pontos surdos e as sombras acústicas causadas por obstáculos. Todos esses critérios são levados em conta no projeto de teatros, salas de concerto e locais congêneres.
