FenôMenos Com Ondas Sonoras

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FenôMenos Com Ondas Sonoras

  1. 1. Fenômenos que ocorrem com as ondas sonoras:<br />Ressonância – Difração – Absorção – Reflexão – Refração - Interferência<br />Ressonância<br />A natureza usa muitos processos para transmitir informações de um corpo para outro. A ressonância é um deles e consiste numa curiosa interação entre dois sistemas. Para esse fenômeno bastante comum na natureza o dicionário dá a seguinte definição: “ressonância é repercussão; é o fenômeno pelo qual um corpo é posto a vibrar por influência de outro”. Quando determinado corpo, como uma porção de ar numa cavidade, vibra em ressonância com algo, dizemos que ele é ressonante, que ressoa ou que ressona. Em geral, qualquer sistema capaz de oscilar (mecânico, elétrico, acústico) pode ressoar, em determinada freqüência; ele só não oscila se estiver na temperatura do zero absoluto.<br /> Vejamos alguns exemplos de ressonância em sistemas mecânicos que ocorrem na vida diária, onde podemos observar diretamente a vibração causada pela ressonância. <br />a) Quando alguém anda a cavalo, deve entrar em ressonância com o trote; deve ajustar sua freqüência de sobe e desce com a freqüência do trote, senão o resultado pode ser desastroso; b) Uma pessoa que queira puxar a corda de um sino deve ajustar seu movimento com as descidas do badalo do mesmo; c) Uma máquina em funcionamento às vezes origina vibrações em objetos próximos a ela por causa da ressonância; isso costuma ser evitado, mudando-se a freqüência de vibração da máquina ou do receptor. <br />Devemos lembrar que em todo sistema oscilante três conceitos são fundamentais: o período de oscilação, a freqüência e a amplitude. Alguns sistemas, como o pêndulo simples, têm apenas uma freqüência própria de oscilação, porém os sistemas complexos têm várias. Se tentarmos comunicar ao sistema qualquer freqüência talvez ele oscile, mas com pequena amplitude; Se lhe comunicarmos alguma de suas freqüências próprias, seu movimento adquire a maior amplitude possível - toda a energia fornecida é assimilada pelo sistema. Por exemplo, quando empurramos uma criança no balanço: a cada empurrão dado em concordância com o seu movimento a amplitude aumenta, visto que sistema recebe a energia aplicada; Se o empurrão for em sentido contrário ao movimento, a amplitude diminui.<br />Vejamos o caso de uma corda esticada, que tem várias freqüências naturais. A condição para a corda entrar em ressonância é receber uma vibração com uma de suas freqüências naturais (pode ser a mão de alguém movendo a corda). Então aqui poderíamos perguntar: por que a corda tem mais de uma freqüência de ressonância? A corda tem elementos distribuídos, e cada um têm propriedades inerciais e elásticas. Por esse motivo, a corda tem inúmeros modos de vibração (correspondentes às variações das energias cinética e potencial dos seus elementos). Se a corda estiver fixa nas duas extremidades, a onda formada pode vibrar com muitas freqüências diferentes, como as cordas de um violão. <br />Difração<br />Ao encontrar um obstáculo a onda pode se difratar, isto é, pode contornar o obstáculo quando é parcialmente interrompida por ele. A difração ocorre em bordas laterais (como ondas na água contornando uma pedra), em bordas superiores (como o som passando por cima do muro) ou num orifício existente no próprio obstáculo (como a luz passando no buraquinho de uma parede). No caso de orifícios, a difração será maior quanto menor for o tamanho deles. É claro que o comprimento de onda e o orifício devem ter aproximadamente a mesma ordem de grandeza. Assim, a onda luminosa somente irá difratar no buraquinho da parede se este tiver um diâmetro da ordem de 10-7m, visto que o comprimento de onda tem essa ordem de grandeza.<br />No caso das bordas, a difração será maior quanto maior for o comprimento da onda; Temos como exemplo que os sons graves “passam” mais facilmente os muros do que os agudos. O comprimento das ondas sonoras é grande, comparado ao das ondas luminosas, mas também são grandes os obstáculos que elas encontram (porta, prédio, morros..). Como as ondas do som têm aproximadamente a mesma ordem de grandeza dos obstáculos, elas conseguem contorná-los. Percebemos isso ao ouvirmos os ruídos da rua vindos de longe. Ou quando falamos alto dentro de casa, as pessoas que estão nos outros cômodos podem nos ouvir. <br />Absorção<br />Quanto mais perto estamos da fonte, maior será a intensidade do som que ouvimos iremos, por ser menor a perda de energia no caminho. Mas às vezes torna-se necessário “absorver” sons, principalmente ruídos, para melhorar a sonoridade do ambiente. Por exemplo, quando pretendemos conversar, ouvir música ou estudar, qualquer ruído perturba. Se eliminarmos os sons que atrapalham, nossa conversa e audição se tornarão mais agradáveis.<br />Aliás, cada um deve fazer a sua parte para evitar que sons desagradáveis perturbem o ambiente. A indústria automobilística, por exemplo, não consegue eliminar totalmente os ruídos produzidos por um veículo; mas preocupa-se em colocar barreiras e filtros para atenuá-los. Por isso os carros modernos são mais silenciosos que os antigos.<br />Os filtros geralmente dissipam a energia sonora por reflexão nas paredes internas, devido à combinação de tubos, orifícios ou câmaras de diferentes diâmetros, por onde o som deve passar. Um exemplo conhecido são os filtros silenciosos colocados no escapamento do veículo. As barreiras absorvem uma parte da energia, refletem outra e deixam passar o restante através dela. Há lugares onde é importante usar barreira para absorver a energia sonora, como em cabines de rádio e estúdios de gravação. A eficiência de uma barreira acústica será proporcional à densidade do material e à freqüência do som que se quer absorver. <br />Reflexão<br />Qualquer onda pode refletir ao atingir um obstáculo, que pode ser uma parede, o teto, um meio diferente, etc. A reflexão consiste na mudança do sentido de propagação da onda, ou seja, a onda bate e volta. É devido à reflexão da onda que se formam as ondas estacionárias. Em cordas, molas, tubos sonoros, na membrana de um tambor, as ondas formadas refletem ao encontrar um obstáculo; As ondas refletidas então interferem com as ondas incidentes e geram ondas estacionárias. <br />Um evento decorrente da reflexão, bastante conhecido pelas pessoas, é o eco. Para ouvirmos um eco é preciso que a emissão e o retorno do som ocorra no intervalo de tempo, no mínimo, de 0,1s. Como a onda percorre a distância de 2x entre ida e volta, com a velocidade em média de 340 m/s (no ar), a distância mínima entre a fonte sonora e o obstáculo deve ser de 17m. O eco é utilizado em vários dispositivos, entre eles o radar, que funciona emitindo ondas para localizar objetos, da mesma maneira que faz o morcego.<br />Se o eco é um evento conhecido, a reverberação nem tanto. Ela também decorre da reflexão, e consiste na persistência do som após haver terminado sua emissão pela fonte. É comum um som reverberar em ambientes amplos e com superfícies lisas, onde a distância entre o ouvinte e a superfície refletora é menor que 17m (menor que a distância exigida para o eco). Na reverberação o som emitido e o refletido chegam juntos ao ouvido num intervalo menor que 0,1s, tornando-se difícil percebê-los separadamente. <br />Tanto o eco quanto a reverberação não devem ocorrer em salas acústicas. Para que estas tenham uma boa sonoridade, os sons devem ter uma reflexão normal em direção a qualquer ouvinte (por esse motivo o palco é mais estreito que o auditório).<br />Refração<br />Outro fenômeno típico das ondas é a refração, isto é, o desvio e mudança de velocidade que elas sofrem ao mudar de meio (o que acaba reforçando a importância do meio material na velocidade de propagação da onda). Na refração, o obstáculo é apenas um meio diferente, em que a onda ou parte dela consegue passar. Mas o que faz um meio ser diferente? A densidade, a pressão, a temperatura, a substância que compõe o meio, por exemplo: a passagem da onda da água para o ar, de uma corda fina para uma corda grossa, do ar a 12 ºC para o ar a 28 ºC, de uma profundidade de 14m a uma de 1m. A chance de a frente de onda encontrar meios refratores é grande, pois os meios não são completamente homogêneos (de mesma natureza) nem isótropos (com as mesmas propriedades em todas as direções).<br />A mudança de velocidade no novo meio é que faz a onda mudar de direção. Na passagem do ar para a água, a velocidade da onda aumenta. Assim, a distância que ela vai percorrer, no mesmo intervalo de tempo que se estivesse no ar, é maior – por isso a sua direção se afasta da normal. Se a velocidade diminuísse, a direção da onda se aproximaria da normal. Esse desvio é portanto, para compensar a diferença de velocidades entre um meio e outro. Além disso, ocorre a mudança do comprimento de onda, de forma que a freqüência se mantém constante – tornando válida a relação f = v / . <br />Interferência <br />Freqüentemente consideramos que duas ou mais ondas passam simultaneamente pela mesma região do espaço. Temos um exemplo disso quando vamos a um show musical, o som de vários instrumentos vêm na direção de nossos ouvidos. O princípio de superposição das ondas diz que “quando várias ondas se combinam numa região do espaço, o deslocamento de qualquer partícula nessa região é igual à soma dos deslocamentos que cada onda provocaria na partícula se atuasse sozinha”. <br />Quando duas ou mais ondas se combinam em um ponto do espaço dizemos que elas interferem, e ocorre o fenômeno chamado interferência.<br />A forma da onda resultante depende da amplitude e da fase das ondas incidentes. Quando duas ondas de mesma amplitude e fase interferem, elas produzem uma onda de amplitude quase duas vezes maior – esse caso chamamos de interferência construtiva. Se as mesmas ondas interferirem, porém defasadas em 180º, elas produzirão uma onda de amplitude próxima a zero – esse caso chamamos de interferência destrutiva.<br />Fig.12 - A superposição de duas ondas de mesmo comprimento de onda e mesma amplitude. Em (a) apresentam pequena diferença de fase, interferem construti-vamente; Em (b) apresentam diferença de 180º na fase, interferem destrutivamente<br />Agora vamos analisar um exemplo de interferência com ondas sonoras:<br />Dois alto-falantes iguais são acionados pela mesma fonte. Em pontos eqüidistantes a eles, ou seja, na linha AB, há interferência construtiva – o som fica mais forte. <br />Há também os pontos P, onde as ondas chegam em fase e a interferência é construtiva: eles estão localizados onde a diferença entre as distâncias aos dois alto-falantes seja um número inteiro do comprimento de onda (1, 2, 3...). <br />Fig.13 – Interferência de ondas sonoras no ponto P.<br />Em outros pontos, a diferença entre as distâncias x1 e x2 fazem as ondas chegarem a P fora de fase, mesmo que saíram em fase da fonte.<br />Então o meio tem pontos de interferência destrutiva, completa ou parcial, onde o som fica fraco ou totalmente mudo para certos comprimentos de onda. A interferência destrutiva máxima ocorre nos pontos onde x1-x2=/2, 3/2, 5/2... <br />Nesse exemplo, um fator importante para a determinação dos pontos de máxima e mínima intensidades de som é a diferença de caminhos [x1-x2] entre as ondas. Para os pontos que não estão na linha AB não haverá interferência destrutiva completa, porque as ondas componentes chegam com amplitudes diferentes e as distâncias até os alto-falantes não são as mesmas.<br />

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