Introdução à Acústica

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Introducao
A acústica é o ramo da física associado ao estudo do som e dos fenômenos a ele relacionados. O som é um fenômeno ondulatório causado pelos mais diversos objetos e se propaga através dos diferentes estados físicos da matéria. Em acústica temos: fontes sonoras; meios de propagação com anteparos que causam difração, reflexão ou absorção; e receptores. As fontes sonoras podem ser abstraídas para pontuais, em linha ou de superfície. Além disso, as fontes sonoras podem ter padrões de diretividade diferentes, como os monopolos, dipolos, quadrupolos e outros; muito estudados na aeroacústica, uma subdivisão da acústica.
O meio de propagação do som possui propriedades físicas que podem ser mensuradas, e em geral a pressão sonora é a propriedade de maior interesse. A pressão sonora é uma oscilação da pressão absoluta do meio no qual a onda se propaga. No caso do ar no planeta Terra, a pressão atmosférica possui uma ordem de grandeza muito maior que a pressão sonora, sendo a primeira da ordem de 10 325 Pa, e a pressão sonora audível de 20 micro Pa até cerca de 1 000 Pa. Veja que a pressão sonora audível varia tanto com a frequência na qual a onda sonora se propaga, esse estudo está associado a audibilidade, um tópico da psicoacústica.
A onda sonora pode ser descrita em termos de uma equação matemática contendo a amplitude da pressão sonora e uma relação de fase da pressão e da velocidade de partícula, para um ponto do espaço no meio que a onda se propaga. Essa equação considera a velocidade da onda sonora no meio e, em geral, tal velocidade varia com a temperatura do meio de propagação.
ACÚSTICA
Chama-se som as ondas mecânicas que sensibilizam nossa audição.Costumamos, naturalmente, valorizar a visão como o sentido mais importante que possuímos, mas nos esquecemos que a percepção do som apresenta algumas vantagens em relação a percepção da luz. 
Por exemplo, quando misturamos duas radiações puras, tais como a vermelha e a amarela, nossa visão não as percebe separadamente; o que veremos é uma cor alaranjada. Já com a audição conseguimos identificar vários sons diferentes, mesmo recebendo-os em conjunto. Por exemplo, fechando os olhos e prestando atenção ao ouvir uma orquestra, podemos identificar cada um dos vários instrumentos que atuam simultaneamente.
 Ondas sonoras
 As ondas sonoras são ondas longitudinais que se propagam no ar e em outros meios.
Elas têm origem mecânica e, portanto, não se propagam no vácuo.
 A sensibilidade do ouvido humano às ondas sonoras varia de uma pessoa para outra; e
para uma mesma pessoa, varia com a idade. Os parâmetros médios adotados são 20 Hz, as vibrações
são chamadas de infra-sons; acima de 20.000 Hz, chamam-se ultra-sons.
 velocidade do som
 Por ser uma onda mecânica, o som normalmente se propaga mais rapidamente nos sólidos do que nos líquidos, mais rapidamente do que nos gases.
Comparando a velocidade do som com a velocidade da luz, temos:
	Som
	Solidos
	Liquidos
	Gases
	Não se propaga no vacuo
	Luz
	Solidos 
	Liquidos 
	Gases 
	Vacuo=c
Como o som e onda, a sua velocidade ( v ), a sua freqüência ( f ) e o seu comprimento de onda ( λ ) se
relacionam por: v = λf
	Ar a 0 °C
	331m/s
	Ar a 15 °C
	340m/s
	Água a 20 °C
	1.42m/s
	Ferro
	4.480m/s
	Aço 
	5.941m/s
	Aluminio 
	6.420m/s
 A percepção do som
 Há varias grandezas físicas que caracterizam um som. Intensidade é uma delas. As ondas sonoras podem ser mais intensas (“som forte”) ou menos intensas(“som fraco”).
 A altura e uma outra qualidade do som. E ela que nos permite diferenciar entre um som grave e um som agudo. Som grave e o som de baixa freqüência; som agudo e o de alta freqüência. A voz do homem é mais grave do que a da mulher; ou seja, a voz da mulher e mais aguda que a do homem. Uma terceira qualidade do som é o timbre.
O timbre nos permite distinguir entre sons de mesma freqüência (mesma altura) e de mesma intensidade, emitidos por fontes diferentes. Por exemplo, distinguimos se uma mesma nota musical e 19 produzida por um piano ou por uma flauta porque o timbre do som de um instrumento difere do timbre de outro, pois produzem em nosso aparelho auditivas sensações diferentes.
 Propriedades das ondas sonoras
 Uma onda sonora pode sofrer reflexão, refração, difração ou interferência. Somente não ocorre a polarização, porque o som se constitui de ondas longitudinais, não transversais.
 Vamos ao estudo da reflexão sonora. Todas as nossas sensações correspondem a uma combinação entre os órgãos sensitivos e a nossa mente. Um aspecto comum a todas as nossas sensações é que elas não são instantâneas. Começam, perduram uns pequenos intervalo de tempo e se vão. A dor de uma alfinetada, por exemplo: Retirado o alfinete (estímulo), ela ainda continua. 
A compreensão dessa característica e o ponto básico para entendermos eco e reverberação. Vamos admitir que, recebida uma vibração auditiva, por mais curta que seja, a sua sensação perdure um décimo de segundo. Esse intervalo de tempo (rΔt=0,1s) se denomina remanescência.
 Para entender o que é reverberação, suponhamos que uma pessoa (receptor) receba dois sons o primeiro chega diretamente de uma fonte sonora, e o segundo após o som ter refletido em uma barreira qualquer.
 Quando umapessoa recebe um segundo som antes que termine o tempo de remanescência do primeiro, acontece uma superposição de ambos. O resultado e uma sensação única, mais intensa e prolongada, chamada de reverberação do som. E o tempo de remanescência que nos dá noção das dimensões de um ambiente em que um som se propaga. Quando conversamos em campo aberto, não há reforço para o som direto; nossa voz, por exemplo, parece mais fraca, e os sons ficam mais curtos.
 O tempo de reverberação poderá ser prolongado se tivermos vários sons refletidos. Duas superfícies frontais lisas e rígidas favorecem a ocorrência desse fenômeno. Para que haja eco, o som refletido deve chegar ao receptor com um atraso maior do que o tempo de ramanescência. 
Analisemos uma situação de uma pessoa que esteja de frente para uma barreira. Ela pode ouvir o som da própria voz de dois modos: diretamente ou refletido na barreira. O som refletido chega de volta ate ela após um intervalo de tempo dado por:.
 Ocorre o fenômeno eco quando Δt > Δt r ( Δt r = 0,1s). Considerando-se a velocidade do som no ar 340 m/s, uma pessoa deve estar a 17 m de uma barreira para ouvir o eco da própria voz.
 Ressonância
 Qualquer sistema mecânico possui um ou mais modos de vibração livre. A cada um dos modos de vibrar corresponde uma freqüência que chamamos de freqüência natural. Uma corda fixada em seus dois extremos possui vários modos de vibração. Um que chamamos de modo fundamental, e os outros, formados de freqüências múltiplas do modo fundamental, que chamamos de modos harmônicos. 
É possível, no entanto, fazer uma corda vibrar com a freqüência que quisermos. Claro que não será uma oscilação livre. Quando temos uma fonte forçando um sistema qualquer a oscilar, ocorre uma oscilação forçada.
Engenharia acústica
A engenharia acústica é a parte da engenharia que estuda a resolução de problemas relacionados ao som. O estudo pode se dar em termos de ruído, e vibração. Isto se aplica a diversas situações práticas como controle de ruído industrial, controle de ruído ambiental, acústica arquitetônica, controle de vibrações em máquinas e equipamentos, reprodução, auralização e síntese de fontes sonoras, e assim por diante. No entanto, a pesquisa em engenharia acústica vem sendo conduzida em muitas universidades, notadamente nos departamentos de Engenharia Mecânica, Engenharia Elétrica e Física
Física acústica
No espaço livre, a intensidade de energia da onda diminui na medida em que ela se afasta da fonte sonora. Quando é dobrada a distância entre a fonte e o receptor, a intensidade do som cai 6 dB em campo livre e considerando uma fonte pontual e 3 dB considerando uma fonte de linha sobre um plano refletor.
Uma fonte sonora produz variações de pressão no ar, diminuindo sua densidade, comprimindo-o numa onda progressiva,cujo formato esférico se move à velocidade de 340 m/s.
Otto von Guericke, em 1650, provou que o som não se propaga no vácuo. Jakob I. Bernouilli e Leonhard Euler, no século XIX demonstraram que ao vibrarem hastes metálicas, foi possível determinar variações de velocidades do som em diferentes meios físicos.
Os fenômenos físicos relacionados à acústica são a ressonância e o Efeito Doppler.
Psicoacústica
A psicoacústica se preocupa com as sensações auditivas produzidas pelo som audível.
Som audível
Som torna-se audível se a pressão sonora for entre 0,00002 Pa e 200 Pa e a frequência estiver entre 20 e 20 000 Hz.
Sensibilidade do sistema auditivo
A sensibilidade auditiva está máxima entre 600 e 4 000 Hz, e diminui significativamente abaixo e acima desses limites como mostra a curva do limiar da audição.
A sensação de volume sonoro pode ser aproximada por uma grandeza que depende de forma logarítmica da grandeza física pressão sonora. Esta grandeza é o nível de pressão sonora NPS que usa a pseudounidade decibel - dB - para indicar que se trata de uma grandeza logarítmica. Usa-se a décima parte (deci) do Bel dado que 1 dB corresponde aproximadamente à menor diferença de volume sonoro que é percebida. A pressão de 0,00002 Pa (menor pressão sonora que produz uma sensação auditiva) corresponde a 0 dB e a maior pressão sonora audível que é de 200 Pa corresponde a 140 dB.
O sistema auditivo como analisador sonoro
Em 1863, Helmholtz fez estudos sobre a análise dos sons e a teoria da audição para explicar como se faz, na cóclea (parte anterior do labirinto, ou orelha interna), a discriminação da frequência dos sons. Porém, foi Békésy quem conseguiu explicar nos anos 1940 como funciona a discriminação das frequências dos sons no ouvido interno.
Fenômenos psicoacústicos
Os fenômenos psicofísicos (psicoacústicos) relacionados à acústica são o eco, a reverberação, o batimento, o volume sonoro, a intensidade de flutuação, a agudeza, a tonalidade e a roughness.
Acústica arquitetônica
Os especialistas de acústica arquitetônica estudam o comportamento do som em recintos fechados ou semiabertos e a transmissão sonora entre recintos. A absorção do som é importante no caso de se estudar o comportamento do som em recintos fechados ou semiabertos, a fim de garantir boa inteligibilidade da fala ou da música, conforto ambiental. O isolamento sonoro nas edificações em geral, assim como nos projetos urbanísticos, é importante para minimizar a propagação de sons indesejados e assim minimizar os efeitos negativos dos mesmos. Exemplos da acústica arquitetônica são as conchas acústicas de teatro ao ar livre ou a acústica em igrejas.
Numa sala fechada, a onda sonora é refletida várias vezes pelas paredes, teto e piso. Chamamos esse fenômeno de reverberação, sendo que o tempo de reverberação[2] é definido como o intervalo de tempo que leva para um som interrompido decair 60 dB nesta sala fechada. Cada sala possui um valor ideal em termos do tempo de reverberação, dependendo do uso do ambiente.
Acústica ambiental
Os especialistas em acústica ambiental estão preocupados com a proteção do ruído aéreo, rodoviário, ferroviário e ruído gerado pelos equipamentos para os receptores sensíveis ao ruído, tais como habitações, escolas, hospitais, áreas verdes protegidas, etc..
Em muitos países (e em muitos municípios) as leis preveem limites de emissão de ruído destes emissores. Estes limites podem ser absolutos ou relativos ao ruído medido acima da introdução da nova fonte de ruído.
O manejo do ruído ambiental é feito através da monitorização do ruído, a modelagem do ruído gerado pela introdução de novas fontes, e determinação das medidas de mitigação em conformidade com os limites da lei (ou pelo menos chegar perto desses limites por todos os meios práticos possíveis).
As medidas de mitigação mais eficazes são as fontes, mas nem sempre a mitigação é possível. A segunda alternativa é introduzir barreiras acústicas entre as fontes e os receptores. Se esta alternativa não é praticável, a mitigação deve acontecer no receptor, por exemplo com a introdução de janelas de painel duplo.
Música
A observação de que a altura do som produzido por uma corda vibratória varia com o seu comprimento é atribuída a Pitágoras (século VI a.C.) descoberta que o levou à da escala musical, em que ainda se baseia a música ocidental.
Na música, a acústica é importantíssima, pois sem o estudo desta não é possível o desenvolvimento e o processo de criação artística. Sem o estudo do som, suas combinações, harmonia, interações entre as notas musicais não existe.
Medicina e fonoaudiologia
A medicina e a fonoaudiologia são as áreas que mais estudam os efeitos benéficos e maléficos da acústica na fisiologia humana. O interesse é focado nas pregas vocais e no sistema auditivo humano.
Além disso, usam-se diferentes métodos acústicos para alívio de dores, destruição de cálculos, tratamentos dos mais diversos e para o diagnóstico, por exemplo no caso do estetoscópio ou do ultrassom.
Aeroacústica
A Aeroacústica estuda a propagação sonora na presença de escoamento de fluidos. O escoamento pode ocasionar som, sendo no caso de tubos algo desejável tendo por exemplo instrumentos musicais (flautas, órgãos, trompetes, trombones, saxofones, e outros). Entretanto, o som gerado pela interação do escoamento com superfícies rígidas pode ocasionar ruídos indesejáveis. A Aeroacústica computacional ou CAA (Computational AeroAcoustics) é o ramo da aeroacústica que estuda a modelagem de fenômenos acústicos usando programas de computador que aliam simulações da mecânica dos fluidos com fenômenos ondulatórios e sonoros.