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Acústica • Acústica é o estudo das ondas sonoras; • Ondas sonoras são mecânicas, longitudinais e tridimensionais; • Ondas sonoras não se propagam no vácuo; V Fonte oscilando com freqüência f Orelha Tímpano Nervo Cérebro Compressão Rarefação Vibração Acústica – A Freqüência do Som • Infra-som: sons com freqüências abaixo de 20Hz. Não perceptível ao ser humano; • Ultra-som: sons com freqüências acima de 20000Hz. Não perceptível ao ser humano; • Som audível: sons com freqüências perceptíveis ao ser humano (20Hz a 20000Hz) Infra-som Som audível Ultra-som 0 20 20.000 f (Hz) Acústica – A Velocidade do Som • As ondas sonoras propagam-se em meios sólidos, líquidos e gasosos, com velocidades que dependem das diferentes características dos materiais. De um modo geral, as velocidades maiores ocorrem nos sólidos e as menores, nos gases. • A 20°C, o som propaga-se no ferro sólido a 5100m/s, na água líquida a 1450m/s e no ar a 343m/s. ... GasLíqSól VVV Densidade velocidade Acústica – A Altura do Som • qualidade que permite diferenciar um som de alta freqüência (agudo) de um som de baixa freqüência (grave). A altura do som depende apenas da freqüência. Som alto - Freqüência maior - som agudo Som baixo - Freqüência menor - som grave • As notas musicais possuem alturas sonoras diferentes, isto é, cada nota possui uma freqüência característica. Acústica – A Intensidade do Som • qualidade que permite diferenciar um som forte de um som fraco. A intensidade do som está relacionada com energia que a onda transfere e com a amplitude da onda. Um som de maior volume Uma onda sonora de maior amplitude. Maior transporte de energia pela onda Som de maior intensidade Intensidade do Som • Intensidade física: • Unidade no SI: sm J 2 2m W tA E I PotênciaP t E A P I A = Área E = Energia t = tempo P constante A I Intensidade do Som • Mínima intensidade física ou limiar de audibilidade (Io): é o menor valor da intensidade física ainda audível, vale: 2 12 m W 10oI • Máxima intensidade física ou limiar de dor (Imáx): é o maior valor da intensidade física suportável pelo ouvido, vale: 2m W 1máxI Intensidade do Som • Intensidade auditiva ou nível sonoro ( ): oI I log10 • A unidade de nível sonoro, para a equação dada, é o decibel (dB). dBmWI dBmWI MáxMáx oo 1201 010 2 212 • Um ambiente com: 40dB é calmo; 60dB é barulhento mais de 80dB já constitui poluição sonora. Acústica – O Timbre do Som • Qualidade que permite diferenciar duas ondas sonoras de mesma altura e mesma intensidade, emitidos por fontes distintas. • O timbre está relacionado à forma da onda emitida pelo instrumento. Diapasão Flauta Violino Voz (letra a) Clarineta Reflexão do Som • Persistência acústica : menor intervalo de tempo para que dois sons não se separem no cérebro. A persistência acústica do ouvido humano é de 0,1s. • Um ouvinte consegue distinguir dois sons distintos desde que os receba em intervalos de tempo maiores (ou iguais) a 0,1s. • Esse fato possibilita ao observador perceber o fenômeno da reflexão do som em três níveis: eco, reverberação e reforço. Reflexão do Som • t=intervalo de tempo para que o som que foi emitido pelo observador e refletido seja recebido pelo mesmo. t 0s t • Eco: ocorre quando t 0,1s. O observador ouve separadamente o som direto e o som refletido. • Reverberação: ocorre quando t < 0,1s. Há um prolongamento da sensação auditiva. • Reforço: ocorre quando t 0s. Há somente um aumento da intensidade sonora. Freqüências Naturais e Ressonância • Batendo-se numa das hastes do diapasão, as duas vibram com determinada freqüência (normalmente, 440Hz). Essa é a freqüência natural (ou própria) do diapasão. diapasão • Todos os corpos possuem uma freqüência própria (prédio, ponte, copo, etc.). Exemplo de Ressonância • A ponte de Tacoma Narrows entrou em ressonância, provocada pela vibração dos cabos metálicos existentes em sua estrutura. Suas amplitudes de oscilação aumentaram a ponto de provocar sua ruína Cordas Vibrantes • Quando uma corda, tensa e fixa nas extremidades, é posta a vibrar, originam-se ondas transversais que se propagam ao longo do seu comprimento, refletem-se nas extremidades e, por interferência, ocasionam a formação de ondas estacionárias. • A corda, vibrando estacionariamente, transfere energia ao ar em sua volta, dando origem às ondas sonoras que se propagam no ar. A freqüência dessa onda é igual à freqüência de vibração da corda. Assim, uma corda vibrante (ou corda sonora) é uma fonte sonora. Corda Vibrante n L n 2 L V nf V f n 2 1fnfn n= 1; 2; 3.... representa o número do harmônico; V= velocidade da onda na = comprimento de onda da onda na corda; L 1 2 2 1 L L 1o harmônico L 2 2 2 2 L L 2o harmônico L 3 2 2 3 L L 3o harmônico f= freqüência de vibração da corda = freqüência da onda sonora produzida pela mesma corda. Exemplos de Cordas Vibrantes • Na harpa todas as cordas são da mesma espessura, mas possuem tamanhos diferentes para possibilitar sons diferentes (mesma Tração mesma V ; L f ). • No violão todas as cordas são de mesmo tamanho, mas possuem espessuras diferentes para possibilitar sons diferentes (mesmo L corda fina V f ). Tubos Sonoros • Se uma fonte sonora for colocada na extremidade aberta de um tubo, as ondas sonoras emitidas irão superpor-se às que se refletirem nas paredes do tubo, produzindo ondas estacionárias com determinadas freqüências. • Uma extremidade aberta sempre corresponde a um ventre (interferência construtiva) e a fechada, a um nó (interferência destrutiva). Tubos Sonoros – Tubo Aberto n= 1; 2; 3...representa o número do harmônico L 1 /2 1 2 2 1 1 1 L L L 2 /2 2 /2 2 2 2 2 2 2 L L L 3 /2 3 /2 3 /2 3 2 2 3 3 3 L L n L n 2 L V nf V f n 2 1fnfn Exemplos de Tubos Abertos • No trompete e no berrante o som é produzido pelos lábios do executante; • Nos instrumentos de madeira, com o oboé, o som é produzido pela palheta; • Na flauta transversal e nos tubos de órgão o som é produzido por uma aresta em forma de cunha que intercepta o sopro. Tubos Sonoros – Tubo Fechado n L n 4 L V nf V f n 4 1fnfn n=1 ; 3 ; 5 ... representa o número do harmônico. L 1 /4 1 4 4 1 1 1 L L L 3 /4 3 /4 3 4 4 3 3 3 L L 3 /4 L 5 /4 5 /4 5 /4 5 4 4 5 5 5 L L 5 /4 5 /4 No tubo fechado, obtêm-se freqüências naturais apenas dos harmônicos ímpares. Exemplo de Tubos Fechados • A freqüência do som emitido por um tubo sonoro depende do comprimento do tubo • Nota Frequência (Hz) Comprimento (m) Dó 264 0,652 Ré 297 0,579 Mi 330 0,521 Fá 352 0,489 Sol 396 0,434 Lá 440 0,391 Si 495 0,347 Nota Frequência Dó f , Ré 9 f / 8, Mi 5 f / 4 Fá 4 f / 3, Sol 3 f / 2, Lá 5 f / 3, Si 15 f / 8 Exercícios • 3. (Unirio) Dois operários, A e B, estão parados no pátio de uma fábrica. Em certo instante, a sirene toca. O operário B ouve o som da sirene 1,5 s após o operário A tê-lo ouvido. Considerando a velocidade do som constante e de módulo 340 m/s, a distância, em metros, entre os dois operários é: A B Solução - 3 A B VSom tSom ? 340 5,1 d smV st Dados Som Som d md d t d V Som Som 510 5,1 340 Exercícios • 4. (FEI-SP) Quando uma onda sonora atinge uma região em que a temperatura do ar é diferente altera-se:a) a freqüência. b) o comprimento de onda. c) o timbre. d) a intensidade do som. e) a altura do som. Alternativa B f constante Temperatura varia Densidade varia v e Exercícios • 6. (Fatec-SP) Quando uma onda sonora periódica se propaga do ar para a água: a) o comprimento de onda aumenta. b) o comprimento de onda diminui. c) a freqüência diminui. d) a velocidade diminui. e) nda. Alternativa A f constante Densidade aumenta v e aumentam Exercícios • 8. (Fafeod-MG) Uma pessoa, a 680m de distância de um obstáculo refletor, dá um grito e ouve o eco de sua voz. A velocidade do som no ar é de 340m/s. O tempo gasto entre a emissão do som e o momento em que a pessoa ouve o eco, em segundos, é igual a: a) um valor que não pode ser calculado com os dados fornecidos. b) 1 c) 2 d) 4 e) 8 Alternativa D Distância percorrida pelo som d= 2680= 1360m Velocidade do som = 340m/s stt t d V 4 340 1360 Exercícios • 9. (UFU-MG) Um estudante de Física se encontra a uma certa distância de uma parede, de onde ouve o eco de suas palmas. Desejando calcular a que distância se encontra da parede, ele ajusta o ritmo de suas palmas até deixar de ouvir o eco, pois este chega ao mesmo tempo que ele bate as mãos. Se o ritmo das palmas é de 30 palmas por minuto e a velocidade do som é de aproximadamente 330m/s, a sua distância da parede é de: Freqüência das palmas f=30 palmas/min Velocidade do som = 330m/s Intervalo de tempo entres as palmas (T) = tempo de eco (t) Exercícios – Solução 9 Freqüência das palmas f=30 palmas/min Velocidade do som = 330m/s Intervalo de tempo entres as palmas (T) = tempo de eco (t) md d t d V sttttT sT f T spalmasf s palmaspalmas f IDA IDAVOLTAIDA 330 1 330 1 2 21 11 2 1 60 30 min1 30 Exercícios • 15. (FEI-SP) Um jornal publicou, recentemente, um artigo sobre o ruído e sua influência na vida dos seres vivos. Esse artigo comentava, por exemplo, que, se uma vaca ficasse passeando pela Avenida Paulista durante um certo tempo, ela não daria mais leite, e uma galinha deixaria de botar ovos. Considerando Io=10 12W/m2, num local onde o ruído atinge 80dB, a intensidade sonora, em W/m2, é: 241288 12 1212 10101010 10 8 10 log 10 log1080log10 mWII I II I I o Exercícios • (PUC-MG) A figura ao lado mostra uma corda vibrando no estado estacionário. A afirmativa incorreta é: a) O comprimento de onda é 120 cm. b) A corda vibra no terceiro harmônico. c) A distância entre um ventre e um nó consecutivo é 30cm. d) O ponto P da corda vibra em movimento harmônico simples. e) Se a velocidade de propagação vale 7,2m/s, a freqüência de vibração vale 8,64Hz. 1,80m P Exercícios • Pela figura temos: • L=1,80m (comprimento da corda) • n=3 (Terceiro harmônico) 1,80m P m n L n 2,1 3 8,122 33 0,60m 0,3m nó ventre Hzff L V nfn 6 8,12 2,7 3 2 33 Alternativa E Exercícios • (FuvestSP) Um músico sopra a extremidade aberta de um tubo de 25cm de comprimento, fechado na outra extremidade, emitindo um som na freqüência f =1700Hz. A velocidade do som no ar, nas condições do experimento, é V=340m/s . Dos diagramas abaixo, aquele que melhor representa a amplitude de deslocamento da onda sonora estacionária, excitada no tubo pelo sopro do músico, é: a) b) c) d) e) 25cm 20cm 15cm 10cm 0cm 5cm Alternativa E Exercícios • (U. Amazonas-AM) Para medir a freqüência de uma onda sonora, utiliza-se um tubo de secção reta circular, provido de um êmbolo, contendo partículas leves que acompanham as vibrações da onda, indicando a formação de ventres e nós. A figura abaixo mostra a situação em que a posição do êmbolo permite a formação de ondas estacionárias no interior do tubo. Considerando a velocidade do som no ar, dentro do tubo, 340m/s e o comprimento efetivo do tubo 60cm, a freqüência do som, em Hz, é: Alto-falante Êmbolo 60cm Solução • Pela figura: terceiro harmônico • V=340m/s • L = 60cm = 0,6m Alto-falante Êmbolo 60cm Terceiro Harmônico Hzff L V nfn 425 6,04 340 3 4 33
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