Biofísica da Audição

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Biofísica da Audição 
A Biofísica da Audição trata do funcionamento do ouvido, que é um órgão sensor capaz de converter 
ondas sonoras em sinais elétricos que serão interpretados pelo cérebro. 
Ondas sonoras: 
Uma onda mecânica é causada por uma perturbação em um meio material elástico. Tendo o meio 
propriedades elásticas, esse distúrbio se propaga. 
Podemos dizer que uma onda sonora é gerada quando um elemento vibrador causa uma perturbação 
em um meio material que resulta em variações de pressão no meio ao seu redor. 
Caso esse meio seja o ar, essas variações de pressão resultam na rarefação e compressão das 
moléculas do ar que se propagam. 
Uma onda sonora pode também se propagar em sólidos, líquidos e outros gases. 
O som trata-se de uma onda longitudinal, isto é, a perturbação que gera a onda é paralela ao sentido 
de propagação da onda. 
Uma onda sonora tem as seguintes características: 
Podem se superpor, podem interferir construtiva ou destrutivamente, tem amplitude, comprimento de 
onda λ, frequência, sofrem reflexão, refração e atenuação. 
 
Velocidade da onda sonora 
Toda onda carrega uma energia que é proporcional ao quadrado da amplitude A, E α A2. 
Ou seja, quanto maior é a perturbação que uma onda causa no meio, mais energia ela carrega. 
Já a intensidade é a energia por unidade de tempo e de área, I = (E / t S). Ou seja, quanto maior a 
amplitude, maior é a intensidade dessa onda. 
A intensidade está relacionada com o som ser fraco ou forte. 
A frequência está relacionada com o som ser grave (baixa frequência) ou agudo (alta frequência). 
Muitos objetos preferem vibrar em determinadas frequências que são chamadas frequências 
naturais de vibração. Elas dependem de características do objeto, como tamanho, forma, e 
composição. A vibração causada em um objeto por uma onda que tem a frequência natural desse 
objeto é chamada ressonância. Isso causa em um aumento na amplitude de vibração e 
consequentemente intensidade de vibração. 
Quando uma taça de vidro estoura por conta de som, é porque foi enviada uma frequência sonora foi 
igual à frequência natural de vibração da taça. A taça começa a vibrar com amplitudes maiores, até 
que estoura. 
 
Reflexão e transmissão de ondas: 
Se onda passa de um meio a outro, com diferentes características físicas, uma parte dessa sofre 
reflexão, enquanto que outra parte é transmitida para o meio material seguinte. A figura abaixo ilustra 
essa situação. 
 
Quanto maior a diferença de impedância acústica, maior a reflexão. 
↑ impedância acústica no meio ↑ dificuldade de propagação do som 
↓ impedância acústica no meio ↓ dificuldade de propagação do som 
Ouvido humano: 
A função do ouvido é converter uma onda sonora mecânica fraca em estímulos nervosos. 
A audição envolve um sistema mecânico que estimula as células receptoras do som (chamadas células 
ciliadas) a converter essas ondas sonoras em sinais elétricos que serão interpretados pelo cérebro 
mediante a propagação de potencial de ação. 
O ouvido é constituído basicamente de 3 partes: ouvido externo, ouvido médio e ouvido interno. 
 
Ouvido externo: começa com o pavilhão auditivo (orelha), que capta o som e vai até a membrana 
timpânica. 
Ouvido médio: vai da membrana timpânica, passa pelos ossos martelo, bigorna e estribo, e termina 
na janela oval. 
Ouvido interno: onde tem a cóclea, que vai ter as células ciliadas, responsáveis por desencadear esse 
potencial de ação associado à audição, e tem os canais semicirculares, que tem a ver com o equilíbrio 
do nosso corpo. 
Ouvido interno: 
Tem líquido dentro dele. 
O ouvido interno, também chamado labirinto, é cheio de cavidades ósseas e dutos membranosos e 
pode ser dividido em duas porções principais: labirinto ósseo e labirinto membranoso. 
O labirinto ósseo, por sua vez, pode ser dividido em 3 áreas: vestíbulo, cóclea e canais 
semicirculares. 
A cóclea (parece um caracol) contém fluidos e as células sensoriais ciliadas, ela está dividida em 3 
regiões: rampa vestibular, média e timpânica. 
 
O ouvido e o equilíbrio: 
 Os movimentos são registrados pelos canais 
semicirculares; 
 Esses têm no seu interior endolinfa e terminam em bolsas 
dilatadas chamadas ampolas, que contém em seu interior 
células sensoriais sob a forma de um único cílio; 
• Quando movemos a cabeça, a endolinfa, o líquido que 
enche os canais semicirculares derrama-se nas ampolas; 
• O deslocamento do líquido curva as células ciliadas que 
transmitem impulsos nervosos ao cérebro. 
 
 
 
 
Os movimentos da cabeça são analisados pelas células ciliadas da ampola. 
Quando viramos a cabeça, o liquido desloca-se fazendo curvar as células ciliadas, que por sua vez 
emitem impulsos nervosos. 
 
Quando viramos a cabeça numa direção, as células ciliadas curvam-se na direção oposta e os impulsos 
nervosos são modificados. O cérebro pode assim adaptar os movimentos do corpo e conservar o 
equilíbrio. 
 
Por essa razão que quando brincamos de girar, sentimos o chão rodar. 
Ouvido interno: 
A cóclea (parece um caracol) contém fluidos e as células sensoriais ciliadas, ela está dividida em 3 
regiões: rampa vestibular, média e timpânica. 
A rampa média contém a endolinfa, um fluido com elevada concentração de potássio e baixa de 
sódio. As rampas vestibular e timpânica contém a perlinfa, que tem baixa concentração de 
potássio e alta concentração de sódio. As rampas média e timpânica são separadas pela 
membrana basilar, onde se encontra o órgão de Corti com as células ciliadas responsáveis pela 
conversão do sinal sonoro em elétrico. 
O ouvido humano: 
O ouvido humano pode detectar intensidades que vão desde 10-12 W/m2 até 1 W/m2. Como o ouvido 
humano não apresenta uma resposta linear com a intensidade, mas sim logarítmica, definiu-se o nível 
de intensidade sonoro em decibel (dB) que é: 
dB = 10 log (I / I0), onde I é a intensidade sonora e I0 a intensidade de referência definida como a 
mínima intensidade capaz de ser detectada (10-12). 
Em decibéis esse limite está entre 0 – 120 dB, o limiar da dor está entre 140 – 160 dB. 
A sensibilidade do ouvido humano varia com a idade. Pessoas mais idosas têm dificuldade de ouvir 
frequências altas. O nível de intensidade sonoro tem que aumentar também para uma pessoa mais 
idosa ouvir. Uma das causas desse fato é que a perda da elasticidade das membranas do ouvido 
médio, que não vibram mais tão quanto vibravam. Outra causa é danificação do órgão de Corti e de 
suas células por exposição inadequada a ruídos. 
O ouvido externo é um filtro acústico, porque o pavilhão auditivo capta melhor o som e o conduz até 
a membrana timpânica. 
O ouvido médio é um sistema mecânico, porque a membrana timpânica vai acionar o martelo, a 
bigorna e o estribo. O estribo bate na janela oval, então a frequência vai ser transmitida para ela. 
O ouvido interno é um sistema de fluidos, porque tem fluidos. 
 
O som é captado pela orelha e conduzido através do canal auditivo até a membrana timpânica. O som 
consiste de regiões de compressão e rarefação das moléculas de ar. 
Essas ondas sonoras podem colocar outros objetos para vibrar. A cada compressão, a pressão exercida 
(P = F/A) sobre a membrana timpânica é maior e isso resulta em uma força para a direita. A cada 
rarefação, a pressão é menor e isso resulta em uma força na membrana para a esquerda e assim a 
membrana timpânica vibra com a mesma frequência da onda sonora. 
 
A vibração da membrana timpânica transmite força para o martelo, que transmite para a bigorna, que 
aciona o estribo, que então pressiona a janela oval transmitindo assim a pressão para os fluidos que 
constituem o ouvido interno, particularmente a perlinfa. 
As ondas sonoras não são transmitidas facilmente do ar para o fluido, devido a reflexão nas paredes 
internas do ouvido e também uma atenuação no fluido. Por isso, há a necessidade de um sistema de 
amplificação da pressão causada pela onda sonora parase ter uma audição adequada. 
Quando há meios com grande diferença de impedância acústica, o som vai chegar e ser refletido, já 
que quanto maior a diferença de impedância acústica, maior a reflexão. Isso acontece do ouvido médio 
para o ouvido interno, já que o ouvido médio tem ar e o interno tem fluido. Com isso, o som, ao invés 
de ser transmitido, vai ser refletido, chegando muito fraco no ouvido interno. 
Essa amplificação é feita devido ao funcionamento dos 3 ossículos e também por causa da relação 
entre as áreas da membrana timpânica (grande) e da janela oval (pequena). 
A força exercida sobre a janela oval é quase 2 vezes maior que a força exercida na membrana 
timpânica por causa dos ossículos. 
FOval = 1,3 FTimp -> mas P = F/A, onde P é pressão e A é área, então: 
AOval = 0,032 cm2 e ATim= 0,55 cm2. 
Assim a relação entre as pressões se torna: 
POval/PTim= (1,3 FTim/AOval)/ (FTim/ATim) = (1,3 x ATim)/AOval = (1,3 x 0,55)/0,032 = 20. 
Ou seja, a pressão na janela oval é 20 ou 30 vezes maior que a pressão na membrana timpânica. 
Com isso, há uma amplificação de 20 vezes do som, que vai compensar a perda tida por reflexão. 
O ouvido médio amplifica o som porque os 3 ossos vão ajudar a ter uma força quase 2 vezes maior na 
janela oval do que na membrana timpânica. Além disso, há uma diferença de área bem grande entre a 
membrana timpânica e a janela oval. Essa combinação de fatores faz com que a gente amplifique e 
tenha essa compensação. 
Após atingir a janela oval então, a onda sonora se propaga pela perlinfa na cóclea até atingir as 
células ciliadas que ficam no órgão de Corti na membrana basilar, entre as rampas média e 
timpânica. Essas células transformam então esses sinais sonoros em elétricos que irão para o cérebro 
através do potencial de ação. 
O órgão de Corti possui 3 fileiras (de dentro para fora) células ciliadas internas, ciliadas externas e 
membrana tectórica. O movimento do som na perlinfa causa vibração na membrana basilar e com ela 
o órgão de Corti. Também causa um deslizamento da membrana tectórica sobre o órgão de Corti 
criando movimentos nos cílios das células externas que provoca movimento dos cílios das células 
internas que dispara a depolarização e a propagação do impulso para o cérebro. 
 
O deslocamento é causado em diferentes pontos da membrana basilar para diferentes frequências de 
som. 
Base responde melhor a frequências altas e final a frequências baixas, e assim nosso ouvido distingue 
sons graves de agudos. 
O intervalo de frequências audíveis humanas vai de 20 Hz até 20000 Hz. Sendo que o ouvido tem 
maior sensibilidade para frequências de 2000 – 5000 Hz por causa da ressonância. Quando o ouvido é 
estimulado com essa faixa de frequência que está relacionada com a sua frequência natural, vibra com 
maior amplitude e intensidade, tornando o ouvido mais sensível. 
Como a cóclea está localizada numa cavidade do osso temporal, vibrações no crânio também podem 
causar vibrações na perlinfa, dessa forma as pessoas também podem ouvir através da condução das 
vibrações do som pelos ossos. 
Quando uma pessoa fala, a onda sonora chega até ela por causa das vibrações do ar e também dos 
ossos, por isso uma pessoa não reconhece sua voz quando gravada. Nessa situação, há predominância 
de frequências baixas, ou seja, sons graves chegando no ouvido. Então, a voz que escutamos 
normalmente é mais grave que a gravada. Quando há transmissão somente pelo ar, algumas 
frequências baixas se perdem, tendo uma maior chegada das frequências mais altas, ou seja, mais 
agudas. 
Exposição inadequada a ruídos também podem gerar insônia, irritabilidade, desconforto, dor de 
cabeça, dores e até surdez. 
O dano no ouvido pode ser causado então pela idade e também por exposição inadequada a ruídos. 
Há dois tipos de dano: o condutivo, relacionado às estruturas que conduzem o som e o 
neural, que está relacionado com a cóclea e neurônios e é muito difícil de corrigir. 
Para detectar danos primeiro se faz testes fazendo a pessoa ouvir sons com intensidades e frequência 
variadas e responder a esse estímulo, se o dano é detectado um segundo teste é feita usando a 
condução óssea para avaliar se o dano é condutivo ou neural. Esse teste ósseo é feito mantendo várias 
frequências sonoras e intensidades através do osso do crânio. Se a resposta é normal, o problema é 
condutivo; caso contrário é neural. Quando o problema é condutivo pode ser solucionado pelo uso de 
aparelhos ou operação. A perda é considerada severa quando interfere na habilidade das pessoas 
entenderem conversas. 
O ouvido médio também tem a função de proteção para sons muito intensos. Músculos ligados aos 
ossículos contraem quando estimulados por sendo muito intensos reduz por um fator de 30 nas forças 
transmitidas para a janela oval. Entretanto o tempo de reação é longo (15 ms) e isso pode não ser 
suficiente dependendo do tipo de som. 
Para que o ouvido médio possa funcionar da melhor maneira, é necessário que a sua pressão interna 
seja igual à pressão atmosférica. Se a pressão é demasiado forte ou demasiado fraca, as vibrações do 
tímpano são impedidas, a transmissão das ondas sonoras não é boa e a audição é fraca. A trompa de 
Eustáquio, que desemboca na faringe, está em contato com o ar externo através da boca e do nariz. 
Esta configuração permite à trompa de Eustáquio de regular a pressão entre o ouvido médio e o ar 
externo.