FÍSICA ACÚSTICA - FONOAUDIOLOGIA

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FÍSICA ACÚSTICA - FONOAUDIOLOGIA - UFCSPA - Esther da Cunha Rodrigues
FÍSICA ACÚSTICA
Ondas Sonoras
Quanto a natureza: Mecânicas (matéria para se propagar) e Não mecânicas (não precisa de
meio material pra propagar/ vácuo)
Quanto a forma de propagação: Unidimensionais (uma direção), Bidimensionais (duas
direções) e Tridimensionais (todas as direções – som)
Quanto a direção de propagação: Transversais (perturbação perpenducular) e Longitudinais
(partícula vibra na mesma direção de propagação)
Quanto a complexidade: Ondas Senoidal (tom puro) e Complexa (onda sonora composta por
uma série de senóides simples que podem diferir em amplitude, frequência ou fase. São
chamadas de formantes. – VOZ HUMANA).
Quanto a periodicidade: Ondas periódica (quando as ondas complexas se repetem em
intervalos iguais, e seus formantes não são selecionadas ao acaso eles precisam ter uma
relação harmônica) e aperiódica
Quanto a propagação no espaço: Progressivas e Estacionárias
● A onda sonora é: MECÂNICA, TRIDIMENSIONAL E LONGITUDINAL, podendo ser senoidal ou
complexa, periódica ou aperiódica e progressiva ou estácionária.
Dimensões da Onda Sonora
� Frequência (f): número de ciclos que as partículas realizam em um segundo. Em Hertz
(Hz). 1Hz: um ciclo p/seg (kHz – 1000, MHz – 1000000); Faixa de frequência da audição
humana: 20 a 20000 Hz, com as frequências menores que 20 Hz sendo infra-sons e as
maiores que 20000 Hz sendo ultra-sons.
� Amplitude (A): é a medida do afastamento ou deslocamento das partículas materiais de
sua posição de equilíbrio, relaciona-se com a intensidade.
� Comprimento de onda (λ): É o espaço percorrido pela oscilação até que se repita o
movimento em amplitude e fase. É dado por comprimento de
onda = velocidade sobre frequência, sendo v= 340m/s no ar.
� Período (T): A quantidade de tempo, em segundos (s), requerida
para as partículas materiais completarem 1 ciclo.
� Frequência angular (ω): é a frequência expressa em radianos por segundo.
� Fase inicial: deslocamento, em graus, a partir de
uma referência arbitrária que corresponde a 0°,
no instante em que a vibração tem início. É a
relação do movimento circular que se propaga ao
longo de um eixo, e a relação desse movimento
com um ponto de referência é a fase. Duas ondas
de igual frequência e amplitude podem diferir
quanto á fase.
“Ao deslocar, começa com compressão ou
rarefação?”
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Compressão e rarefação: quando a onda sonora se propaga, gera
ondas de compressão e rarefação.
Velocidade do som:
Depende da elasticidade e da densidade do meio de
propagação: quanto maior a densidade, menor a velocidade e
quanto maior a elasticidade, maior a velocidade. A temperatura
faz variar as propriedades do meio e modifica a velocidade de
transmissão (aumenta com o aumento da temperatura).
***Velocidades médias: No ar, aproximadamente 340 m/s (a 20° e ao nível do mar). Na
água, aproximadamente 1.400 m/s. No hidrogênio, aproximadamente 1.261 m/s. No aço,
aproximadamente 4.700 m/s.
Pressão Sonora
Pressão é a quantidade de força por unidade de área, ou a força exercida pelas partículas
materiais quando incidem sobre uma superfície. ♣ Um pascal equivale à força de 1 N (newton)
aplicada uniformemente sobre uma superfície de 1 m2. Em Fonoaudiologia, é usado na
realidade o micropascal (μPa), que equivale a 1/1.000.000 de um pascal.
Energia Sonora
Sempre que há propagação do som, há transmissão de energia. Energia é a
capacidade de um sistema que o capacita a realizar trabalho. Trabalho = força × distância (ao
longo da qual se move o corpo sobre o qual a força atua).
♣ Na propagação do som, a massa de ar oferece resistência à movimentação fricção.
♣ A fricção faz com que parte da energia de movimentação (cinética) se transforme em energia
térmica (calor) quanto mais energia cinética vai se transformando em térmica, menos
energia cinética sobra, até que o som se dissipa.
A fricção das partículas gera, portanto, amortecimento dos sons.
Os sistemas têm diferentes graus de amortecimento:
Baixo amortecimento: longo tempo vibrando;
Alto amortecimento: pouco tempo vibrando;
A facilidade, ou dificuldade, com que um som é transmitido por determinado meio é
representado pela imitância acústica.
� A imitância acústica pode ser dividida em:
Admitância acústica (Y): se refere à facilidade que meio oferece à propagação do som;
Impedância acústica (Z): se refere à dificuldade que este meio proporciona. Determinada pela
massa, compliância (contrário da rigidez) e fricção do sistema. A fricção no sistema dissipa calor
(dissipa energia) e demonstra a resistência. A massa do sistema determina a reatância de
massa (armazena energia). A compliância é a capacidade de deformação (mola), que determina
a reatância de rigidez (armazena energia).
Se a facilidade (admitância) for grande, a dificuldade (impedância) será pequena, e vice-versa.
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Qualidades psicoacústicas do som.
Altura determinada pela frequência do som (sons são mais graves ou mais agudos?) pitch
● Sons com pitch baixo: sons graves, frequências mais baixas;
● Sons com pitch alto: sons agudos; frequências mais altas;
Intensidade Determinada pela amplitude do som e sua energia transportada (som é mais
fraco ou mais forte?) loudness (ou sensação de intensidade).
● Sons com loudness maior: sons mais intensos;
● Sons com loudness menor: sons menos intensos;
Timbre espectro dos sons Determinado pela forma de onda e distribuição de
frequências/intensidades dos formantes da mesma permite o reconhecimento das fontes
sonoras.
Composição das ondas sonora.
Ondas sonoras complexas
Qualquer onda sonora composta por uma série de senóides simples que podem diferir em
amplitude, freqüência ou fase. Voz humana é uma onda complexa.
� ondas que formam uma onda complexa são chamadas de formantes;
Quando as ondas complexas se repetem em intervalos
iguais, temos ondas periódicas. Para que uma onda
complexa seja periódica, seus formantes não podem ser
selecionados ao acaso: elas precisam ter uma relação
harmônica.
● São considerados harmônicos frequências que
guardam uma relação de número inteiro entre si. são múltiplos
inteiros de uma determinada frequência mais baixa. Ex.: 250Hz ×
2= 500 Hz; 500 Hz × 2 = 1000 Hz, e assim por diante.
● Harmônicos que têm entre si uma relação de dobro (f × 2) são
chamados de oitava, porque guardam entre si um intervalo sonoro
musical de uma oitava. Ex.: 500 e 1000 Hz (500 × 2 = 1000).
● A frequência mais baixa de uma série é considerada a frequência
fundamental (f0). As seguintes são numeradas de acordo com o
múltiplo da fundamental (f1 ; f2 ; f3 ; f4 ...)
� Por meio de uma análise
matemática chamada de Análise
de Fourier é possível conhecer as
ondas formantes de uma onda
complexa. Qualquer forma de
onda pode ser decomposta ou
analisada para determinar as
amplitudes, frequências e fases
das ondas senoidais que a
compõem. O resultado dessa
análise pode ser apresentado em um gráfico.
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Espectro de frequências
Também chamado de “espectro harmônico”, é o conjunto de sons parciais, ordenados
a partir de um som fundamental, segundo uma relação frequência/amplitude.
Dentro das formantes, serão harmônicos todas as frequências que guardarem a relação
de número inteiro com a fundamental as frequências sem essa relação serão “inarmônicos”.
* O espectro harmônico demonstra a
distribuição de energia (amplitude de cada
formante) em relação às frequências.
Matematicamente representa-se o
espectro sonoro como um gráfico de barras,
constituído a partir de uma análise de Fourier,
onde cada formante tem sua frequência e
amplitude determinadas.
O envelope espectral é o perfil delineado
pela amplitude dos parciais do grave ao agudo.
Ruídos
Ondas aperiódicas.
● Ruído branco (white noise): tipos de ruído produzido pelacombinação simultânea de sons
de todas as frequências ruído gaussiano: todas as frequências presentes aleatoriamente
em igual intensidade.
● Ruído rosa (pink noise): Densidade espectral é inversamente proporcional à frequência.
Usualmente criado por filtragem do ruído branco;
Propriedades dos meios de transmissão dos sons
- Influências:
Massa: Quantidade de matéria que está presente Densidade: é a quantidade de
massa presente por unidade volumétrica.
Elasticidade: Capacidade de recuperação de uma distorção sofrida, seja em forma, seja
em volume. ⎥ A recíproca da elasticidade é a rigidez.
- Fontes sonoras:
Para um determinado objeto ser considerado uma fonte sonora, ele deve ser capaz de
vibrar e produzir perturbações no meio elástico no qual o som irá se propagar. O som que
determinado objeto produz é sempre relacionado à sua massa e à sua elasticidade.
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Normalmente, quanto maior a massa que um objeto apresenta,
menor a frequência do som que ele produz. E quanto maior a elasticidade
(menor a rigidez) que um objeto apresenta, menor a frequência do som
que ele produz.
●Tipos de fonte sonora mais importantes: cordas, barras, tubos e
membranas
� CORDAS: Representadas por um fio elástico e inerte, tenso entre
dois pontos fixos. Quando tocadas, as cordas vibram, gerando
ondas estacionárias, por sua vez fazendo vibrar o ar ao seu redor.
As possíveis frequências de vibração para uma corda formam uma
série harmônica, e são denominadas frequências naturais.
Quando uma corda vibra, a frequência do som por ela emitida é:
Inversamente proporcional ao seu diâmetro
Inversamente proporcional ao seu comprimento
Inversamente proporcional à raiz quadrada de sua densidade absoluta
Diretamente proporcional à raiz quadrada da tração que suporta.
BARRAS: Barra é um sólido em que uma dimensão predomina sobre as
outras. Em Fonoaudiologia a barra vibrante mais comum é o diapasão.
Quanto mais rígido e menor o diapasão, maior sua frequência.
Diapasões clínicos mais usados são de 512 Hz, embora existam
vários outros, sempre com diferença de uma oitava. O diapasão musical
possui 440 Hz e indica um Lá4.
TUBOS: O ar no interior dos tubos oscila de acordo com as ondas que o
estimularam. As frequências geradas são decorrentes da forma e do
comprimento do tubo.
♣ A maneira como os harmônicos são formados depende se o tubo é
aberto nas duas extremidades ou em uma só.
� MEMBRANAS: São corpos que possuem a espessura muito menor que a
largura e comprimentos. A frequência de vibração de uma membrana
depende do tamanho de sua superfície e da tensão da mesma.
Ressonância
Qualquer meio elástico possui sua frequência natural a frequência na qual
aquele meio está “predisposto” a vibrar.
♣ A frequência natural de um corpo depende de sua massa (e de sua
densidade), de sua rigidez (ou elasticidade).
♣ Quando um corpo entra em contato com uma vibração de frequência
próxima à de sua frequência natural, ele começa também a vibrar, em um fenômeno
conhecido como ressonância. Por ressonância, um corpo pode acabar vibrando com uma
amplitude muito maior do que a fonte sonora que o excitou.⎥ Ex. taças quebrando, ponte
ruindo, etc.
♣ A ressonância pode ser usada para amplificar determinados sons seios da face.
♣ Existem dois tipos de ressonadores: Amortecidos: reforçam uma ampla faixa de
frequências. Não amortecidos: reforçam uma faixa mais estreita;
♣ Quando um sistema ressonador elimina ou reduz as frequências
mais afastadas de sua frequência natural, diz-se que essas
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frequências foram filtradas. Os filtros acústicos permitem que determinadas frequências
sejam eliminadas dos sons complexos.
� Características dos filtros acústicos:
● Frequência de corte (superior ou inferior): Frequência a partir da qual começa a
atenuação. Filtros podem ser “passabaixas” ou “passa-altas;
● Taxa de atenuação em dB/oitava: Quantos decibels são atenuados a cada oitava a partir
da frequência de corte.
Propagação do som nos meios elásticos
Velocidade de propagação: Depende da elasticidade e da densidade do meio de propagação:
quanto maior a densidade, menor a velocidade, quanto maior a elasticidade, maior a
velocidade. A temperatura faz variar as propriedades do meio e modifica a velocidade de
transmissão (aumenta com o aumento da temperatura);
Propagação do som em ambientes abertos:
Campo Livre:
● “Campo livre” é um ambiente (ideal) onde o som não encontra nenhum tipo de obstáculo
à sua passagem, exceto a impedância específica do meio de propagação, que é uniforme.
a única coisa que reduz progressivamente a energia sonora, na medida que o som se
afasta da fonte, é a impedância acústica do meio (massa, rigidez, fricção das partículas do
mesmo).
● Conforme a frente de onda se move a partir da fonte geradora, a onda sonora vai
atingindo uma área cada vez maior (a energia vai se dissipando numa área mais ampla).
● A potência (energia/segundos) é a mesma, mas a densidade de energia precisa diminuir,
pois a mesma quantidade de potência está sendo dissipada numa área maior à medida a
frente de onda se distancia da fonte.
● A diminuição da energia no campo livre à medida
que o som se afasta da fonte obedece uma lei
chamada Lei do Inverso do Quadrado da Distância.
Quanto mais longe da fonte, maior a área ocupada
pela onda. O aumento da área da superfície de um
círculo aumenta proporcionalmente ao quadrado do
aumento de seu raio.
● Cada vez que a distância dobra,
há uma diminuição de 6 dB NPS ou
NIS .
● Se a área da circunferência aumenta com a distância da fonte, a
energia/s/m2 diminui.
● Se a distância da fonte sonora aumenta numa proporção de 2:1,
então a área em que a energia tem que ocupar aumenta em uma
proporção de 4:1.
● Distância da fonte sonora aumenta de 2:1 e a intensidade diminui à razão de 4:1.
Propagação dos sons em ambientes fechados:
● Transmissão: Barreira à passagem do som vibra, transformando-se em uma nova fonte
sonora. Ex: parede ao balançar;
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● Refração: Onda sonora penetra em outro meio ou encontra mudanças nas condições de
um meio que causam alteração na velocidade de propagação e o comprimento de onda,
inclinando o raio de incidência. Ex: luz na água.
● Difração: Mudança na direção de propagação da onda por causa de um obstáculo,
relacionado ao comprimento de onda: sons graves (comprimento de onda grande)
contornam obstáculos com muito mais facilidade que sons agudos. quando o
comprimento de onda for maior que o comprimento do obstáculo/ abertura, haverá
sombra acústica.
● Reflexão: Quando um som atinge um obstáculo rígido, parte da energia é refletida,
retornando à fonte na mesma direção e velocidade de propagação. Ecolocalização dos
animais (morcegos e golfinhos) ocorre via reflexão de ondas sonoras.
-- Eco: ocorre quando o som volta à fonte em um intervalo de tempo igual ou
maior que 0,1 s ou 100 ms. Em ambientes abertos;
-- Reverberação: ocorre quando o som volta à fonte em um intervalo de tempo
menor que 0,1 s ou 100 ms. Em ambientes fechados;
Tempo de reverberação é medido pelo tempo que o som refletido leva para decair 60
dB a partir da cessação do som original (tempo que o som fica no ambiente) ⎥ Sons refletidos
tendem a mascarar o som direto ⎥ Reverberações tardias tendem a prejudicar o som direto.
♣ Constante de tempo da orelha (Békésy) = 50 ms
⎥ som útil→ diferença entre som direto e som refletido abaixo de 50 ms (1/20s
ou 0,05s); maior nitidez e clareza próximo de 30 ms.
⎥ som prejudicial → orelha percebe as diferenças entre som direto e refletido
(acima de 50 ms).
● Absorção: ocorre quando um obstáculo oferece pouca ou nenhuma resistência à
passagem da onda sonora, sendo que parte da energia penetra e se dissipa dentro do
material do obstáculo. ⎥ Ex:materiais acústicos.
-- Material absorvente: não reflete o som, retendo-o no seu interior(alto coeficiente de
absorção). Parte do som é absorvido e convertido em energia térmica e dissipado no
material. ♣ Fibrosos ou porosos (menos efetivos). Ex.:fibra de vidro e madeira.
-- Material Isolante: possui mais massa e oferece mais resistência à passagem da onda
sonora (baixo coeficiente de absorção). Normalmente utilizado em superfícies externa. ♣
Mais efetivo para altas frequências. Ex.: placa metálica
Cabinas acústicas
♣ Maior parte das ondas sonoras presentes no ambiente são absorvidas, praticamente
não havendo reflexão, no que se refere ao ambiente interno. Locais isolados acusticamente
no que se refere ao ambiente externo.
Para a realização de audiometria, especialmente em campo livre, os níveis aceitáveis de
ruído interno nas cabines acústicas são bastantes baixos. ♣ Russo (1993) → cabines
audiométricas devem ter um ruído interno de pelo menos 30 dB para mascarar os ruídos
corporais do indivíduo que está se submetendo ao teste.
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Prova 2 – Fonoaudiologia
Características físicas do sistema auditivo periférico
Orelha externa: ressoador, amplificador e guia de ondas;
♦ composta pelo pavilhão auricular e meato acústico externo;
♦ principais funções: captar os sons do ambiente externo e conduzi-los até a
membrana timpânica; amplificar algumas frequências (ressonâncias); auxiliar
na obtenção de pistas quanto à direção da fonte sonora (pavilhão auricular
em formato de corneta).
♦O MAE exerce a função de guia de ondas, ligando o campo sonoro externo
com a membrana timpânica.
♦ Parte da energia incidente é transmitida à superfície da membrana timpânica (vibração) e
parte é refletida de volta ao meato.
♦ Resulta na amplificação de determinadas frequências Efeito descoberto
em 1946 por Wiener e Ross, que colocaram um pequeno microfone junto a
membrana timpânica e verificaram que a pressão sonora no
tímpano era maior do que no ambiente externo. (pressão
sonora na membrana timpânica é maior que no ar,
resultando na amplificação sonora).
♦Wiener & Ross (1946)
� Amplificação de 17 a 22 dB em 3000 Hz.
� A frequência de ressonância de ¼ de comprimento de
onda e a frequência de anti-ressonância de ½ de
comprimento de onda.
♦ Shaw & Teranishi (1968)
� frequência de ressonância orelha aberta: 2,9 kHz
� Meato bloqueado: 4,9 kHz.
♦ A orelha humana é mais responsiva ao redor de 3000 Hz. Essa é uma região extremamente
importante na compreensão de fala.
♦ Ressonância Efeito varia individualmente. Dependente das condições anatômicas do
pavilhão e meato acústico externo;
Todos os indivíduos possuem uma amplificação variável de 10 a 20 dB para
frequências na região entre 2 e 4 kHz, com os valores de pico acontecendo por volta de
2700 Hz (BYRNE & UPFOLD, 1991).
Outras ressonâncias ainda ocorrem por volta de 7 e 10kHz, mas elas têm menos
importância clínica.
� Por quê 2700 / 3000 Hz? Porque a OE funciona como
um ressoador de tubo parcialmente fechado. O
comprimento médio do canal é de aproximadamente
28 mm, o que resulta em uma frequência fundamental de
aproximadamente 3000 Hz. (amplificação de 10 a 20 dB nessa
faixa) uma das primeiras que tem perda.
● Crianças têm ressonâncias mais altas que adultos/idosos.
● Modificações com o aumento da idade:
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- Maior comprimento, menor frequência de ressonância.
- Aumenta o diâmetro do meato, diminui a absorção das paredes e aumenta a
radiação. Keefe et al. (1994).
- Quanto menor a orelha, escuta frequências mais altas, ressonância dos mais
agudos;
- Quanto maior a orelha (+flácida), escuta frequências mais baixas, rossonância dos
mais graves;
A distribuição da pressão sonora no meato acústico externo é diferenciada em relação
à frequência, havendo uma frequência de ressonância que é inversamente
proporcional ao seu comprimento. (envelhecimento, conduto vai ficando mais oval,
cratilagem vai caindo e fechando). frequência de ressonância é inversamente
proporcional a pressão sonora no MAE;
A variação da ressonância da orelha externa nas diferentes direções da fonte sonora
auxilia na localização dos sons. A ressonância muda de acordo com a direção da fonte
sonora.
Orelha média: casamento de impedâncias; muda o meio de propagação sem perder a
intensidade do sinal;
♦ A função básica da orelha média é fazer uma "ponte" entre a orelha externa e a orelha
interna ou, mais precisamente, entre o meio aéreo da orelha externa e o meio líquido da
orelha interna. Esta "ponte" inicia na membrana timpânica, passa pela cadeia ossicular e
termina na janela oval.
� meio aéreo > meio sólido (mola preparada para transmitir)> meio líquido;
� pressão sonora, movimento mecânico;
� cadeia ossicular muito rígida, causa reflexão;
♦ Parte da energia incidente é transmitida à superfície da MT (vibração) e parte é refletida de
volta ao meato. (membrana timpânica acompanha os vales da onda longitudinal, isso se
transmite para os ossículos).
♦ Transmissão de energia para a orelha média é mais eficiente entre 1000 e 4000 Hz. Keefe et
al. (1993), Keefe & Levi (1996).
♦ A membrana timpânica vibra de formas diferentes de acordo com a
frequência que a atinge.
Até 2 ou 3 kHz aproximadamente a MT vibra como um todo, em
movimentos de vai-e-vem. Acima disso, ela vibra por partes, com suas porções
respondendo de forma diferenciada às diversas frequências. Stinson (1985).
Vibra menos perto dos ossículos;
♦ MT age como transdutor (transformando um tipo de energia em outra),
transformando a pressão sonora em movimento mecânico que interage via cadeia ossicular
com a cóclea.
♦ A orelha média possibilita a passagem de somente parte da energia, oferecendo uma certa
oposição ao som (imitância acústica).
♦ A impedância acústica verificada na transmissão sonora do MAE à cóclea é determinada:
pela massa e rigidez dos elementos da OM;
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pelos efeitos de massa e atrito resultantes da passagem de ar pelas cavidades estreitas
do sistema pneumático da OM;
impedância dos líquidos intralabirínticos;
♦ As características - massa, rigidez e atrito - interagem entre si, determinando o grau de
transferência de energia para a orelha interna função de transferência.
� Dependendo da frequência transmitida observa-se uma maior ou menor influência da
massa ou rigidez.
♦ Quando uma energia incide sobre o
sistema tímpano ossicular → imitância
acústica – o que passa ou não para o
outro meio na orelha;
� Parte da energia é estocada e
depois transmitida (reatância de
massa ou de rigidez);
� Parte da energia é dissipada pela
resistência;
♦ Efeitos da impedância:
Resistência como número real;
Reatância representada por número imaginário:
+ Rigidez: difícil de transmitir sons graves da OE para a OI;
+ Massa: difícil de transmitir sons agudos da OE para a OI;
♦ Quando massa e rigidez estão em equilíbrio, tem-se a frequência de ressonância da orelha
média;
♦ Efeitos de Admitância:
Condutância acústica como número real;
Suceptância Acústica como um número imaginário;
♦ frequência de ressonância da OM: efeito de massa e rigidez se anulam.
� Orelhas normais: 959,57 Hz, podendo variar de 600 a 1350 Hz (Carvallo, 1997).
� Pesquisada pela timpanometria de multifrequência. Curva timpanométrica com
equipamento “comum” nessa frequência: duplo pico de admitância (característico de
neonatos).
♦ Diferenças entre a função de transferência de adultos e crianças:
- O desenvolvimento da OE e da OM afeta fortemente a impedância da orelha
� Crescimento do comprimento e área do meato;
� Provável influência do crescimento das cavidades da OM;
A compliância da OM é mais baixa em crianças do que em adultos, e a resistência da OM é
maior função de transferência da OM menor. (Keefe et al., 1993) (em criança, mais difícil de
conduzir)
♦ Função de transferência
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� Diferenças na orelha externa emédia modificam a função de transferência da orelha
média e influenciam tanto as medidas fisiológicas, como imitanciometria e EOA, como
as comportamentais, como audiometria tonal.
♦ Existe uma diferença importante em termos de impedância acústica entre o meio aéreo da
orelha externa e o meio líquido da orelha interna: se o som passasse diretamente de um meio
para o outro, perderia muito de sua intensidade.
♦ A perda devida à mudança de meio é estimada em 30 dB (Mullin et al., 2003).
♦ Assim, a principal função da orelha média é justamente fazer este casamento de
impedâncias Dois sistemas são usados para este fim:
� uma diferença importante de área entre a membrana timpânica e a janela
oval (diferença de cerca de 17 vezes entre os tamanhos da MT e da JO);
maior concentração de energia na menor área;
� sistema de alavanca, proporcionado pela cadeia ossicular (braço longo
representado pelo martelo e braço longo da bigorna; braço curto pelo
braço curto da bigorna e estribo e os ligamentos agem como pontos de
apoio).
♦ No somatório do efeito de alavanca e da diferença de área, tem-se uma amplificação do som
em cerca de 28 a 30 dB, o que praticamente elimina a
perda pela diferença de impedância entre os meios
aéreo e líquido.
Orelha interna: análise de Fourier; faz um
espectograma das frequências;
♦ Representada pela cóclea e nervo auditivo;
♦ Cóclea tem um funcionamento tonotópico, ou seja, cada frequência é processada em um
local específico, e somente nele.
♦ Teorias para o funcionamento tonotópico da cóclea.
� Teoria da ressonância de Von Helmholtz (1857) Postulava que cada célula ciliada
ressoava com uma frequência específica, reproduzindo o som.
� Teoria do telefone Postulava que cada célula ciliada reproduzia todas as frequências.
� Teoria da onda estacionária Postulava que as células ciliadas detectavam padrões na
membrana basilar.
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� Teoria da onda viajante Postulava que as células ciliadas detectavam a amplitude da
onda viajante ao longo da membrana basilar.
♦ Teoria da Onda Viajante:
Georg von Békésy pesquisa sobre o funcionamento da cóclea no órgão auditivo dos
mamíferos. Békésy viu ondas viajando dentro de cócleas (mortas) de mamíferos.
- Observou que a posição do pico dependia da frequência, existindo uma separação espacial
entre as frequências.
- Movimento da cadeia ossicular gera uma movimentação na
membrana basilar da cóclea. Esta onda "viaja" ao longo da
cóclea, transmitindo sua vibração à membrana basilar do
Órgão de Corti e é atenuada na janela redonda.
- A janela redonda faz, portanto, um movimento semelhante ao que acontece na janela oval
(movimento de pistão), em oposição de fase, com a função de diminuir a impedância do
sistema coclear.
♦ Cada frequência tem um máximo de vibração em um local diferente
da cóclea → tonotopia coclear, representação física dos sons na
cóclea;
♦ Região apical da cóclea (+longe da janela oval) → membrana
basilar larga e menos rígida→ ressonâncias para sons graves.
♦ Região basal da cóclea (+perto da janela oval) → membrana
basilar estreita e rígida→ ressonâncias para sons agudos.
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♦ Sistema ativo da cóclea também contribui para a tonotopia coclear CCE contraem-se
somente quando estimuladas com suas frequências características.
♦ Por que a cóclea é espiralada? Atualmente se pensa que a presença de espiras está
relacionada à melhora de sensibilidade para sons graves nos mamíferos (Manoussaki,
Dimitriadis; Chadwick, 2006). onda consegue acelerar e chegar no topo tendo facilidade para
ouvir sons graves;
Psicofísica
� Não é possível a um observador externo verificar, medir ou avaliar as sensações de um
indivíduo.
As sensações são mediadas por fenômenos físicos e psíquicos internos, influenciadas
pela experiência, ambiente e situação psicológica entre outros fatores.
Psicologia Pesquisa sobre a mente humana deixou de basear-se somente na introspecção
para incorporar métodos da fisiologia experimental Psicologia Experimental Psicofísica;
Psicofísica Estuda as relações entre os estímulos e as sensações que eles provocam nos
indivíduos (Gerber, 1974). Princípio: século XIX Grande desenvolvimento: metade século XX;
� Maioria das técnicas e da teoria da psicofísica foram formuladas em 1860 quando
Gustav Theodor Fechner publicou “Elemente der Psychochysic”, ele foi influenciado pelo
trabalho do fisiologista alemão Ernst Heinrich Weber.
� Ernst Heinrich Weber (1795-1878): trabalhando com sensações táteis verificou a
possibilidade de se medir limiares de sensação e diferenças minimamente perceptíveis
entre estímulos.
� Gustav Fechner (1801-1887): “Elementos de Psicofísica", propôs métodos quantitativos
e equações matemáticas para descrever aspectos da mente humana.
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� MEDIR AS SENSAÇÕES determinar a grandeza de alguma coisa com base em uma
escala fixa, ou conhecida.
O objeto de estudo possível na psicofísica é a análise dos relatos das sensações ou uma
análise das respostas provocadas por determinados estímulos (que provocam uma sensação)
em situações estruturadas.
Limiares X Diferenças Minimamente Perceptíveis (JND)
-- Limiar é a menor quantidade ou número de alguma coisa que leva a um determinado tipo de
reação (Gerber, 1975). Todos os indivíduos possuem, em maior ou menor grau, conceitos
internos de “limiar”, pois sempre se sabe que é preciso uma determinada quantidade de
estímulo para provocar uma resposta.
Dois tipos diferentes de limiar:
LIMIAR ABSOLUTO (absolute threshold)
LIMIAR RELATIVO OU DIFERENÇA MINIMAMENTE PERCEPTÍVEL (difference limen ou just
noticeable difference)
O limiar é aleatoriamente variável no tempo ao redor de algum valor médio. E precisa
ser definido estatisticamente: valor que provocou reação em metade das ocasiões em que foi
apresentado.
Só se pode falar em “mínimo sinal detectável” quando o número de observações ou o
tempo de observação são limitados.
“Só se consegue o valor real de um limiar por meio de dispositivos estatísticos para
interpolar o gap existente entre os estímulos que estão definitivamente acima do limiar e
aqueles que estão definitivamente abaixo dele”. Stevens, 1951.
Limiar é a menor quantidade ou número de alguma coisa que leva a um determinado tipo de
reação EM METADE DAS VEZES EM QUE FOR APRESENTADO.
• É o ponto de 50%, onde abaixo desse valor definitivamente não existe sensação e, acima
dele, definitivamente existe a sensação.
-- Diferença Minimamente Perceptível: JND - just noticeable difference = difference limen =
limiar relativo, ou seja, menor variação que leva a uma percepção de diferença no sinal.
Busca das relações estímulo→sensação
� Weber (1834) “descobriu” as diferenças minimamente perceptíveis. “Um aumento em
um estímulo que causa uma diferença minimamente perceptível é sempre uma
proporção (constante) do estímulo original.” lei de Weber. K = constante;
� Fechner: “Uma medida real de sensações necessita que nós sejamos capazes de dizer
que esta sensação é duas, três ou quantas vezes necessário maior que aquela outra,
mas quem pode dizer uma coisa assim?”
Fechner usou a JND como padrão de medida ou unidade de sensação: contando
unidades ele poderia dizer o tamanho de uma sensação (como degraus de uma
escada).
Cada vez que um JND era adicionado ao estímulo, a sensação aumentava em uma
proporção constante, em uma relação logarítmica com o crescimento do estímulo:
S = K log I Lei logarítmica de crescimento das sensações;
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� Stevens (1951) questionou fortemente Fechner “como contar degraus para saber o
tamanho de uma coisa se os degraus têm
tamanhos diferentes?” propôs que não se
medissem sensações por JND’s, mas por escalas.
● escala de categorias
● estimação de magnitude
● estimação de razão
● produção de magnitude
● produção de razão
● comparação pareadade modalidades.
Stevens chegou à lei de potência: a sensação cresce seguindo uma relação de potência
com o aumento do estímulo. S = KxEn (n é elevado na E);
Atualmente:
● para grandezas que se diferem por questões qualitativas (pitch): o crescimento
da sensação se dá em uma relação logarítmica;
● para grandezas que se diferem por questões quantitativas (loudness): o
crescimento a uma relação de potência.
***Decibel é logarítmico, mas não corresponde exatamente ao crescimento da
nossa sensação;
Medidas em Psicofísica
Método psicofísico: situações estruturadas de estímulo e resposta; limites, ajustes, estímulos
constantes, comparação pareada, quantificação, ordenação, escala;
- Método dos Limites
---- “Método da mínima mudança”: Experimentador varia o estimulo para cima (sequência
ascendente) e para baixo (sequência descendente) e o observador
sinaliza sua relação aparente a determinado critério (audível; visível;
sensível; compreensível; desconfortável, etc.).
Método verdadeiro: pelo menos 5 sequências ascendentes e 5
descendentes.
Obtém-se 2 limiares: um nos estímulos em direção ascendente (Ex.: do
silêncio para o som) e um nos estímulos em direção descendente (Ex.:
do som para o silêncio)→ limiar verdadeiro é a média dos dois.
� Limiar descendente ocorre em valores mais baixos que o
ascendente.
� Adaptação deste método é o procedimento usado na audiometria.
Tipo de Análise estatística: média (?) dos valores dos estímulos no ponto de transição dos
julgamentos do observador.
Bom para dados de: qualquer tipo de limiar e igualdades;
- Método dos Ajustes
---- “Método do erro médio”: Observador
ajusta o estimulo (ele tem controle sobre o
estímulo, por exemplo por meio de um
botão) até que seja subjetivamente igual a
determinado critério. AUDIOMETRIA.
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Tipo de análise estatística: valor médio dos ajustes (erro médio dos ajustes fornece a precisão);
Bom para dados de: limiar absoluto, igualdades, intervalos iguais e razões iguais;
- Método dos estímulos constantes
Diversos estímulos aleatórios são comparados com um padrão. Cada
condição de estimulação aparece pelo menos 10 vezes→ avalia-se a
porcentagem de vezes que tal condição de estímulo (intensidade,
luminosidade, etc.) é classificada como pertencente ou não à
mesma categoria do padrão.
Tipo de análise estatística: cada ponto é analisado percentualmente
quanto ao número de respostas X número de apresentações;
Bom para dados de: qualquer tipo de limiar, igualdades, intervalos
iguais e razões iguais;
- Método de comparação pareada: “Escolha forçada”. Estímulos são
apresentados em pares observador relaciona os dois estímulos (1>2; 1=2;
2>1, etc.). OCULISTA.
- Método da Quantificação: Vários incrementos fixos são acrescentados a um
padrão, várias vezes sucessivamente: o observador indica a presença ou
ausência do incremento.
- Método da ordem de mérito: Um grupo de estímulos é apresentado
simultaneamente e devem ser classificado numa ordem aparente pelo
observador.
- Métodos de Escala de categorias: Cada estímulo é classificado dentro de
uma escala de descritores (números ou palavras, preestabelecidos ou não).
Diversos tipos de escalas: cada uma se adapta melhor a um determinado
objetivo e tipo de estímulo.
Psicoacústica
Para que serve a audição? Consciência do meio ambiente e Comunicação;
� Indicar a direção das fontes sonoras (omnidirecional, mas de baixa resolução).
� Reconhecer as fontes sonoras e fornecer informações sobre elas.
� Fornecer informações sobre a natureza do ambiente.
Como a audição funciona?
Estudos TONS PUROS se o sistema auditivo fosse linear seria possível
prever sons complexos;
Sistemas Lineares:
A saída é um espelho da entrada. Nada é alterado:
◦ invariante no tempo
◦ aumento na entrada gera aumento idêntico na saída
◦ possível prever a saída quando entram sons complexos ou
simultâneos.
Sistemas não-lineares:
A saída é alterada em relação à entrada.
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◦ resposta a estímulos complexos não pode ser prevista;
◦ aumento na entrada não gera um aumento idêntico na saída;
◦ geração de distorção.
Atributo do Som
● Frequência e Pitch
Frequência:
Sistema auditivo faz uma análise espectral dos sons.
Importante para: Detecção de sons “significativos” no meio de outros sons, Determinação do
timbre (voz? fonte sonora?) e Determinação do pitch;
Orelha atua como uma série de filtros para decompor o som nas formantes.
Cada parte da membrana basilar ressoa numa frequência diferente → “frequência
característica” pico abrupto e bem sintonizado, com grande diferença de intensidade entre o
local de estimulação e as regiões vizinhas;
Sistema amplificador das CCE atua melhorando a qualidade de movimentação da MT/MB.
Resultando em limiares mais
baixos e numa localização mais
precisa.
Cada neurônio do nervo
auditivo responde melhor para
determinada frequência.
Pitch:
Sensação da frequência,
tonalidade; detecção de sons significativos.
2 teorias, provavelmente funcionando ao mesmo tempo:
◦ teoria da localização: frequências diferentes excitam locais
diferentes;
◦ teoria “temporal”: pitch de um som é evocado pelo padrão de
impulsos neurais produzidos por esse som (bloqueio de fase);
Os intervalos entre os pulsos são interpretados. Bloqueio de
fase só funciona até 5kHz, muito difícil interpretar o pitch de
sons acima disso.
É o atributo da sensação auditiva no qual os sons podem ser
ordenados em uma escala que vai do “alto” ao “baixo”
(American Standard Association, 1960).
O Pitch de um som é dado pela maioria dos indivíduos através de comparações com outros
sons. (diferentemente das pessoas que tem habilidade de um “ouvido absoluto”);
A percepção (absoluta) do pitch auxilia: a dar a “nota” de um som (dó, ré, mi, etc., e em qual
escala), no reconhecimento da fonte sonora (inclusive diferentes vozes);
É mais fácil ordenar segundo seu pitch, sons periódicos ou
quase periódicos, como a voz ou instrumentos musicais.
Quanto de variação (JND) na frequência (para tons puros) é
perceptível? DEPENDE da duração, da frequência, da
intensidade, da tarefa sendo realizada;
Todos os tons puros com duração suficiente são percebidos como tendo pitch.
A duração mais curta que um tom demonstra ter pitch varia de acordo com a frequência (pelo
menos 3 comprimentos de onda para determinação do pitch):
◦ Sons muito graves (125 Hz), comprimento de onda maior, precisam de pelo menos
25ms.
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◦ Acima de 1000 Hz sons de cerca de 10 ms já são percebidos como tendo pitch,
comprimento de onda menor.
Sons muito curtos são percebidos como clicks.
Frequência: menor variação de frequência que gera uma mudança perceptível de pitch é por
volta de 500 Hz.
� Para frequências maiores e menores, a variação precisa ser maior para ser perceptível.
� Variações de frequência da ordem de 3,6 Hz na faixa entre 1000 e 2000 Hz já podem
ser perceptíveis. (Olson, 1967)
Intensidade:
� tons abaixo (+ graves) de 1 kHz: intensidade aumenta, pitch diminui;
tons acima de 4 kHz (+agudos): intensidade aumenta, pitch aumenta;
� entre 1000 e 2000 Hz: pitch praticamente não varia com mudanças de intensidade.
Para sons complexos:
� Quando dois sons de frequências diferentes são apresentados, o ouvinte ouve os dois
sons separadamente.
� Se esses sons tiverem frequências muito próximas (1000 e 1003 Hz), o resultado é um
tom único que “bate” três vezes por segundo. Se dois tons são apresentados (ex.: 1000
e 1200Hz), um terceiro tom pode aparecer (ser ouvido) como um produto da distorção.
Esse tipo de distorção é chamado de “distorção cúbica”.
� Fenômeno da fundamental perdida (Ohm, 1843): em um som complexo, o pitch
costuma ser aproximadamente o da fundamental. Se a fundamental é retirada, o pitch
continua o mesmo, embora o timbre se modifique (pitch residual).
Uma escala de pitch, denominada mel, foi criada para que se pudesse estabelecer
comparações entre o pitchde diversos sons:
� A referência da escala é um som de 1000 Hz a 40 dBNS, definido arbitrariamente como
tendo 1000 mels.
� Um som com um pitch que é o dobro do som de referência terá 2000 mels, ou um som
com a metade do pitch do som de referência, terá 500 mels.
INTENSIDADE LOUDNESS sensação de intensidade Intensidade física, duração, frequência
e complexidade;
● Intensidade
Como é percebida? Grau de movimentação (padrão de excitação em cada filtro de freq.) da
membrana basilar:
pouco movimento, menor o loudness;
muito movimento, maior o loudness.
Padrão de funcionamento dos neurônios da via auditiva:
� alguns neurônios funcionam para sons mais fracos outros para sons mais fortes.
Orelha é sensível aproximadamente da mesma forma entre 500 e 15.000 Hz.
Qual a menor variação (JND) na intensidade
que é perceptível?
Também depende da tarefa sendo realizada
(pulsos de intensidades diferentes × modulação
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× aumento), da frequência, da intensidade física e da complexidade do som;
Complexidade:
Teoria das faixas críticas para sensação de intensidade: “Largura da faixa de frequências”
(Zwicker, Flottorp, Stevens, 1957):
“Sempre que a largura da faixa de frequências de um som aumenta além de um
determinado nível, mesmo que a intensidade física permaneça a mesma, a sensação
de intensidade do som aumenta.”
largura da faixa de frequências do som é proporcional à área de membrana basilar
estimulada tamanho da área dá o loudness.
Intensidade Física: Intensidade × JND:
� para tons puros, JND diminui quando a intensidade aumenta (Riesz, 1928)
- 1,5 dB para 20 dBNS
- 0,7 dB para 40 dBNS
- 0,3 dB para 80 dBNS
� para ruído de banda larga, JND varia de 0,5 a 1,0 dB (pode ser maior se a intensidade é
muito próxima do limiar de audibilidade).
Frequência:
Curvas isoaudíveis ou isofônicas (Fletcher e Munson, 1933):
� indicam equivalência nos níveis de sensação de intensidade.
� Fon: unidade que indica a equivalência de loudness Som a
40 fons tem loudness igual a som a 40 dBNPS em 1000 Hz;
� Um som de 80 fons não tem o dobro da sensação de um som
de 40 fons.
Escala de Sones:
Em 1957 Stevens propôs uma escala matematicamente correta de
sensação de intensidade:
� 1 sone indica o loudness de um tom puro de 1000 Hz a 40 dBNPS, binauralmente, a 0o
azimute, em campo livre.
� Em sones, o loudness obedece a uma função de potência: onde K é uma constante
dependente do indivíduo;
● Fenômenos Temporais
Fala é, por definição, uma sucessão de padrões sonoros no tempo.
Audição é capaz de detectar diferenças temporais da ordem de poucos milissegundos (muito
superior à visão).
� Tempo de reação para um som pode ser de 140 ms e o tempo de reação à luz é de 180
ms. Gerber, 1974
- Diferença do início da vocalização diferencia plosivas surdas / sonoras (VOT);
- Determinação da direção;
- Diferença entre som direto e refletido, reverberação ou eco;
- Diferença de tempo entre o início dos harmônicos nos instrumentos musicais;
Muitos dos sons produzidos na fala têm uma duração extremamente pequena: A duração
típica de uma sílaba costuma ser menor que 200 ms (Dillon, 1988);
Eco × reverberação:
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- Eco ocorre quando o indivíduo consegue distinguir completamente o som direto do som
refletido distâncias maiores que 17m = 34m a 340m/s significa uma diferença de 0,1s ou 100
ms;
- Reverberação ocorre quando o indivíduo não consegue discriminar totalmente o som direto
do som refletido (misturam-se, pois a diferença entre som direto e refletido é
menor que 40/50 ms).
Habilidades dependentes do tempo:
� Resolução temporal - habilidade (acuidade) de detectar mudanças no som ao longo do
tempo (mudanças de frequência; de intensidade; interrupções, etc.)
� Integração temporal - habilidade do sistema de somar informações ao longo do tempo
para melhorar a detecção ou discriminação dos estímulos (quanto mais longo o som,
melhor detectado/discriminado);
� Fundamental na percepção do “envelope” dos sons (o que é uma das pistas do
reconhecimento de fala);
� Se dois clicks são apresentados na mesma orelha com um intervalo de menos de 2 ms
eles serão percebidos como um som único.
� Sons separados por mais de 40 ou 50 ms são percebidos como totalmente
independentes (Nepomuceno, 1977).
A resolução temporal é normalmente verificada em duas maneiras:
◦ Detecção de intervalos (gaps).
◦ Detecção da presença de modulação na amplitude do som.
� Qual é o menor intervalo entre dois sons – minimum temporal separation ou limiar de
detecção de gaps - que pode ser percebido? Varia de acordo com a frequência e outras
características do sinal.
◦ Para ruídos (WN) podem ser por volta de 3 ms.
◦ Para tons puros, dependendo da condição de teste, pode variar entre 5 e 8 ms para
frequências acima de 200 Hz.
� Qual é a menor modulação em um som – temporal modulation transfer function - que
pode ser percebida?
◦ A sensibilidade às modulações diminui à medida que a velocidade de modulação
aumenta para mais do que 16 Hz.
“O limiar de detecção de um som depende de sua duração (Exner, 1876)”.
● Audição Binaural e Localização Sonora;
Mais pistas (diferenças de intensidade e tempo) para localização. Melhora da relação
sinal-ruído. Melhora na capacidade de discriminação dos sons.
� Audição Binaural
Tipos: diótica: mesmo som nas duas orelhas e dicótica: sons diferentes nas duas
orelhas (monótica: audição só por uma orelha);
� Direção percebida normalmente corresponde bastante bem à direção real (embora
com resolução muito inferior à da visão). para tons puros às vezes ocorrem
confusões acima/abaixo ou frente/trás (Stevens & Newman, 1936).
Pistas para localização sonora:
◦ atraso na chegada (tempo) entre as orelhas / variação de fase
◦ diferença de intensidade de chegada entre as orelhas
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◦ variação da ressonância da orelha externa com variação da fonte sonora (padrão
espectral do som se modifica com a direção).
“A localização sonora é baseada em diferenças de tempo para baixas frequências e de
intensidade para altas frequências ” (Lord Rayleigh, 1907)
--Diferenças de Intensidade:
- sombra da cabeça é negligível para baixas frequências (maior comprimento
de onda, que atravessa a cabeça) mas pode ser de 20 dB ou mais para altas
frequências.
- isso faz com que a intensidade do som na orelha “sombreada” seja menor,
especialmente nas altas frequências.
-- Diferenças de tempo
◦ som do lado oposto da cabeça pode levar até 0,65 ms para chegar à
orelha;
� Para frequências abaixo de 800 Hz, o principal mecanismo para localização são
as diferenças de tempo; para frequências acima de 1600 Hz, valem
principalmente as diferenças de intensidade.
� Entre 800 Hz e1600 Hz existe uma zona de transição, onde ambos os
mecanismos atuam.
� Variação da ressonância da orelha externa segundo o ângulo de incidência do som.
Esse efeito é principalmente importante nas localizações no plano medial: frente × trás
× acima × abaixo.