Tema 6 - Ondas de som e biofisica da audiçao

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TEMA 6 
ONDAS DE SOM E 
BIOFÍSICAS DA AUDIÇAO E 
FONAÇÃO 
 
 
1. Ondas sonoras. Propriedades e 
características 
2. Ouvido humano 
3. Percepção auditiva 
4. Anomalias na audição 
5. Ultrassons 
6. Fonação humana 
 
 
 1.1 Ondas sonoras 
Ondas sonoras  Onda longitudinal devida a 
variações de pressão ou densidade (compressão e 
rarefação)  O médio vibra paralelamente à direção 
de propagação da onda 
Onda eletromagnética  Onda transversal  
Vibrações dos campos elétrico e magnético 
perpendicular á direção de propagação da onda 
Ondas sonoras  Ciclos  Definidos por 2 parâmetros: 
• Comprimento de onda (m)  
• Frequência (Hz = 1/s)  
,ou analogamente por 
• Número de onda (1/m)  
• Frequência angular (Hz = 1/s)  
O que define a velocidade da onda (m/s) 
/f k   

1/f T
2 /k  
2 f 
 1.2 Ondas sonoras. Características 
• Intensidade  Fluxo de energia (Energia que atravessa 
uma superfície S perpendicular à onda num intervalo de 
tempo Δt) 
 
 
 
 Ou seja, a intensidade da onda depende do quadrado da 
amplitude (y0)  A maior amplitude, maior intensidade 
 
2 2 2 2
2 2 20 0
0/ ² 2
2 2
y v y vE P
I W m f y v
S t S S
        

2 2 2 2 2
0 0
1
cos ( )
2
P y v kx t P y v     
0 0 ( ) Onda harmônicap py p p y sen kx t   
• Variação de pressão no interior do tubo: 
• Potência e potência média da onda de pressão: 
0 cos( ) Onda harmônicay y kx t 
• Equação de deslocamento das partículas de ar: 
 onde m é a densidade linear do meio 
• Intensidade  A intensidade I diminui com o quadrado 
da distância d (Amortecimento)  Quanto mais longe 
da fonte sonora, menor a intensidade de som  
Atenuação 
 
 
• Altura  Relacionada com a frequência: 
• Alta frequência  Sons agudos (Mosquito) 
• Baixa frequência  Sons graves (Mar) 
O ouvido humano capta sons entre 20 Hz e 
20x10³ Hz. 
• Sons por baixo  Infrassons 
• Sons por acima  Ultrassons 
 
 
• Timbre  O timbre é a “forma” da onda emitida pela 
fonte. A onda se compõe de sons secundários 
(frequências harmónicas), que são múltiplos inteiros das 
frequências fundamentais (Ex. O violino possui muitos 
harmónicos de alta frequência) 
 1.3 Ondas sonoras. Características 
  2/ ² 4
E P P
I W m
S t S d
   
  

• Aparelho auditivo  Transformação de energia sonora em energia elétrica 
• Ouvido externo: Pavilhão auricular (orelha), canal auditivo 
• Ouvido médio: Tímpano, martelo, bigorna e estribo 
• Ouvido interno: Cóclea (3 cm de comprimento disposta em forma de espiral) e 
nervo ótico ou acústico 
• Centro aditivos cerebrais 
 2.1 Ouvido humano 
1. Sons captados pela orelha são conduzidos ao canal auditivo (cavidade ressonante 
com frequência fundamental 430 Hz)  Amplificador 
2. O tímpano (membrana de 65 mm² e 0.1 mm de espessura)  Vibra sob o impacto 
da pressão sonora, em amplitude proporcional ao som A = [1x10-11 m, 1x10-5 m] 
 2.2 Ouvido externo 
3. Esse diminuto movimento do tímpano é transmitido ao martelo, daí para a bigorna e 
da bigorna ao estribo. Porém, parte da energia sonora é refletida nas interfaces, 
existindo perdas  Necessidade de amplificação 
4. A amplitude original (pequena demais) é amplificada por um sistema de alavancas 
 2.3 Ouvido médio 
r F  
Torque = distância aplicação (respeito eixo) x força 
Amplificação 
da força 
F
p
S

Pressão = Força / Superfície 
Amplificação 
da pressão 
Fjanela_oval > Ftimpano 
Como Sjanela_oval < Stimpano y Fjanela_oval > Ftimpano, então pjanela_oval >> ptimpano 
 2.4 Ouvido interno 
5. Transformação de movimento mecânico em hidráulico. A cóclea está preenchida 
por um fluido 
• Rampa vestibular (perilinfa  Rica em Na+) 
• Rampa timpânica (perilinfa  Rica em Na+) 
• Rampa média (endolinfa  Rica em K+) 
6. Quando o estribo comprime a janela oval (pistão), forma-se uma onda de pressão 
hidráulica nas escalas vestibular e média, o que movimenta a membrana basilar. 
 
7. Todo movimento da membrana basilar (MB) numa direção perpendicular ao seu 
plano promove o aparecimento de esforços que fazem a membrana tectorial (MT) 
deslizar numa direção longitudinal à membrana basilar. 
8. As células ciliadas internas (inner hair cells) e externas (outer hair cells) dentro do 
orgão de Corti são mecanicamente sensíveis, ativando os canais de K+ 
(depolarização)  Gera-se o potencial de ação. 
 Células ciliadas  Transdutores (Movimentos mecânicos  Sinais elétricas) 
 2.4 Ouvido interno 
O ouvido é sensível à intensidade e frequência dos sons: 
• Intensidade: O deslocamento da membrana basilar e do órgão de Corti têm 
amplitude proporcional à intensidade do som e proporcional ao pulso elétrico gerado 
(O potencial de ação é o mesmo, apenas muda a corrente. A maior intensidade do 
som, mais células são acionadas  Maior corrente  Sensação de som mais 
intenso) 
• Frequência: A frequência está relacionada com a parte da membrana basilar que 
vibra. Frequências altas  Receptores no começo da membrana 
 basilar. Frequências baixas Receptores no final da membrana. 
 
 Por isto, o ouvido pode perceber 
 simultaneamente frequências 
 diferentes (Ex: música!). 
 
 O olho humano, ao contrario, 
 não pode diferenciar frequências 
  Ao misturar as cores primarias 
 vemos a cor resultante e não as 
 cores originais (R+G+B = Branco) 
 
 3.1 Percepção auditiva 
 3.2 Percepção auditiva 
• Sons fortes  O som mais intenso (Imax) tolerado pelo ouvido é 1 W m
-2 (140 dB) 
• Sons fracos  O som mais fraco (I0) detectado pelo ouvido é 10
-14 W m-2 (0 dB) 
14 ordens de grandeza!!  Escala grande demais  Escala logarítmica 
A intensidade pode ser também expressa em função 
do som mais fraco (I0)  Escala em decibéis (dB) 
2
2
0
( / )
( ) 10log
( / )
I W m
I dB
I W m

• Limiar da audibilidade  A partir 
de um certo valor de pressão 
acústica começamos a perceber 
o som 
• Limiar da dor  Acima de um 
valor o som se torna insuportável 
• As frequências audíveis estão no 
intervalo [20 Hz, 20 kHz] 
• Maior sensibilidade do ouvido no 
intervalo [500 Hz, 5 kHz] 
Campo de audibilidade 
 3.3 Percepção auditiva 
1. Surdez de condução: 
• Há obstrução no canal auditivo externo  Cerume ou secreções purulentas 
• Há lesões no tímpano  Espessamento do tímpano 
• Há lesões nos ossículos  Fixação dos ossículos devido a inflamações 
A surdez de condução pode ser reduzida mediante aparelhos de audição usando 
o som que passa pela caixa craniana 
 
2. Surdez nervosa ou central: 
• Há lesões na cóclea 
• Há lesões no nervo ótico 
A surdez nervosa é geralmente irreversível 
 
3. Surdez sensorineural: Devida ao aumento da limiar de excitabilidade para produzir 
os potenciais de ação que se propagam aos nervos acústicos 
• Tinnitus  Percepção de sons ou batimentos que não procedem de nenhuma 
fonte externa  Causado pelo estresse, trabalho ou longa exposição ao 
barulho 
• Tinnitus objetivo/subjetivo 
• Tinnitus crónico 
 
 4.1 Anomalias na audição 
Sons de alta frequência inaudíveis para o ouvido humano (>20 000 Hz)  Podem ser 
empregados com alta ou baixa intensidade: 
• Ultrassom de baixa intensidade  Obter informação do meio  Ensaio não-
destrutivo de materiais, medida das propriedades elásticas de materiais, diagnose 
clínica 
• Ultrassom de alta intensidade  Produzir alterações no meio  Terapia médica, 
atomização de líquidos, limpeza por cavitação, ruptura de células biológicas 
 
Ultrassonografia em medicina  Ecografia  O ultrassomé emitido pelo aparelho e 
interage com o corpo/estruturas internas, gerando ecos, que são captados de volta e 
convertidos em imagem. Cada estrutura transmite o som e reflete uma intensidade 
diferente dependendo da sua impedância acústica. 
 5.1 Ultrassons. Ecografia 
Mecanismo gerador de ondas ultrassónicas  Um 
cristal piezoelétrico converte energia elétrica em 
energia mecânica (transdutor) ou vice-versa. Se o 
campo elétrico induzido no cristal for de uma 
frequência apropriada, induzem-se vibrações 
mecânicas no interior, as quais dão origem às ondas 
ultrassónicas. 
 5.2 Ultrassons. Ecografia 
Ecografia  Em toda superfície (interface) que separa 
dois médios de impedâncias acústica diferentes (Z = 
rn), produz-se uma onda transmitida com intensidade It 
e outra refletida com intensidade Ir. Uma onda 
incidente de intensidade I0 é enviada pela fonte e a 
onda refletida é quem traz informação do médio.  
 
 
2
1 2
2
0 1 2
1 2
2
0 1 2
 Onda refletida
4
 Onda transmitida
R+T=1
r
t
Z ZI
R
I Z Z
I Z Z
T
I Z Z

 

 

• Caso Z1 (impedância médio 1) for 
parecida a Z2 (impedância médio 2) 
 Onda refletida pequena e onda 
transmitida grande 
• Caso Z1 for muito maior/menor do 
que Z2  Onda refletida grande e 
onda transmitida pequena 
A informação diagnóstica sobre a profundidade das estruturas do corpo obtém-se 
enviando um pulso de ultrassom e medindo-se o intervalo de tempo Dt entre o 
instante de emissão do pulso e o de recepção do eco: 
 5.3 Ultrassons. Formação imagens 
2
2
pulso
pulso
v td
v d
t

  

Onde vpulso é a velocidade (v=lf  conhecida) do pulso de ultrassom. 
O pulso ou o eco pode ser mostrado uma tela (osciloscópio ou tubo de raios 
catódicos) de diversas maneiras: 
• Varredura A (Amplitude) 
• Varredura B (Brilho)  Formação de imagens bidimensionais 
• Varredura M (Movimento)  Detecção de estruturas em movimento 
Produção da fala (fonação)  Resultado de um conjunto de processos que envolvem 
diversas partes do organismo: 
1. Fossas nasais  Cavidade ressonante 
2. Boca e anexos  Modula os sons vocálicos e produz ruídos e sons consonantais 
3. Úvula  Dirige a corrente de ar. Quando levantada, fonemas orais. Quando 
rebaixada, fonemas nasais. 
4. Faringe  Corredor de propagação do ar 
5. Laringe  Contem as cordas vocais 
6. Traqueia, brônquios e bronquíolos  Movimentam o ar 
7. Pulmões  Produzem a corrente de ar necessária 
8. Músculos da parede torácica, diafragma e abdômen  
 Fornecem o trabalho necessário para mover o ar 
9. Centros nervosos responsáveis da respiração  A voz 
 produz-se durante a respiração, a qual é comandada 
 pelo cérebro. 
10.Centros nervosos responsáveis da fala  Conduzem 
os impulsos nervosos para a produção da voz e criam 
e mandam as mensagens. 
 
 
 
 6.1 Sistema de fonação 
Produção da fala (fonação): Vibração das cordas vocais  Som 
produzido pela fragmentação da corrente aérea expirada: 
1. Durante a expiração, os pulmões são comprimidos pelos 
músculos respiratórios e o ar é forçado contra as cordas 
vocais fechadas, elevando a pressão em todo o sistema 
respiratório abaixo da laringe  Gradiente de pressão 
entre as superfícies das cordas vocais. 
2. Essa diferença de pressão aplicada sobre as cordas 
vocais cresce até forçar a passagem de ar por entre as cordas. 
3. Nesse momento, o movimento do ar em alta velocidade reduz a pressão lateral 
exercida sobre as cordas vocais (efeito Venturi), favorecendo o fechamento do 
espaço entre as cordas. 
 
 
 
4. Como o ciclo expiratório continua, o gradiente de pressão volta a crescer até 
alcançar novamente a pressão de apertura da glote, reiniciando o processo de 
fragmentação da coluna de ar. 
5. A frequência dessa fragmentação é proporcional à tensão a que estão submetidas 
as cordas vocais, bem como à velocidade com que se desenvolve o gradiente de 
pressão entre as superfícies. 
 6.2 Produção da fala 
21 Equação de Bernoulli da hidrodinâmica (Efeito Venturi)
2
p v cte 
Fatores que alteram a voz: 
• Mudanças nas cavidades ressonantes (boca, nariz, faringe, caixa torácica, caixa 
craniana,...)  O conjunto formado pelo som fundamental e pelas ondas 
secundárias produzidas nas cavidades ressonantes caracteriza o timbre do som. 
• Mudanças na massa das cordas vocais  A testosterona aumenta a massa das 
cordas vocais e desenvolve a laringe. Com o crescimento a laringe se torna maior 
e mais baixa  Voz do adulto é mais grave 
 
 6.3 Fatores que alteram a voz 
Do ponto de vista médico é importante analisar os sons não linguísticos para diagnose: 
Riso, tosse, choro, grito, gemido, suspiro, balbucio, bocejo, ronco, espirro, eructação,..