Biofísica da Audição

Prévia do material em texto

BIOFÍSICA DA AUDIÇÃO 
A Biofísica da Audição trata do funcionamento do ouvido, que é um orgão sensor
capaz de converter ondas sonoras em sinais elétricos que serão interpretados pelo
cérebro.
* física ondulatória (ondas mecânicas - sonoras) * funcionamento
ONDAS SONORAS 
Uma onda mecânica é causada por uma perturbação em um meio material elástico. Tendo o
meio propriedadas 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.
ONDAS SONORAS 
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, período (tempo necessário para onda percorrer 1
comprimento de onda), frequência (inverso do período – número de comprimentos de
onda que passam em um determinado tempo por um ponto), sofrem reflexão e
atenuação.atenuação.
v = λ/T = λ f
335 m/s
ONDAS SONORAS 
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 A). Ou seja,
quanto maior a amplitude, maior é a intensidade dessa onda.
A intensidade está relacionada com o som ser fraco ou forte.
Muitos objetos preferem vibrar em determinadas freqüências que são chamadas
freqüências 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 freqüência natural desse objeto é chamada ressonância. Isso causa em um
aumento na amplitude de vibração e conseqüentemente intensidade de vibração.
ONDAS SONORAS 
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.
O 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.
O OUVIDO HUMANO 
O ouvido externo é constituído da orelha que é responsável pela captação do som, o
canal auditivo que é responsável em guiar o som e a membrana timpânica.
O ouvido médio é composto pelos 3 ossículos, na ordem: martelo, bigorna e estribo.
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 HUMANO 
O OUVIDO E O EQUILÍBRIO
• Os movimentos são registrados pelos
canais semicirculares;
• Esses tem no seu interior endolinfa e
terminam em bolsas dilatadas
chamadas ampolas, que contém em seuchamadas 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.
O OUVIDO HUMANO 
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 orgão de Corti com as células
ciliadas responsáveis pela conversão do sinal sonoro em elétrico.
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
logarítimica, 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. 
O OUVIDO HUMANO 
A sensibilidade do ouvido humano varia com a idade. Pessoas mais idosas têm dificuldade
de ouvir freqüências 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 orgão de Corti e de suas células por exposição inadequada a ruídos.
Local/Objeto Intensidade do Som em dB
Ruído de uma sala de estar 40 dB
Grupo de amigos conversando em tom normal 55 dB
Caminhão pesado em circulação 74 dB
Trios elétricos num carnaval 110 dB
Tráfego em uma avenida com grande 
movimento e em obras com britadeiras
85 dB -> 120 dB
movimento e em obras com britadeiras
Discoteca 130 dB
Um estádio cheio de vuvuzelas 140dB
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
freqüência da onda sonora.
O OUVIDO HUMANO 
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
O OUVIDO HUMANO 
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 para se ter
uma audição adequada.
Essa amplificação é feita devido ao
funcionamento dos 3 ossículos e
também por causa da relação entre as
áreas da membrana timpânica e da
janela oval.
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:
O OUVIDO HUMANO 
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 maiorque a pressão na membrana timpânica. Ou seja, a pressão na janela oval é 20 ou 30 vezes maior que a pressão na membrana timpânica. 
O OUVIDO HUMANO 
Após atingir a janela oval então, a onda sonora se propaga pela perlinfa na cóclea até
atingir as células ciliadas que ficam no orgão 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 orgão 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 orgão de Corti. Também causa um deslizamento da
membrana tectórica sobre o orgão de Corti criando movimentos nos cílios das células
externas que provoca movimento dos cílios das células internas que dispara a depolarizaçãoexternas 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 freqüência de som
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
O OUVIDO HUMANO 
ossos, por isso uma pessoa não reconhece
sua voz quando gravada. No ar algumas
freqüências baixas se perdem.
O intervalo de freqüências audíveis humanas vai de 20 Hz até 20000 Hz. Sendo que o
ouvido tem maior sensibilidade para freqüências de 2000 – 5000 Hz por causa da
ressonância. Quando o ouvido é estimulado com essa faixa de freqüência que está
relacionada com a sua freqüência natural e por isso vibra com maior amplitude e
intensidade tornando o ouvido mais sensível.
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
O OUVIDO HUMANO 
Para detectar danos primeiro se faz testes fazendo a pessoa ouvir sons com intensidades
e freqüência 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 freqüências 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.
Ainda há muito o que se estudar sobre a interpretação e percepção do som pelo cérebro
humano. Suspeita-se que as células ciliadas respondem diferentemente às freqüências e que
os próprios neurônios do ouvido são ou não depolarizados de acordo com a freqüência que
chega até ele, sendo que uns são depolarizados para algumas freqüências e outros para
outras freqüências.
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 uma
fator de 30 nas forças transmitidas para a janela oval. Entretanto o tempo de reação é longo
O OUVIDO HUMANO 
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. Também faz parte do
ouvido médio a trompa de eustáquio que se abre e fecha para proteger o ouvido de variações
de pressão.
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.
1. “Physics, with health science applications” de Paul Peter Urone.
2. “Biofísica da audição” de Pedro Menezes, Silvio Caldas Neto e Mauricy Motta.
3. “Física para ciências biológicas e biomédicas” de Emico Okuno e coautores. 
4. “Biofísica” de Eduardo Garcia.
BIBLIOGRAFIA