Aula 8 Som

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Ondas Acústicas
 Intensidade do Som
 Perdas por Transmissão e Atenuação
 Perfils verticais de velocidade do som na 
água do mar
 Canal SOFAR
 Influência da Ressurgência Costeira de 
Cabo Frio no Campo Acústico 
Plano de Aula
Bibliografia 
1. Principles of Ocean Physics (J.R. Apel) – Capítulo 7
2. Introduction to Physical Oceanography - Robert H. Stewart (2008)
3. Open University Course (SeaWater: Its composition, properties and
behaviour) – Capítulo 5.2
4. Introduction to Physical Oceanography (John A. Knauss)
Propriedade Acústica da Água do Mar
 Perturbação
 Variação da Pressão
 Medidas do Som no Mar – Hidrofones (cerâmica, 
respondem a variação de pressão)
 Amplitude: quantidade de energia conduzida pela 
onda
 Como qualquer onda: c = f.λ (vel. = freq. x comp.onda)
Propagação do Som no Mar
Comprimento de onda de interesse 
Oceanográfico
 50 m - 1 mm 
 para: c = 1500 m.s-1
 30 Hz - 1.5 MHz
 1 Hz = 1 ciclo por seg (1 kHz = 103 Hz
1 MHz = 106 Hz)
 Em 1826 
 Jean-Daniel e Charles-Francois Sturm
Utilizaram
 Um sino
 Um sino tocado simultaneamente com 
um disparo de pólvora (fogo artificio) 
 A 10 milhas de distância um segundo 
barco observou o tempo entre o disparo 
de pólvora e a onda sonora
 A velocidade do som na água foi 
determinada com uma boa precisão
Propriedade Acústica da Água do Mar
Primeira Medida da Velocidade do Som na Água
Propriedade Acústica da Água do Mar
 Medidas do Som no Mar – Hidrofones (cerâmica, respondem a variação de pressão)
 Um array de hidrofones recebe o pulso sonoro emitido pelo navio e refletido pelo submarino
 A onda sonora alcança primeiro A, depois B e C 
 As diferenças de tempo de percurso da onda ao passar pelos hidrofones, permite calcular a direção do 
submarino
Propagação do Som no Mar
Propriedade Acústica da Água do Mar
 Intensidade da Onda Sonora (I) (W.m-2)
I = 𝑝
2
ρ𝑐
p = pressão (é a variação de pressão), ρ = densidade média água do mar , c = velocidade 
do som
 A pressão acústica sonora varia de:
10-3 N.m-2 (inaudível p/humano) a valores superiores a 105 N.m-2
Intensidade do Som
 A unidade da Intensidade é o bel (Alexander 
Graham Beel, inventor do telefone)
 Ouvido humano pode detectar até: 1/10 bel 
(deciBel - dB)
 a grandeza Intensidade é raramente medida 
diretamente
Propriedade Acústica da Água do Mar
 Hidrofones medem a pressão (amplitude) da onda de som, em vez da sua intensidade, 
pois I é proporcional a p
Intensidade do Som
I = 
𝑝2
ρ𝑐
 dB (decibel) é uma grandeza adimensional
 É uma grandeza relativa, assume um nível sonoro (SL – sound level) de referência
 Para água: pref = 1 µPa (micro Pascal) = 1 x 10
-6 N.m-2
 Para o ar: pref(ar) = 20 µPa
 SL (em dB) para a água é diferente do SL para o ar
Propriedade Acústica da Água do Mar
Intensidade do Som
Pref (µPa) P (Pa) SL (dB)
ar 20 1 94
água 1 1 120
 O som é geralmente medido em frequência
 Ouvido humano: > 20 Hz e < 18.000 Hz (1 Hz = ciclo.s-1)
Assumindo v = 1500 m.s-1
Decibeis (dB) em função da pressão de referência
Frequência (f) (Hz) 102 103 104 105
Comprimento de onda (λ) 15 m 1,5 m 15 cm 1,5 cm
Propriedade Acústica da Água do Mar
Perda por Transmissão
 a perda da energia em relação à distância de propagação e a origem da fonte de energia
 Tem a ver com o fluxo de energia por unidade de área e/ou distância
Perda por Atenuação
 Perda de energia por processos de absorção e espalhamento do campo de onda acústico
Perda por Transmissão e Atenuação
Propriedade Acústica da Água do Mar
Considere:
 Medir a profundidade do oceano (liberando uma carga de TNT em superfície e medindo-se o 
eco de retorno)
 Fonte Sonora (SS sound source): 100 dB a distância de 1 metro
 Quão sensitivo o receptor para medir o eco de retorno (2.000 m prof.) ?
Perda por Transmissão
Assume-se:
 Som cte em todas as direções
 Não há perdas de energia por absorção ou espalhamento
 O fluxo de energia é cte em relação a um centro de expansão esférico determinado por um 
ângulo sólido
Propriedade Acústica da Água do Mar
 Espalhamento + Absorção
Absorção
 Causa primária: propriedades 
molecular da água
 Aumenta com o quadrado da 
frequência
Espalhamento
 Falta de homogeinidade no oceano: 
microestruturas termais
Bolhas de ar
Plancton e outras partículas
Atenuação do Som
Atenuação
 pode ser considerada ignorando-se o 
papel do espalhamento. Assume-se 
que toda atenuação é devida à 
absorção
 Exceto para frequências muito baixas, 
absorção é muito baixa
 Exceto próximo à superfície, onde o 
espalhamento pode ser significante
Propriedade Acústica 
da Água do Mar
 A absorção é função de T, S e P
 Para detereminados valores de T e P, a 
absorção da água pura é muito menor do 
que a água do mar
 Devido ao fenômeno da relaxação iônica 
dos sais de Sulfato de Magnésio 
(MgSO4) e do Ácido Bórico, B(OH)3
 p/ sufato de magnésio efeito é sentido 
para f > 100 kHz
 p/ ácido bórico efeito é sentido f ~ 1 kHz
 Relaxação iônica: separação da 
molécula em seus constituintes iônicos, 
extrai energia da onda acústica
Atenuação do Som
Propriedade Acústica 
da Água do Mar
 Em uma primeira aproximação, o 
espalhamento é independente de λ
(espalhamento ~ 3 x 10-3 dB.km-1)
 Espalhamento importante para f < 100 Hz
Exemplo comparativo: a atenuação de uma 
onda sonora de 10 kHz no:
 ar com umidade relativa 40%: 160 dB.km-1
 oceano: 0.05 dB.km-1
Atenuação do Som
Propriedade Acústica da Água do Mar
Absorção por unidade de distância
Io = intensidade inicial 
k = coeficiente de absorção 
x = distância da fonte
Coeficiente de Absorção
k depende da frequência do som
 maiores frequências são absorvidas mais 
prontamente
 1000 Hz  0,08 dB.km-1 (decibéis por km)
 100.000 Hz  50 dB.km-1 
 dB = 10 log(I/Io)
(log = logaritmo na base 10)
Por exemplo, em um intervalo de 1 km: 
 1000 Hz é atenuado 1,8% (I = 0,982 I0) 
 100.000 Hz é atenuado de: I = 10-5 I0
Propriedade Acústica da Água do Mar
Coeficiente de Absorção
 Coeficiente de Absorção (K) em 
função da frequência
 Maiores frequências > k´s
Propriedade Acústica da Água do Mar
 Sinal típico das sondas acústicas que mapeiam o 
fundo oceânico: 30.000 Hz
 Nessa frequência há pouca atenuação (superfície –
fundo)
 Oceano: estratificação ~ horizontal 
 Base para medidas de fundo através do eco
Intensidade do Som
Propriedade Acústica 
da Água do Mar
 energia transmitida por alterações de 
pressão em um meio elástico
 Percorre grandes distâncias no Oceano
Para condições típicas:
 Velocidade do som no Mar: 1450 a 1550 m/s
 Velocidade do som no Ar: 343 m/s
É função das variáveis de estado da água do mar
 Temperatura
 Salinidade 
 Pressão (profundidade)
Propagação do Som no Mar
Regiões Subtropicais
Linha sólida: média
Linha tracejada: desvio padrão
Fonte: Apel
Propriedade Acústica da Água do Mar
Propagação do Som no Mar
Condição Usual
Região I - Acima da termoclina
 o aumento de P com a profundidade 
aumenta a velocidade do som, apesar 
da diminuição gradual da T (nessa 
região, T e S são relativamente ctes)
Região II - Dentro da termoclina
 a velocidade do som diminui 
rapidamente devido à rápida 
diminuição de T e S e apenas ligeiro 
aumento de P
Região III - Abaixo da termoclina
 a velocidade do som aumenta 
gradualmente porque a P aumenta, 
mas T e S variam pouco
Propriedade Acústica da Água do Mar
Aumentando-se:
 10º C na temperatura C varia de 40 m/s
 1000 m de prof.  C varia de 16 m/s
 1 psu de salinidade  C varia de 1,5 m/s
Causas primárias da variabilidade da velocidade do som
 Temperatura
 Profundidade (pressão)
Velocidade do Som no Mar
c = velocidade do som (m/s)
T = temperatura (°C)
S = salinidade
Z = profundidade (m)
valores nominais de temperatura: 10o e 180 C
Salinidade de Referencia: 35 psu
 Precisão: ± 0.2 m.s-1
Dependência de C
 quadrado com a temperatura
 linear com a salinidade
Propriedade Acústica 
da Água do Mar
Águas Rasas
 variação temperatura domina
 Características da camada de mistura e termoclina são 
muito importantes na propagação das ondas acústicas 
na camada superficial do oceano
 Feições oceânicas de superfície: vórtices, frentes de 
correntes, ondas internas (Rossby e Kelvin) são 
importantes no condicionamento das ondas acústicas 
e na velocidade do som
Águas Profundas
 Dependência da profundidade é dominante
Velocidade do Som no Mar
Propriedade Acústica 
da Água do Mar
A salinidade tem um papel importante na velocidade 
do som:
 nas regiões Ártica e Antártica
 próximo a descargas fluviais 
Regiões Temperadas e Tropicais
 mínimo de velocidade ± 1200 a 1300 m
 Região conhecida como canal SOFAR (SOund
Fixing And Ranging)
Regiões Sub-Polares ou Polares
 O canal SOFAR pode, eventualmente, desaparecer
Velocidade do Som no Mar
Propriedade Acústica da Água do Mar
Velocidade do som no Pacífico Sul (altas latitudes)
160º Leste 117º Leste
Velocidade do Som no Mar
Os perfis mais ao sul estão localizados em águas sub-polares e mostram velocidades 
mínimas em profundidades muito rasas
Propriedade Acústica da Água do Mar
Canal SOFAR
 localizado onde a velocidade do som é mínima
 refração das ondas sonoras dentro do canal impede a dispersão da energia sonora
 as ondas percorrem milhares de quilômetros dentro do canal
Propriedade Acústica da Água do Mar
Propagação da Onda Sonora em Funçaõ do Perfil Vertical de Velocidade
Condições de velocidade:
a) vel. cte
b) vel. diminui com a prof.
c) vel. aumenta com a prof.
e) vel. aumenta e depois diminui 
Propriedade Acústica da Água do Mar
Propagação da Onda Sonora em Funçaõ do Perfil Vertical de Velocidade
Fonte sonora posicionada a 1 km de profundidade
Informalmente: ondas sonoras passando de um meio para o outro curvam-se 
em direção ao meio de menor velocidade de propagação
Propriedade Acústica da Água do Mar
Fonte Acústica Próximo à Superfície
 A termoclina complica o problema da 
transmissão da energia sonora na camada 
superior do oceano
 Processos de refração e reflexão das ondas
sonoras geram um fluxo próximo à superfície
(canal superficial de propagação do som)
 Uma parte das ondas percorrem profundidades
maiores
 O resultado é a criação de zonas de sombrasFonte sonora localizada z = -16 m, 
aprisionamento da energia na superfície e 
a zona de sombra abaixo de 60 m
Propriedade Acústica da Água do Mar
Fonte Acústica Próximo à Superfície
 Durante II Guerra Mundial, submarinos procuravam 
se esconder dos radares dos navios nessas zonas de 
sombras
Propriedade Acústica da Água do Mar
Fonte Acústica Próximo à Superfície
A quantidade de som que retorna do fundo oceânico ou da superfície depende:
 do ângulo que o raio acústico faz com a interface dos meios de diferentes densidades
 da diferença de impedância acústica entre os dois meios
Impedância acústica (Z) = ρc (densidade*velocidade do som)
 Quanto maior a diferença de impedância acústica entre dois meios, mais som é refletido e 
menos é refratado
Valores típicos de impedância acústica
 Oceano: 1,5 x 106 kg.m-2
 Atmosfera: 400 kg.m-2
 Razão (oceano/atm) = 3750
 Interface ar-água: reflexão total das ondas
sonoras
Propriedade Acústica da Água do Mar
Fonte Acústica Próximo à Superfície
Razão Impedância
 (água do mar/sedimento oceânico) = 2,5 (fundo de areia batida)
 (água do mar/sedimento oceânico) = 1,5 (fundo de lama)
 Dada as características de impedância, a quantidade de som refletido varia com o ângulo de 
incidência da onda acústica
 No geral, quanto maior a Razão de Impedância entre dois meios, mais aguda é a reflexão na
interface desses meios
 A Reflexão (R) da energia acústica somente
pode ocorrer na interface de dois meios
com impedância acústica diferentes
Propriedade Acústica da Água do Mar
Fonte Acústica Próximo à Superfície
Fonte sonora localizada a 38 m de profundidade. 
Penetração das ondas no fundo, onde ocorre processos de refração, e retornam à coluna d´água.
Fonte: Apel
Propriedade Acústica da Água do Mar
Propagação do Som no Atlântico
Seção Norte-Sul da estrutura de propagação da velocidade do som (m/s) no 
Atlântico (Meridiano: 30,5º W)
 Observe o aumento da velocidade do som acima e abaixo do canal SOFAR
Propriedade Acústica da Água do Mar
Influência da Frente de Ressurgência Costeira 
(Cabo Frio)
Satélite
ROMS
Fonte: IEAPM
Propriedade Acústica da Água do Mar
Influência da Frente de Ressurgência Costeira 
(Cabo Frio)
Fonte: IEAPM
Propriedade Acústica da Água do Mar
Influência da Frente de Ressurgência Costeira 
(Cabo Frio)
Sem Ressurgência
Com Ressurgência
Propriedade Acústica da Água do Mar
Influência da Frente de Ressurgência Costeira 
(Cabo Frio)
IX ETAS
Sem Ressurgência Com Ressurgência
Propriedade Acústica da Água do Mar
Influência da Frente de Ressurgência Costeira 
(Cabo Frio)
Eficiência do sonar
Propriedade Acústica da Água do Mar
Sons no Mar
Baleia Azul
Chuva
Boto cor-de-rosa 
(amazonas)
Baleia Cinza Golfinho
Terremoto