ONDAS MECANICAS E SONORAS E APLICAÇÕES

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Universidade Federal do Ceará – ufc 
DEP. DE INTEGRAÇÃO ACADÊMICA E TECNOLÓGICA – DIATEC
CENTRO DE TECNOLOGIA – ct 
Ondas Mecânicas e Sonoras e Aplicações
curso: Engenharia civil
Prof: Luís Gonzaga
Fortaleza - CE
Introdução
Ondas, oscilações que se propagam no espaço, é uma perturbação oscilante no espaço e periódica no tempo. Para expressar a forma de uma onda, precisamos de uma relação de x (espaço) e t (tempo) e uma função periódica, seno ou cosseno. Assim podemos chegar numa equação que represente bem a onda: ; onde: ym é a amplitude (módulo do deslocamento máximo), k é o número de onda (), w é a frequência angular ()
Figura 1:
 Comprimento de onda e AmplitudeA oscilação é caracterizada pelo comprimento de onda,ʎ, distância entre as repetições da forma de onda e pelo período da onda, T, tempo que um elemento da onda leva para realizar uma oscilação completa. Além de termos a frequência, que é o inverso do período T, o número de oscilações por unidade de tempo. Estas grandezas (Figura 1) estão relacionadas a velocidade da onda: .
Existem ondas mecânicas, eletromagnéticas e ondas de matéria, abordaremos as ondas mecânicas e em especial, as ondas sonoras.
Ondas Mecânicas
São perturbações que necessitam de um meio para se propagarem e ao se propagarem transportam energia. Esse tipo de onda possui duas características, seguem as leis de Newton e só existem em meios materiais (como já dito, precisam de um meio para se propagarem). Como exemplo de ondas mecânicas temos: As ondas do mar e as ondas sonoras (que serão abordadas mais a frente). 
Figura 2
:
 Ondas Transversais e LongitudinaisTemos dois tipos de ondas mecânicas, ondas transversais, onde as oscilações acontecem em uma direção perpendicular à direção de propagação da onda e ondas longitudinais, onde as oscilações acontecem na direção de propagação da onda (Figura 2). 
Ondas Sonoras
São casos particulares de ondas mecânicas longitudinais. A nossa percepção de uma onda sonora depende basicamente da frequência (20Hz – 20000 Hz) e da intensidade do som. Ao vibrar as cordas de uma guitarra, o som é emitido e chega aos nossos tímpanos, fazendo eles vibrarem captando a frequência.
Figura 3:
 Ondas SonorasNa Figura 3temos um cachorro emitindo ondas sonoras, onde o cachorro é uma fonte pontual, que emite ondas em todas as direções. As frentes de onda, superfícies onde as oscilações produzidas pelas ondas sonoras tem o mesmo valor, indicam a direção de propagação e espalhamento das ondas. Vemos na mesma figura, que a medida que as frentes de onda se expandem, o raio aumenta e sua curvatura diminui, aparentando ser mais plana, ondas desse tipo são chamadas ondas planas.
Aplicações das Ondas Mecânicas
2.1 Sensor de Estacionamento de Um Carro
Figura 4:
 Ondas Emitidas e Recebidas Pelo Sensor	São instalados no para-choque dos carros e são feitos de uma cerâmica de alta sensibilidade. Esse equipamento é ao mesmo tempo emissor e receptor de ondas ultrassom. Quando emissor, as ondas emitidas são transmitidas até que colidem em algo, assim quando refletidas, voltam diferentes de quando emitidas e se transformam em sinais elétricos, assim, como receptores, os sensores podem analisar os sinais e calcular a distância aproximada do carro até o obstáculo e avisar o motorista através do painel do veículo. Os obstáculos podem ser reflexivos, que refletem facilmente as ondas, por exemplo, outros carrosou absorventes, que são aqueles que absorvem as ondas, por exemplo, uma pessoa.
	Sobre os princípios físicos envolvidos:
Comprimento de Onda (ʎ):
Para calcularmos a velocidade de propagação de uma onda temos: V=ʎ*f ; onde f é a frequência. Sabemos que a velocidade de propagação de uma onda sonora no ar a 20°C é 344m/s, fazendo uma comparação com as ondas eletromagnéticas, Figura 5, cuja velocidade de propagação no ar é 3x108m/s, temos:
Figura 5:
 Comparação Entre Ondas Sonoras e Eletromagnéticas
Vemos que quanto menor a velocidade menor o comprimento de onda e mais fácil detectar a direção da onda e medir a distância.
Atenuação da Onda:
Quanto maior a frequência, maior a taxa de atenuação e menor será o alcance da onda: 
A intensidade de uma onda de ultra-som, que se propaga através do ar, atenua proporcionalmente com a distância e com a frequência.
Figura 5:
 Gráfico de Atenuação da Onda
Obstáculos
Como já dito antes, temos os obstáculos reflexivos e os absorventes, mas a geometria dos obstáculos também é algo importante. Pois a reflexão das ondas em objetos com curvaturas será irregular e será mais difícil detectá-las.
Analisando obstáculos planos e curvos temos:
A reflexão nos obstáculos planos, Figura 7, acontece como se fosse refletida em um espelho no ponto de incidência, pois quando bater em algum obstáculo, a onda sonora volta a se propagar no meio de origem. 
Figura 7:
 Obstáculos planosJá nos objetos curvos, temos certos ângulos formados quando as ondas atingem os obstáculos, Figura 8.
Figura 8:
 Objetos CurvosO sensor, Figura 9, funciona da seguinte maneira, quando o condutor engata a ré, os sensores emitem ondas e com um ‘bep’ avisa o condutor que tem algo perto, quanto mais perto mais rápido os ‘bep’ soam, até que quando está no limite o som do ‘bep’ é único e contínuo.
Figura 9:
 Sensor de Estacionamento
2.2 Utilização De Ultrassom Para O Monitoramento De Estruturas De Concreto
Com a finalidade de aumentar a vida útil das estruturas de concreto, já que houve aumento das ocorrências de deterioração precoce das mesmas, é necessário efetuar monitoramento continuo das condições das edificações. 
Por não causar danos as estruturas, os ensaios não destrutivos facilitam essas análises e com isso, eles tem sido tema de muitos estudos. O ultrassom é um método bem difundido na área da engenharia civil, pois possibilita a análise da compacidade de uma estrutura de concreto através da velocidade da onda ultrassônica.
O constante monitoramento das estruturas pode elevar a sua vida útil pois, detectando a patologia em uma estrutura no início de seu surgimento, torna-se mais fácil a sua recuperação. Além disso, a utilização de programas computacionais nos permite uma análise mais eficaz dos resultados, por diferentes métodos, para verificar-se de que forma pode-se obter resultados mais próximos da realidade.
O método ultrassônico está baseado na propagação de ondas sonoras de alta frequência pelo material analisado. Estas ondas variam de velocidade em função da quantidade de poros e vazios, o que possibilita a detecção de descontinuidades. A ideia é projetar o som para dentro do material, medindo o tempo até que o mesmo se propague até outro ponto qualquer. Sabendo a distância entre os pontos, é possível então determinar a velocidade média no trecho de propagação, a qual irá depender de diversos fatores como a natureza do material, a porosidade do mesmo, a presença ou não de água nos poros, entre outros. Em função da sua sensibilidade a estes fatores, os ensaios ultrassônicos servem para caracterizar um determinado material, sua integridade e outras propriedades físicas, tornando-se uma técnica bastante usada para o controle de qualidade, detecção de defeitos, medição de espessuras ou caracterização dos materiais constituintes do concreto. 
As ondas são transmitidas pelo transdutor emissor, que consiste em um cristal piezoeléctrico capaz de converter a energia elétrica em onda sonora. Quando esse transdutor está em contato com o material a ser analisado, emite uma onda que o atravessa. Ao encontrar uma descontinuidade esta onda é refletida, retardando o sinal que é captado pelo receptor. Quanto maior a velocidade de onda, maior será a compacidade do concreto. 
Os ensaios podem ser realizados de forma indireta, quando se tem acesso a apenas uma das faces. Mas, para uma melhor resposta, os transdutores devem preferencialmente ser colocados em faces opostas, pois se torna menos provável que ocorra a perda ou perturbação do sinal.
ReferênciasUNIVERSIDADE DE SÃO PAULO. Ondas Mecânicas. 
< http://www.cepa.if.usp.br/energia/energia2000/turmaA/grupo6/onda_mecanica.htm> Acesso em 02/11/2016 11:33
HALLIDAY; RESNICK. Fundamentos de Física – Volume 2.9º edição. 
EXPLICATORIUM. Características das Ondas.<http://www.explicatorium.com/cfq-8/caracteristicas-das-ondas.html>Acesso em 02/11/2016 12:38
PROJETO SOMOS FÍSICOS SIMULADOS. Simulado Ondas Sonoras. <http://teachervanialima.blogspot.com.br/2014/11/simulado-ondas-sonoras.html>Acesso em 02/11/2016 13:10
IBERTEC. Princípio Básico de Funcionamento de Sensor.<http://pt.slideshare.net/ibertec/principio-bsico-de-funcionamento-sensor-de-estacionamento-ibertec>Acesso em 06/11/2016 11:04
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. Utilização de Ultra-som Para o Monitoramento de Estruturas de Concreto. <http://www.aaende.org.ar/ingles/sitio/biblioteca/material/T-020.pdf> Acesso em 06/11/2016 19:25