ONDAS MECANICAS E SONORAS E APLICAÇÕES

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

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 
 
 
 
2 
 
Sumário 
1. Introdução ....................................................................................................................................... 3 
1.1 Ondas Mecânicas ........................................................................................................................ 3 
1.2 Ondas Sonoras ............................................................................................................................. 4 
2. Aplicações das Ondas Mecânicas .................................................................................................... 4 
2.1 Sensor de Estacionamento de Um Carro .......................................................................................... 4 
2.2 UTILIZAÇÃO DE ULTRA-SOM PARA O MONITORAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ............ 7 
3. Referências ...................................................................................................................................... 8 
 
 
3 
 
1. 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: 𝑦(𝑥, 𝑡) = 𝑦𝑚𝑠𝑒𝑛(𝑘𝑥 − 𝑤𝑡) ; onde: ym é a amplitude (módulo do deslocamento máximo), k é 
o número de onda (
2𝜋
ʎ
), w é a frequência angular (
2𝜋
𝑇
) 
A 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: 𝑣 =
ʎ
𝑇
= ʎ𝑓 . 
Existem ondas mecânicas, eletromagnéticas e ondas de matéria, abordaremos as ondas mecânicas 
e em especial, as ondas sonoras. 
1.1 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). 
Temos 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). 
 
 
 
 
Figura 2: Ondas Transversais e Longitudinais 
Figura 1: Comprimento de onda e Amplitude 
4 
 
1.2 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. 
Na 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. 
2. Aplicações das Ondas Mecânicas 
 
2.1 Sensor de Estacionamento de Um Carro 
 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 3: Ondas Sonoras 
Figura 4: Ondas Emitidas e Recebidas Pelo Sensor 
5 
 
 
 
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. 
 
 
 
 
 
• 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. 
Já nos objetos curvos, temos certos 
ângulos formados quando as ondas atingem 
os obstáculos, Figura 8. 
Figura 5: Comparação Entre Ondas Sonoras e Eletromagnéticas 
Figura 5: Gráfico de Atenuação da Onda 
Figura 7: Obstáculos planos 
6 
 
 
O 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 8: Objetos Curvos 
Figura 9: Sensor de Estacionamento 
7 
 
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. 
8 
 
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. 
3. Referências 
• UNIVERSIDADE 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