Biofísica da Audição

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BIOFÍSICA DA AUDIÇÃO 
Paulo Euzébio 
 
Departamento de Biofísica e Radiobiologia 
e-mail: pauloeuzebio03@gmail.com 
Biofísica da 
audição 
Funcionamento 
do ouvido 
Equilíbrio 
e 
Pressão 
Ondas sonoras 
-> sinais elétricos 
que podem ser 
interpretados pelo 
cérebro 
 Ouvido externo Ouvido médio Ouvido interno 
ESTRUTURA 
Vasos, nervos, 
Glândulas ceruminosas e 
sebáceas, além de células 
ciliadas 
Martelo, bigorna e 
estribo + trompa 
de Eustáquio – 
janela oval 
Parte auditiva (vestíbulo, cóclea e canais 
semicirculares) 
 
Parte do equilíbrio (saco membranoso, - 
o utrículo- do qual partem os três canais 
semicirculares.) 
Ondas Sonoras 
• Uma onda mecânica é causada por uma perturbação em um meio 
material elástico. Tendo o meio propriedades 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. 
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. 
Toda onda carrega uma energia que é proporcional ao quadrado da amplitude a, 
E a 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 frequências que são chamadas 
frequências 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 frequência natural 
desse objeto é chamada ressonância. 
 
Isso resulta em um aumento na amplitude de vibração e consequentemente 
intensidade de vibração. 
Reflexão e Transmissão de Ondas 
Se a 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. 
 O ser humano detecta dois sons que estejam separados por 0,1 segundos, ou 
seja, para a velocidade do som no ar (340 m/s), esse tempo representa 34 
metros. Assim, se o obstáculo estiver a menos de 17 metros não detectamos a 
diferença entre o som que emitimos e o som que recebemos, e desse modo, o 
eco não acontece apesar da onda ter sido refletida. 
E O ECO COMO OCORRE? 
Converter ondas mecânicas  estímulos sonoros 
Células receptoras Sinal elétrico 
interpretados 
pelo cérebro 
como potencial 
de ação 
O ouvido externo  captação do som + o canal auditivo que é responsável 
em guiar o som à membrana timpânica. 
 
O ouvido médio é composto pelos 3 ossículos, na ordem: martelo, bigorna e 
estribo  amplificar o som 
 
Ouvido interno  transformar sinal mecânico num impulso elétrico que vai 
deflagrar um potencial de ação que será interpretado pelo cérebro 
SITE 
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. 
 
Cóclea 
contém fluidos 
e as células 
sensoriais 
ciliadas 
Rampa vestibular (perilinfa 
K e Na) 
Rampa média (endolinfa K 
e Na) 
Rampa timpânica (perilinfa 
K e Na) 
Separados pela 
membrana basilar 
que contém o 
órgão de corti 
(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. 
 
A sensibilidade do ouvido humano varia com a idade. Pessoas mais idosas têm dificuldade 
de ouvir frequências 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 órgão de Corti e de suas células por exposição inadequada a ruídos. 
Local/Objeto Intensidade do 
Som em dB 
Ruido 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 
Discoteca 130 dB 
Um estádio cheio de vuvuzelas 140dB 
INTENSIDADE DO SOM 
Uma pessoa ouve um som de intensidade 10-8 W/m2. Calcule o nível 
sonoro que a pessoa ouve, em decibel. 
O OUVIDO HUMANO 
dB = 10 log (I/Io) dB = 10 log (10
-8/10-12) dB = 10 log (104) 
dB = 10 x 4 
dB = 40 
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 frequência da onda sonora. 
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 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. 
O OUVIDO HUMANO 
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 maior que a pressãona membrana 
timpânica. 
 
 
 
 
Após atingir a janela oval então, a onda sonora se propaga pela perilinfa na cóclea até atingir as células 
ciliadas que ficam no órgão 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 órgão 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 
órgão de Corti. Também causa um deslizamento da membrana tectórica sobre o órgão de Corti criando 
movimentos nos cílios das células externas que provoca movimento dos cílios das células internas que 
dispara a despolarização e a propagação do impulso para o cérebro. 
O deslocamento é causado em diferentes pontos da membrana basilar para diferentes 
frequência de som 
 
O deslocamento é causado em diferentes pontos da membrana basilar 
para diferentes frequência de som 
Ressonância -> Determinadas zonas 
da membrana basilar têm uma 
resposta mais acentuada em uma 
pequena gama de frequências, 
fazendo com que ela se desloque 
mais. 
SITE 
Sua voz gravada é diferente daquela no 
momento da fala? 
 
 
Porque isso acontece? 
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 
sua voz quando gravada. No ar algumas 
frequências baixas se perdem. 
O OUVIDO HUMANO 
O intervalo de frequências audíveis humanas vai de 20 Hz até 20000 Hz. Sendo que o 
ouvido tem maior sensibilidade para frequências de 2000 – 5000 Hz por causa da 
ressonância. 
Quando o ouvido é estimulado com essa faixa de freqüência que está relacionada com a 
sua frequência natural e por isso vibra com maior amplitude e intensidade tornando o 
ouvido mais sensível. 
• Exposição inadequada a ruídos 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 e frequências variadas e responder a esse estímulo, se o dano não é 
detectado um segundo teste é feito usando a condução óssea para avaliar se o dano 
é condutivo ou neural. Esse teste ósseo é feito mantendo várias frequências sonoras 
e intensidades através do osso do crânio. Se a resposta é normal, o problema é 
condutivo; caso contrário é neural. 
CURIOSIDADES SOBRE AUDIÇÃO 
• 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. 
 
Porque quando vamos a uma festa e ao sair dela 
temos a sensação de está com problema auditivo 
como se fossemos surdos? 
CURIOSIDADES SOBRE AUDIÇÃO 
Qual a sensação que temos em termos auditivos 
ao sair de uma boate? 
 O ouvido médio também tem a função de proteção para sons 
muito intensos. Músculos ligados aos ossículos contraem quando 
estimulados por sons muito intensos reduzindo por um fator de 30 
as 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. 
 
 
CURIOSIDADES SOBRE AUDIÇÃO 
O OUVIDO E O EQUILÍBRIO 
• Labirinto membranoso – utrículo 
sáculo membranoso (ricos em 
células sensoriais), canais 
semicirculares anterior e posterior 
• Os movimentos são registrados pelos canais 
semicirculares anterior e posterior; 
 
• Esses tem no seu interior endolinfa e terminam 
em bolsas dilatadas chamadas 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 os órgãos tácteis 
que transmitem impulsos nervosos ao cérebro. Os 
sinais emitidos pelas células ciliadas não chegam 
somente ao cérebro, mas alguns destes alcançam 
diretamente os músculos do PESCOÇO, 
permitindo-nos manter a cabeça direita. Graças a 
estes reflexos, os músculos conferem estabilidade 
ao corpo. Os movimentos da cabeça atuam 
também sobre os OLHOS. Quando a cabeça roda 
numa direção, os músculos oculares reagem 
simultaneamente e o olho move-se na direção 
oposta para conservar uma imagem fixa. 
Os movimentos da cabeça são analisados 
pelas células ciliadas da ampola. 
Quando viramos a cabeça o liquido desloca-se 
fazendo curvar as células ciliadas, que por sua vez 
emitem impulsos nervosos. 
Quando viramos a cabeça numa direção, as células ciliadas curvam-se na direção oposta e os 
impulsos nervosos são modificados. O cérebro pode assim adaptar os movimentos do corpo e 
conservar o equilíbrio. 
REGULAÇÃO DA 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.