Biofísica da Audição e Física do Som

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BIOFÍSICA DA AUDIÇÃO 
 
 
 
O ouvido humano é um órgão que converte um estimulo mecânico, produzido em meios 
externo, em estímulos nervosos. 
Os órgãos dos sentidos são responsáveis por captar e transmitir as informações externas 
para o cérebro. Os receptores e as vias nervosas permitem a detecção dos sinais sonoros pela 
audição. 
Parte das informações recebidas pelo ser humano pode ser representada por um 
movimento ondulatório. 
Alem dessas informações, os sensores situados nos canais semicirculares do ouvido 
interno ajudam na manutenção da postura e participam na definição do equilíbrio do corpo e 
percepção de movimentos a audição permite ainda, a transmissão de mensagens emocionais. 
 
1 - FÍSICA DO SOM 
 
O som pode ser representado por um movimento ondulatório, com pulso longitudinal e é a 
transmissão de uma perturbação material, pode ser visto levando em consideração dois aspectos: 
 
a) Perturbação material, deslocamento de energia: Se temos um tubo com ar onde se aplica 
um sinal sonoro em uma das extremidades, na propagação aparecem zonas de 
compressão e rarefação do ar. 
 
b) Representação com movimentos de ondas: O lançamento de uma pedra no centro de um 
tanque com água, aparecem dois movimentos ondulatórios. 
 
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1.1 COMPRIMENTO DE ONDA 
 
É a distância percorrida num ciclo completo, é representado por lambda. O comprimento 
de onda varia conforme o meio de propagação, fonte emissora. 
 
1.2 VELOCIDADE 
 
É o espaço percorrido pela onda. Equivale a dividir o comprimento da onda pelo período. A 
velocidade depende do meio da propagação. 
 
1.3- FREQUENCIA 
 
 É o numero de vezes que o fenômeno se repete em intervalo de tempo, medido em ciclos por 
segundo. 
 
1.4 - ACÚSTICA 
 
 O som físico percebido pelo ouvido pode ser definido por três características: intensidade, 
altura e timbre. 
 
 
1.5 - INTENSIDADE 
 
 É o nível de energia sonora e no movimento ondulatório e é medido pela amplitude. A 
amplitude vai desde sons pouco audíveis, como o falar cochichando, até o barulho de avião. 
 
1.6 - ALTURA 
 
Corresponde ao nível de freqüência do som emitido. Os sons de maior freqüência são os 
mais altos e os de menor freqüência os mais baixos ou mais graves. 
 
1.7 - TIMBRE 
 
Também se denomina qualidade, corresponde ao somatório de freqüências harmônicas. As 
freqüências harmônicas são múltiplos inteiros de uma freqüência fundamental, que é a mais 
longa. Os sons fundamentais complementam os sons harmônicos, dependendo do numero e 
intensidade dos harmônicos, o som tem um timbre, ou qualidade, que pode ser característico. 
 
2 - PROPAGAÇÃO DO SOM 
 
 
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 O som se propaga em função das propriedades do meio transmissor. De um modo 
aproximado, a velocidade é diretamente proporcional à temperatura, e inversamente proporcional 
ao módulo de elasticidade do meio. 
Os tecidos biológicos conferem ao som características semelhantes à da água, ou seja, 
movimentos ondulatórios. O som apresenta todas as propriedades comuns aos movimentos 
ondulatórios, entre as quais apresentam interesse biológico: 
2.1 - REFLEXÃO DO SOM 
Quando o trem de ondas encontra uma superfície que se opõe à propagação, ele muda de 
direção, com ângulo de incidência igual ao da reflexão. As conchas acústicas refletem o som a 
partir de um foco sonoro, reforçando a intensidade em determinada direção. A reflexão do som 
também é o principio do sonar e da exploração biológica através do ultra-som. 
 
2.2 - DIFRAÇÃO 
É o contornamento de obstáculos pela onda. 
 
2.3 - INTERFERÊNCIA 
È o aumento ou diminuição da intensidade do som, devido ao somatório dos pulsos de 
onda: superposição de duas cristas, há reforço; crista e vale, abafamento. A interferência é 
responsável pela perda da discriminação de sons e ruídos é notada especialmente no momento 
do seu desaparecimento. 
 
2.4- EFEITO DOPLER 
É a mudança aparente de freqüência, quando existe movimento relativo entre o emissor e 
o receptor. O efeito Dopler é observado cotidianamente em buzina de veículos, sirenes de 
ambulâncias, apitos, que se aproximam ou se afastam. Esse efeito é usado para determinação de 
velocidade da circulação sanguinea, usando ondas refletidas pelo sangue que se afasta. 
 
3- QUANTITAÇÃO DO SOM 
 Unidades práticas são as mais usadas nos estudos de audição sendo elas: 
- O decibel: É a intensidade relativa do som, não sendo linear. A escala decibélica de 
audibilidade é interessante. A maioria dos indivíduos normais que escuta o som padrão (1.000 
Hz) de 40dB com um ouvido, ouve a mesma intensidade quando usa os dois ouvidos. Do ponto 
de vista psicofísico, 40dB é o dobro de 33dB. 
4- O APARELHO AUDITIVO 
 
 Os estímulos sonoros, cuja origem física são as ondas mecânicas, ao chegarem no 
sistema auditivo terminam agindo sobre células ciliadas e seus nervos terminais, que codificarão 
o estímulo mecânico em potenciais de ação. 
O aparelho auditivo transforma as diferenças de pressão do som em pulso elétrico, que 
são enviadas ao cérebro, onde causam a sensação psicofísica da audição. 
 
5 – ANÁLISE DA INTENSIDADE DO SOM RECEBIDO 
 
A diferença de intensidade de sons recebidos é percebida da seguinte maneira: 
 
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Os deslocamentos da membrana basilar e do órgão de Corti têm amplitude proporcional à 
intensidade do som. 
O som entra como onda hidráulica, pela janela oval. No trajeto, um som fraco desloca 
menos a membrana basilar, o som forte desloca mais. Quanto maior a intensidade sonora, maior 
é a amplitude do deslocamento, maior é o pulso elétrico gerado. Esse pulso elétrico tem o mesmo 
potencial de ação das células que o geram, mas como mais células são acionadas, a corrente é 
maior no caso de sons mais intensos. Essa maior corrente provoca sensação de som mais intenso 
no cérebro. 
 
6 – Características da percepção auditiva 
 As freqüências audíveis estão no intervalo de 20Hz a 20kHz, aproximadamente. A 
sensibilidade do ouvido varia muito com a freqüência v da onda sonora, criando-se um campo de 
audibilidade. Quando , em um valor de freqüência audível, fazemos crescer a intensidade física do 
som, constatamos que: 
 - a partir de um certo valor da pressão acústica, começamos a perceber som; 
 - além de um valor bem superior da pressão acústica o som provoca uma sensação penosa 
e ate mesmo insuportável; 
 As ondas acústicas podem produzir vários efeitos no organismo, como por exemplo, 
sensação de mal-estar, vertigem e náuseas. Isso se deve às minúsculas células capilares do 
ouvido interno que vibram. Essas ondas também podem fazer órgãos internos vibrarem, 
resultando em dores, espasmos ou até em morte. 
 
7 – ANATOMIA MORFOFUNCIONAL DO APARELHO AUDITIVO 
 
O aparelho auditivo é formado por diversas partes: 
 
 Ouvido externo; 
 Ouvido médio; 
 Ouvido interno; 
Nervo acústico; 
 Centros auditivos cerebrais. 
 
 
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O ouvido externo é constituído pelo pavilhão auricular( orelha) e pelo conduto auditivo 
externo, o qual liga a orelha no ouvido médio. O conduto auditivo externo é fechado 
internamente pela membrana timpânica. 
Ouvido médio é formado por uma cavidade cheia de ar que esta conectada a rinofaringe, é 
constituída no tímpano e por três pequenos ossos interconectados: o martelo, a bigorna e o 
estribo. 
 
O tímpano é uma membrana muito durável e bem esticada que vibra. Quando a onda 
alcança uma compressão força o tímpano para dentro e a refração a força para fora, logo o 
tímpano vibra com a mesma freqüência da onda, como ela esta conectada ao martelo,os 
movimentos do tímpano colocam o martelo, a bigorna e o estribo em movimento com a mesma 
freqüência da onda. 
 
O estribo é conectado ao ouvido interno, assim as vibrações do estribo são transmitidas ao 
fluido do ouvido médio e criam uma onda de compressão dentro do fluido. Os três pequenos 
ossos do ouvido médio agem como ampliadores das vibrações das ondas sonoras. 
 
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O ouvido interno também conhecido como cóclea, é formado pelo (labirinto; uma estrutura 
tubular e preenchida pela endolinfa.Vestíbulo localizada na janela oval e recebe vibrações 
mecânicas do estribo,essas vibrações são transmitidas á endolinfa; e os canais semicirculares 
envolvidos com o sentido dos movimentos ) um conjunto de túneis cheios de linfas, encravados 
no osso temporal. Em forma de espiral esta dividido por três canais: rampa vestibular, rampa 
média e rampa timpânica. As rampas vestibulares e timpânicas contêm a perlinfa, um líquido com 
baixa concentração de potássio e alta concentração de sódio.A rampa média contém a endolinfa, 
um líquido com alta concentração de potássio e baixa concentração de sódio. A separação das 
rampas média e timpânica é feita pela membrana basilar. Na superfície desta membrana está o 
órgão de Corti, que contém as células ciliadas. As vibrações dos líquidos dentro da cóclea produz 
vibrações nas células ciliadas que convertem o som em sinais elétricos. 
 
 
8- FUNÇÕES DO APARELHO AUDITIVO 
 
 
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 As funções do aparelho auditivo estão relacionadas á conversão de ondas sonoras e 
impulsos elétricos, que são enviadas ao cérebro,onde causam a sensação psicofísica da audição e 
percepção de movimento e posição de uma pessoa. 
 Cada parte do aparelho auditivo serve para uma função especifica para interpretar o som: 
O ouvido externo tem como função coletar o som e o levar para o canal externo até o 
ouvido medo; 
 O ouvido médio tem como função transformar a energia de uma onda sonora em vibração 
interna da estrutura óssea do ouvido médio e finalmente transformar estas vibrações em uma 
onda de compressão ao ouvido interno. 
 A função do ouvido interno ao perceber estas ondas é de transformar a energia da onda 
de compressão dentro do fluido em impulsos nervosos que podem ser transmitidos ao cérebro. 
 
 9 - FISIOLOGIA 
O movimento dos elementos cocleares não é simples.Na região onde a onda sonora 
provoca um maior descolamento perpendicular da membrana basilar , predomina a vibração 
transversal, porém nas extremidades o componente de movimento longitudinal passa ser 
significativo.Ao mover a membrana tectorial estica e comprime os cílios das células ciliadas 
internas e externas, provocando a sua excitação e o aparecimento de impulsos elétricos que se 
propagam pelos filetes nervosos.Essas células se comportam como um transdutor de dupla ação, 
convertendo energia mecânica em elétrica (transdutor mecanoelétrico) ou energia elétrica em 
mecânica(transdutor eletromecânico). 
As células ciliadas internas e externas fazem sinapses com neurônios que se dirigem para 
o complexo olivar superior. As células internas têm sua atividade regulada em parte por impulsos 
elétricos provenientes do corpo olivar superior ipsilateral, enquanto as externas são controladas 
por impulsos gerados por estruturas cerebrais superiores. Tanto as ciliadas internas como as 
externas recebem inervação aferente e eferente. As vias aferentes levam informações para o 
sistema nervoso central, enquanto as eferentes trazem para as células os impulsos gerados por 
esse sistema. 
As sinapses entre as células ciliadas internas e as fibras nervosas aferentes utilizam o 
glutamato(substância neurotóxica quando em concentração elevada) como neurotransmissor 
.Para evitar lesões , essas sinapses possuem um eficiente mecanismo de transformação do 
glutamato em glutamina.As sinapses eferentes que chegam ás células internas se utilizam de 
vários neurotransmissores; Ex: 
 -acetilcolina; 
 -ácido aminobutírico(GABA); 
 -dopamina; 
 -encefalina; 
 -calcitonina; 
 -dinorfinas 
Nas células externas a sinapse não é tão conhecida, porém sabe-se que entre vários 
neurotransmissores estão envolvidos o GABA, a acetilcolina e um tipo de calcitonina. 
 
10 – EXAMES/TESTES 
 
 Audiograma: mostra que a sensibilidade do ouvido humano varia com a freqüência do 
som. 
 
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 Teste de Weber: quando um diapasão vibrante é colocado no plano sagital em contato 
com a testa, o paciente normalmente ouve o som de modo igual em ambos os ouvidos. 
 
 Teste Rinne: Coloca-se um diapasão em vibração sobre a apófise do temporal, o paciente 
com o ouvido normal ouve o som diminuir progressivamente à medida que a energia do 
diapasão se dissipa. 
 
 Teste do diapasão: Os ouvidos são testados alternadamente, por obliteração de um deles. 
O diapasão é vibrado perto do ouvido, e vai sendo afastado gradualmente, até o paciente 
indicar, com a mão, que não mais escuta o som. Nesse instante, o cabo do diapasão é 
rapidamente colocado no mastóide desse lado. Quando o paciente recomeça a ouvir o 
som, a surdez é de condução, a cóclea e o nervo ótico estão indenes, e a condução óssea 
é satisfatória. O paciente pode se beneficiar como uso de aparelhos auditivos. Quando no 
teste, o paciente não ouve nada, a surdez pode ser nervosa, mas é necessário investigar 
mais. 
 
 Teste da orelhinha: A triagem auditiva neonatal, obrigatória por lei municipal nº. 3028, de 
17 de maio de 2000. É um programa de avaliação da audição em recém nascidos, indicada 
por instituições do mundo todo para diagnóstico precoce de perda auditiva, uma vez que 
sua incidência, na população geral, é de 1 a 2 por 1000 nascidos vivos. A Técnica utilizada 
é a de Emissões Oto acústicas Evocadas(EOAs). O Exame é indolor, com a colocação de 
um pequeno fone na parte externa do ouvido, com a duração por um tempo médio de 3 a 
5 minutos. O resultado é informado no final do exame. Um protocolo de avaliação junto 
com o laudo será enviado à mãe e ao médico solicitante. 
Quando houver suspeita de deficiência a partir da triagem auditiva, a criança será 
encaminhada para avaliação otológica e audiológica completas. 
 
11 – ANOMALIAS 
 
 Surdez de condução: Ocorre quando há impedimento para a livre transmissão dos sons 
através do ouvido. 
 
 Surdez sensorial: Se deve ao aumento do limiar de excitabilidade para produzir os 
potenciais de ação que se propagam os nervos acústicos. 
 
 Surdez central: Ocorre quando há lesões das vias nervosas centrais ou do córtex cerebral 
encarregado da audição. 
 
 
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 Ondulatória é a parte da Física que estuda as ondas. Qualquer onda pode ser estudada aqui, seja 
a onda do mar, ou ondas eletromagnéticas, como a luz. 
 
Conceito de Onda 
 
A definição de onda é qualquer perturbação (pulso) que se propaga em um meio. Ex: uma pedra 
jogada em uma piscina (afonte), provocará ondas na água, pois houve uma perturbação. Essa 
onda se propagará para todos os lados, quando vemos as perturbações partindo do local da 
queda da pedra, até ir na borda. Uma sequência de pulsos formam as ondas. 
 
Chamamos de Fonte qualquer objeto que possa criar ondas. 
A onda é somente energia, pois ela só faz a transferência de energia cinética da fonte, para 
o meio. Portanto, qualquer tipo de onda, não transporta matéria!. 
 
As ondas podem ser classificadas seguindo três critérios: 
 
Classificação das ondas segundo a sua Natureza 
 
Quanto a natureza, as ondas podem ser dividas em dois tipos: 
- Ondas mecânicas: são todas as ondas que precisam de um meiomaterial para se propagar. Por 
exemplo: ondas no mar, ondas sonoras, ondas em uma corda, etc. 
- Ondas eletromagnéticas: são ondas que não precisam de um meio material para se propagar. 
Elas também podem se propagar em meios materiais. Exemplos: luz, raio-x , sinais de rádio, etc. 
 
Classificação em relação à direção de propagação 
 
As ondas podem ser dividas em três tipos, segundo as direções em que se propaga: 
 
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- Ondas unidimensionais: só se propagam em uma direção (uma dimensão), como uma onda em 
uma corda. 
- Ondas bidimensionais: se propagam em duas direções (x e y do plano cartesiano), como a onda 
provocada pela queda de um objeto na superfície da água. 
- Ondas tridimensionais: se propagam em todas as direções possíveis, como ondas sonoras, a 
luz, etc. 
 
Classificação quanto a direção de propagação 
 
- Ondas longitudinais: são as ondas onde a vibração da fonte é paralela ao deslocamento da 
onda. Exemplos de ondas longitudinais são as ondas sonoras (o alto falante vibra no eixo x, e as 
ondas seguem essa mesma direção), etc. 
- Ondas transversais: a vibração é perpendicular à propagação da onda. Ex.: ondas 
eletromagnéticas, ondas em uma corda (você balança a mão para cima e para baixo para gerar 
as ondas na corda). 
 
Características das ondas 
 
Todas as ondas possuem algumas grandezas físicas, que são: 
- Frequência: é o número de oscilações da onda, por um certo período de tempo. A unidade de 
frequência do Sistema Internacional (SI), é o hertz (Hz), que equivale a 1 segundo, e é 
representada pela letra f. Então, quando dizemos que uma onda vibra a 60Hz, significa que ela 
oscila 60 vezes por segundo. A frequência de uma onda só muda quando houver alterações na 
fonte. 
-Período: é o tempo necessário para a fonte produzir uma onda completa. No SI, é representado 
pela letra T, e é medido em segundos. 
É possível criar uma equação relacionando a frequência e o período de uma onda: 
f = 1/T 
ou 
T = 1/f 
- Comprimento de onda: é o tamanho de uma onda, que pode ser medida em três pontos 
diferentes: de crista a crista, do início ao final de um período ou de vale a vale. Crista é a parte 
alta da onda, vale, a parte baixa. É representada no SI pela letra grega lambda (λ) 
- Velocidade: todas as ondas possuem uma velocidade, que sempre é determinada pela 
distância percorrida, sobre o tempo gasto. Nas ondas, essa equação fica: 
v = λ / T ou v = λ . 1/T ou ainda v = λ . f 
- Amplitude: é a "altura" da onda, é a distância entre o eixo da onda até a crista. Quanto maior 
for a amplitude, maior será a quantidade de energia transportada. 
 
Exercite, 
 
1. Uma onda desloca-se na superfície de um lago com velocidade de 0,3 m/s. Sabendo que o 
comprimento de onda é 0,6 m, determine quantas vezes por segundo um pedaço de 
 
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madeira que flutua neste lago vai realizar um movimento de "sobe desce". Isso 
corresponde a perguntar qual é a frequência deste movimento oscilatório, em hertz. 
 
2. Quando uma gota de chuva cai sobre uma poça d'água, forma-se um pulso que se 
propaga por sua superfície. Esse pulso é transversal ou longitudinal? 
 
3. Uma onda tem frequência de 10Hz e se propaga com velocidade de 400m/s. Qual o seu 
comprimento de onda? 
 
4. Quando uma corda de violão é colocada em vibração, gera no ar em sua volta uma onda 
sonora que caminha com velocidade média de 340 m/s. Se uma corda vibrar com 
freqüência de 510 Hz, qual será o comprimento da onda sonora que se propagará no ar? 
 
5. O eco de um grito é ouvido por uma pessoa 5 s após ela ter gritado. A velocidade do som 
no ar é de aproximadamente 330 m/s. Calcule a distância que se encontra da pessoa a 
superfície onde o som foi refletido. 
 
6. Qual a faixa de frequência perceptível ao ouvido humano? 
 
7. Qual a faixa de frequência perceptível para um cachorro. 
 
8. Utilizando os resultados dos dois exercícios anteriores, tente explicar o motivo de não 
escutarmos aqueles apitos para cães. 
 
9. Um gato percebe frequências que vão de 30 Hz até 45 000 Hz. Qual destes extremos 
representa o som grave e qual representa o som agudo? 
 
10. O som se propaga com a mesma velocidade em todos os meios? Geralmente qual a 
relação que existe entre a velocidade e o meio material. 
 
11. O que acontece com uma onda sonora quando você aumenta o volume do rádio? 
 
12. Uma onda tem frequência de 10 Hz e se propaga com velocidade de 400 m/s. então, seu 
comprimento de onda vale, em metros. 
 
13. Uma pequena esfera suspensa por uma mola executa movimento harmônico simples na 
direção vertical. Sempre que o comprimento da mola é máximo, a esfera toca levemente a 
superfície de um líquido em um grande recipiente, gerando uma onda que se propaga com 
velocidade de 20 cm/s. Se a distância entre as cristas da onda for 5,0cm, a freqüência de 
oscilação da esfera será, 
 
14. Para pesquisar a profundidade do oceano numa certa região, usa-se um sonar instalado 
num barco em repouso. O intervalo de tempo decorrido entre a emissão do sinal 
(ultrassom de frequência 75 kHz) e a resposta do barco (eco) é de 1 s. Supondo o módulo 
 
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de velocidade de propagação do som na água igual a 1,5x103 m/s, qual é a profundidade 
do oceano, na região considerada? 
 
15. Qual é a frequência de uma onda que se propaga em um líquido, com velocidade de 
módulo 10 cm/s, sabendo-se que o seu comprimento de onda é 2 cm? 
 
16. A corrente alternada das redes de eletricidade europeias oscila com frequência de 50 ciclos 
por segundos. Calcule o período dessa corrente. 
 
17. Ondas sonoras propagam-se no ar com velocidade de módulo igual a 3.3 102m/s. Um som 
audível tem frequência de 5 kHz. Qual o comprimento de onda desta onda? 
 
18. O módulo da velocidade de uma onda eletromagnética no vácuo é de 3x108 m/s e o 
módulo de sua velocidade no ar pode ser considerado o mesmo. Uma emissora de rádio 
transmite com uma frequência de 100MHz (megahertz). Qual o valor aproximado do 
comprimento de onda, no ar, das ondas emitidas. 
 
19. Um trem de ondas senoidais de frequência 440Hz propaga-se ao longo de uma corda 
tensa. Verifica-se que a menor distância que separa dois pontos que estão em oposição de 
fase (vale e crista, por exemplo) é 40 cm. Nestas condições, qual será o módulo da 
velocidade de propagação da onda? 
 
20. Um objeto flutuando na água é atingido por 60 pulsos a cada 30 s. Determine: 
a) a sua frequência em Hz; 
b) o seu período em segundos. 
 
21. Calcule o comprimento de onda de uma onda cuja frequência é 60 Hz e se propaga com 
velocidade de 3 m/s? 
 
22. Calcule a velocidade de propagação de uma onda de comprimento de onda igual a 2.10-9m 
e 1,5.1017Hz de frequência.