Sistema auditivo

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FFI0210 Acústica Física
Sistema auditivo
Prof. Dr. José Pedro Donoso
Universidade de São Paulo
Instituto de Física de São Carlos - IFSC
Agradescimentos
Os docentes da disciplina gostariam de expressar o seu
agradecimento as editoras LTC (Livros Tecnicos e Científicos), 
Cengage Learning e E. Blucher pelo acesso às figuras dos livros
textos: ” Fisica ” de Tipler & Mosca e “ Fundamentos de Física ” de 
Halliday, Resnick e Walker (LTC), “ Principios de Física ” de Serway
& Jewett (Cengage Learning) e “ Acústica Aplicada ao Controle do 
Ruído ” (Blucher).
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Anatomia da ouvido humano
Som e Audição - Biblioteca Cientifica Life (Livraria J. Olympio, 1982)
Ouvido externo
O processo da audição começa quando as ondas sonoras
entram no conduto do ouvido externo. Este conduto condensa
as ondas a as leva ao tímpano.
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Ouvido externo
O canal auditivo tem um diâmetro médio de 7 mm e comprimento em torno de 30 
mm. Se trata essencialmente, de um duto, fechado na extremidade pelo tímpano. A 
frequência de ressonância para este duto é da ordem de 3400 Hz.
Tipler & Mosca, Física (LTC, 2009), Serway & Jewett, Princípios de Física (Cengage, 2004)
Cálculo da frequência de ressonância do canal auditivo
Consideramos o canal auditivo como uma
coluna de ar aberta em uma extremidade e 
fechada na outra, de comprimento L
As frequências de ressonância na faixa
audível são três: f1 = 3400 Hz, f3 = 10.1 kHz
e f5 = 16.9 kHz
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Função de transferência
O som que chega ao tímpano é afetado pela função de transferência na
entrada do canal auditivo e pela função de transferência do conduto auditivo
externo. A primeira ressonância do canal auditivo explica a maior sensibilidade
do ouvido entre 3 e 5 kHz.
Som e Audição - Biblioteca Cientifica Life (Livraria J. Olympio, 1982)
Ouvido médio
Os ossículos (martelo, bigorna e estribo) formam uma ponte
conduzindo as vibrações do tímpano até o ouvido interno. As 
ondas chegam sob a forma de energia mecânica amplificada.
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Ouvido médio
O ouvido médio consiste no tímpano e em
tres ossículos: martelo, bigorna e estribo.
Ele transfere, através dos ossículos, o 
movimento vibratório do tímpano para a 
janela oval da cóclea.
Na ausência dele, apenas 0.8% da
energia sonora incidente seria transmitida
para a cóclea. A função do ouvido médio é
então cassar as impedâncias e amplificar
a amplitude do som
Urone, Physics with health science applications (Wiley 1986)
Rossing, The Sience of Sound (Addison Wesley 1990)
Amplificação da pressão sonora
Se concentramos toda a força
que o som exerce no tímpano
sobre uma área menor, a 
pressão sonora P aumentará
proporcionalmente. 
Area do tímpano: 55 mm2
Area da janela oval: 3.2 mm2.
⇒ P aumenta num fator 17 
Os ossículos formam um sistema de alavancas que
aumentam ainda mais a pressão (num fator de aprox. 1.4).
No total, os dois mecanismos provocam um aumento da
pressão sonora de aprox. 24 vezes
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Função de transferência do ouvido médio
A função de transferência foi obtida medindo-se a pressão sonora imediatamente
atrás da janela oval, dentro da cóclea, aplicando pressões sonoras constantes no 
tímpano. O casamento de impedâncias proporcionado pelo ouvido médio resulta
numa perfeita transmissão para a cóclea, da energia sonora incidente no tímpano.
Som e Audição - Biblioteca Cientifica Life (Livraria J. Olympio, 1982)
Ouvido interno
A força exercida pelo estribo sobre a janela oval se converte dentro do ouvido
interno cheio de líquido, em ondas de preessão. Fluindo sobre a membrana
basilar, criam ondulações que estimulam os sensíveis orgãos de Corti.
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Ouvido interno
O ouvido interno consiste no laberinto ósseo (cavidades e canais dentro do osso
temporal) e no laberinto membranáceo, composto de dutos e da cóclea .
O nervo vestibular transmite para o cérebro os sinais elétricos gerados pelo sistema
vestibular (responsável pelo equilíbrio) e o nervo coclear transmite os sinais elétricos
gerados pela cóclea (responsável pela codificação das informações sonoras)
Bistafa, Acústica aplicada ao
controle do ruído (Blucher, 2011)
A cóclea
O movimento vibratório do tímpano é transmitido
para a cóclea através dos ossículos. A janela oval é
a região de conexão do estribo com a cóclea. O 
movimento vibratório gerado pelo estribo na janela
provoca ondas de pressão na perlinfa, um líquido
semelhante ao fluido cérebro-espinal. 
Num adulto, a membrana basilar tem cerca de 34 
mm de comprimento. Por causa da variação
gradual da largura e da espessura, há um 
decrécimo de 10 mil vezes na sua rigidez, desde a 
base até o ápice, o que dá a ela a sua função
fundamental de análise de frequências.
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Corte de uma seção transversal dos dutos da cóclea em que se observa o 
chamado orgão de Corti (em homenagem ao médico italiano Alfonso Corti, 
1822-1876), assentado sobre a membrana basilar. 
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
A rigidez determina a frequência de ressonância de uma estrutura. Como a rigidez
da membrana basilar varia entre suas extremidades, as diferentes frequências de 
som excitam diferentes regiões dela: as altas freq. excitam a extremidade basal e 
as baixas a extremidade apical. A excitação sempre tem início na base. A medida
que a onda se propaga, a sua amplitude chega ao maximo numa certa região.
Corpo Humano - Biblioteca Ciência & Natureza Life Life (Abril Livros, 1995)
A cóclea registra tons de alta frequência (1500 a 20.000 Hz) em
sua base, e de baixa frequência (20 a 500 Hz) na ponta
Bistafa, Acústica aplicada ao
controle do ruído (Blucher, 2011)
Regiões da membrana basilar que são
excitadas por tons puros de baixa (200 Hz), 
média (1500 Hz) e alta frequência (8000 Hz). 
Esta característica é conhecida como
codificação localizada
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
No caso de sons complexos, cada componente espectral
excita a membrana basilar no mesmo local que o faia um tom 
puro. A figura mostra a codificação da membrana para um som
com picos nas frequências de 2500, 1500 e 700 Hz.
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
O orgão de Corti
Essa estrutura se assenta na membrana basilar. Basicamente ele é um 
transdutor eletromecânico : transforma o movimento vibratorio da membrana
basilar em sinais elétricos. Ele é composto por 4 mil células ciliadas internas e 
16 mil externas, dispostas em fileiras. Elas captam os movimentos da
membrana e passam os sinais as células nervosas (neurônios).
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Codificação do som pelos neurônios
Codificação localizada: refere-se a regîão da membrana basilar que é excitada
Codificação da intensidade: associada a taxa de descarga de sinais elétricos gerados
pelos neurônios
Codificação temporal: as células ciliadas podem, coletivamente, responder a cada ciclo
de estímulo. O processo é conhecido como chaveamento de fase (phase locking)
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Informações do som são captados, 
processados e codificados pelo
ouvido, e enviadas ao cérebro pelas
fibras nervosas auditivas. No nível
psíquico, o cérebro interpreta as 
informações recebidas e determina
seu significado. 
O som é caracterizado por grandezas
físicas enquanto as sensações são
caracterizadas por grandezas
psicoacústicas
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Um grupo de ouvintes foi solicitado a julgar quando um tom puro se tornava audívele desconfortável. O resultado mostra que a sensação subjetiva de intensidade
depende da frequência do som. Um tom puro de 100 Hz será subjetivamente
percebido com menor intensidade do que um tom puro de 1000 Hz
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
A fim de medir a intensidade subjetiva dos sons, foi criada uma
grandeza psicoacústica chamada nível de audibilidade , cuja referência
é o nível sonoro de um tom puro em 1000 Hz, e a unidade é o fone . 
Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Para sons que competem pelas células ciliadas de uma mesma banda, o limiar
diferencial do nível de audibilidade é de aprox. 3 fones. Para medir a variação
subjetiva de intensidade ao se variar o nível de audibilidade de um tom puro, foi
criada uma grandeza: a audibilidade , cuja unidade é o sone . 
A especialização nos hemisférios cerebrais
Esquerdo: governa a linguagem e a fala (significado das palavras), a especifidade das 
imagens, o ritmo e as sequências de sons melódicos
Direito: controla as funções sensoriais (entonação da fala e seu conteúdo emocional, a 
altura, timbre, tonalidade e harmonia) e texto cantado
Roederer, Introdução a Fisica e Psicofísica da Música (Edusp, 1998)
Referências bibliográficas
• Acústica aplicada ao controle de ruído, Sylvio Bistafa (Ed. Blucher, 2011)
• A acustica musical. Flo Menezes (Atelié editorial, 2004)
• Physics and the sound of music, J.S. Rigden, 2nd edition (Wiley 1985) 
• Introdução a física e psicofísica da música. J.G. Roederer (Edusp, 1998) 
• Physics with health science applications. P. Urone (Wiley, 1986)
•The Science of Sound, Thomas Rossing (Addison Wesley, 1990)