Som. Quando um tambor é tocado, a pele do tambor vibra e as vibrações são transmitidas pelo ar na forma de ondas. Quando eles atingem o ouvido, essas ondas produzem a sensação de som. Também há som que não pode ser ouvido, entretanto:infra-som, abaixo do alcance da audição humana, e ultrassom, acima do alcance da audição humana.
Termos usados no estudo do somA acústica é a ciência do som e de seus efeitos nas pessoas. A condensação é uma região em uma onda sonora em que o meio sonoro é mais denso do que o normal. Decibel (dB) é a unidade usada para medir a intensidade de um som. A 3, O tom de 000 hertz de 0 dB é o som mais suave que um ouvido humano normal pode ouvir. A frequência de um som é o número de ondas sonoras que passam por um determinado ponto a cada segundo. Hertz é a unidade usada para medir a frequência das ondas sonoras. Um hertz é igual a um ciclo (vibração, ou onda sonora) por segundo. A intensidade de um som é uma medida da potência de suas ondas. A intensidade refere-se a quão forte um som parece quando o ouvimos. O ruído é um som desagradável. irritante, e distrativo. O tom é o grau de alta ou baixa de um som conforme o ouvimos. Rarefação é uma região em uma onda sonora em que a densidade do meio sonoro é menor do que o normal. vibrar naturalmente se for perturbado. Meio sonoro é uma substância na qual as ondas sonoras viajam. Ar, por exemplo, é um meio de som. Qualidade de som, também chamado de timbre, é uma característica dos sons musicais. A qualidade do som distingue notas de mesma frequência e intensidade que são produzidas por diferentes instrumentos musicais. O ultrassom é o som com frequências acima do alcance da audição humana, ou seja, acima de 20, 000 hertz. Comprimento de onda é a distância entre qualquer ponto em uma onda e o ponto correspondente na próxima onda.Tecnicamente, o som é definido como um distúrbio mecânico que viaja por um meio elástico - um material que tende a retornar à sua condição original após ser deformado. O meio não precisa ser o ar; metal, Madeira, pedra, copo, agua, e muitas outras substâncias conduzem sons, muitos deles melhores do que o ar.
Existem muitas fontes de som. Tipos familiares incluem a vibração das cordas vocais de uma pessoa, cordas vibrantes (piano, violino), uma coluna vibratória de ar (trombeta, flauta), e sólidos vibrantes (uma porta quando alguém bate). É impossível listar todos eles, porque qualquer coisa que transmita uma perturbação a um meio elástico (como, por exemplo, um foguete explodindo no ar ao redor) é uma fonte de som.
O som pode ser descrito em termos de altura - do estrondo baixo de um trovão distante ao zumbido agudo de um mosquito - e volume. Tom e volume, Contudo, são qualidades subjetivas; eles dependem em parte do sentido de audição do ouvinte. Objetivo, qualidades mensuráveis de som incluem frequência e intensidade, que estão relacionados ao tom e ao volume. Esses termos, bem como outros usados na discussão de som, são mais bem compreendidos por meio de um exame das ondas sonoras e de seu comportamento.
Velocidade do som em várias mídias Velocidade média em pés por segundo Velocidade em metros por segundo Ar a 59 graus F. (15 graus C) 1, 116340Aluminum 16, 0005, 000Brick 11, 9803, 650 Água destilada a 77 graus F. (25 graus C) 4, 9081, 496Glass 14, 9004, 540 Água do mar a 77 graus F. (25 graus C) 5, 0231, 531 Aço 17, 1005, 200 Madeira (bordo) 13, 4804, 110Conteúdo
Ar, como tudo importa, consiste em moléculas. Mesmo uma pequena região de ar contém um grande número de moléculas de ar. As moléculas estão em movimento constante, viajando aleatoriamente e em grande velocidade. Eles colidem constantemente e ricocheteiam uns nos outros e batem e ricocheteiam em objetos que estão em contato com o ar.
Um objeto vibrando produzirá ondas sonoras no ar. Por exemplo, quando a cabeça de um tambor é atingida por um martelo, a pele do tambor vibra e produz ondas sonoras. A vibração da pele do tambor produz ondas sonoras porque se move alternadamente para fora e para dentro, empurrando contra, em seguida, afastando-se de, o ar próximo a ele. As moléculas de ar que atingem a pele do tambor enquanto ela se move para fora ricocheteiam com mais energia e velocidade do que o normal, tendo recebido um empurrão da pele do tambor. Essas moléculas de movimento mais rápido movem-se no ar circundante. Por um momento, Portanto, a região próxima à pele do tambor tem uma concentração de moléculas de ar maior do que o normal - ela se torna uma região de compressão. À medida que as moléculas de movimento mais rápido ultrapassam as moléculas de ar no ar circundante, eles colidem com eles e passam sua energia extra. A região de compressão se move para fora à medida que a energia da vibração da pele do tambor é transferida para grupos de moléculas cada vez mais distantes.
As moléculas de ar que atingem a pele do tambor enquanto ela se move para dentro ricocheteiam a partir dela com menos energia e velocidade do que a normal. Por um momento, Portanto, a região próxima à pele do tambor tem menos moléculas de ar do que o normal - torna-se uma região de rarefação. As moléculas que colidem com essas moléculas que se movem mais lentamente também se recuperam com menos velocidade do que o normal, e a região de rarefação viaja para fora.
A natureza ondulatória do som se torna aparente quando um gráfico é desenhado para mostrar as mudanças na concentração das moléculas de ar em algum ponto conforme os pulsos alternados de compressão e rarefação passam por aquele ponto. O gráfico para um único tom puro, como aquele produzido por um diapasão. A curva mostra as mudanças na concentração. Isso começa, arbitrariamente, em algum momento quando a concentração estiver normal e um pulso de compressão estiver chegando. A distância de cada ponto na curva do eixo horizontal indica o quanto a concentração varia do normal.
Cada compressão e a seguinte rarefação constituem um ciclo. (Um ciclo também pode ser medido de qualquer ponto da curva até o próximo ponto correspondente.) A frequência de um som é medida em ciclos por segundo, ou hertz (abreviado Hz). A amplitude é o maior valor pelo qual a concentração das moléculas de ar varia do normal.
O comprimento de onda de um som é a distância que a perturbação viaja durante um ciclo. Está relacionado à velocidade e frequência do som pela fórmula velocidade / frequência =comprimento de onda. Isso significa que os sons de alta freqüência têm comprimentos de onda curtos e os sons de baixa freqüência têm comprimentos de onda longos. O ouvido humano pode detectar sons com frequências tão baixas quanto 15 Hz e tão altas quanto 20, 000 Hz. Em ar parado em temperatura ambiente, sons com essas frequências têm comprimentos de onda de 75 pés (23 m) e 0,68 polegadas (1,7 cm), respectivamente.
A intensidade se refere à quantidade de energia transmitida pela perturbação. É proporcional ao quadrado da amplitude. A intensidade é medida em watts por centímetro quadrado ou em decibéis (db). A escala de decibéis é definida como segue:Uma intensidade de 10-16 watts por centímetro quadrado é igual a 0 db. (Escrito na forma decimal, 10-16 aparece como 0,0000000000000001.) Cada aumento de dez vezes em watts por centímetro quadrado significa um aumento de 10 db. Assim, uma intensidade de 10-15 watts por centímetro quadrado também pode ser expressa como 10 db e uma intensidade de 10-4 (ou 0,0001) watts por centímetro quadrado como 120 db.
A intensidade do som cai rapidamente com o aumento da distância da fonte. Para uma pequena fonte de som irradiando energia uniformemente em todas as direções, a intensidade varia inversamente com o quadrado da distância da fonte. Isso é, a uma distância de dois pés da fonte, a intensidade é um quarto maior do que a uma distância de um pé; em três pés é apenas um nono tão grande quanto em um pé, etc.
O tom depende da frequência; em geral, um aumento na frequência causa uma sensação de aumento do tom. A capacidade de distinguir entre dois sons de frequência próxima, Contudo, diminui nas partes superior e inferior da faixa de frequência audível. Também há variação de pessoa para pessoa na habilidade de distinguir entre dois sons quase da mesma frequência. Alguns músicos treinados podem detectar diferenças de frequência tão pequenas quanto 1 ou 2 Hz.
Devido à forma como o mecanismo auditivo funciona, a percepção do tom também é afetada pela intensidade. Assim, quando um diapasão vibrando a 440 Hz (a frequência de A acima do dó médio no piano) é trazido para mais perto do ouvido, um tom ligeiramente mais baixo, como se o garfo estivesse vibrando mais lentamente, é ouvido.
Quando a fonte de um som está se movendo a uma velocidade relativamente alta, um ouvinte estacionário ouve um som mais agudo quando a fonte está se movendo em sua direção, e um som mais baixo quando a fonte está se afastando. Este fenômeno, conhecido como efeito Doppler, é devido à natureza ondulatória do som.
Em geral, um aumento na intensidade causará uma sensação de aumento do volume. Mas o volume não aumenta em proporção direta à intensidade. Um som de 50 dB tem dez vezes a intensidade de um som de 40 dB, mas é apenas duas vezes mais alto. A sonoridade dobra a cada aumento de 10 dB de intensidade.
A intensidade também é afetada pela frequência, porque o ouvido humano é mais sensível a algumas frequências do que a outras. O limiar de audição - a menor intensidade de som que produzirá a sensação de audição para a maioria das pessoas - é de cerca de 0 dB no 2, 000 a 5, Faixa de frequência de 000 Hz. Para frequências abaixo e acima desta faixa, os sons devem ter maior intensidade para serem ouvidos. Assim, por exemplo, um som de 100 Hz é quase inaudível em 30 dB; um som de 10, 000 Hz é quase inaudível a 20 dB. De 120 a 140 dB, a maioria das pessoas sente desconforto físico ou dor real, e esse nível de intensidade é conhecido como o limiar da dor.
A velocidade do som depende da elasticidade e densidade do meio pelo qual está viajando. Em geral, o som viaja mais rápido em líquidos do que em gases e mais rápido em sólidos do que em líquidos. Quanto maior a elasticidade e menor a densidade, o som mais rápido viaja em um meio. A relação matemática é velocidade =(elasticidade / densidade).
O efeito da elasticidade e densidade na velocidade do som pode ser visto comparando a velocidade do som no ar, hidrogênio, e ferro. Ar e hidrogênio têm quase as mesmas propriedades elásticas, mas a densidade do hidrogênio é menor que a do ar. O som, portanto, viaja mais rápido (cerca de 4 vezes mais rápido) no hidrogênio do que no ar. Embora a densidade do ar seja muito menor do que a do ferro, a elasticidade do ferro é muito maior do que a do ar. O som, portanto, viaja mais rápido (cerca de 14 vezes mais rápido) no ferro do que no ar.
A velocidade do som em um material, particularmente em um gás ou líquido, varia com a temperatura porque uma mudança na temperatura afeta a densidade do material. No ar, por exemplo, a velocidade do som aumenta com o aumento da temperatura. A 32 ° F. (0 ° C.), a velocidade do som no ar é 1, 087 pés por segundo (331 m / s); a 68 ° F. (20 ° C), é 1, 127 pés por segundo (343 m / s).
Os termos subsônico e supersônico referem-se à velocidade de um objeto, como um avião, em relação à velocidade do som no ar circundante. Uma velocidade subsônica está abaixo da velocidade do som; uma velocidade supersônica, acima da velocidade do som. Um objeto viajando em velocidade supersônica produz ondas de choque em vez de ondas sonoras comuns. Uma onda de choque é uma onda de compressão que, quando produzido no ar, geralmente pode ser ouvido como um estrondo sônico.
As velocidades de objetos supersônicos são frequentemente expressas em termos de número de Mach - a relação entre a velocidade do objeto e a velocidade do som no ar circundante. Assim, um objeto viajando a Mach 1 está viajando na velocidade do som; em Mach 2, ele está viajando com o dobro da velocidade do som.
Como ondas de luz e outras ondas, as ondas sonoras são refletidas, refratado, e difratado, e exibir interferência.
O som é constantemente refletido em muitas superfícies diferentes. Na maioria das vezes, o som refletido não é percebido, porque dois sons idênticos que chegam ao ouvido humano com menos de 1/15 de segundo de intervalo não podem ser distinguidos como sons separados. Quando o som refletido é ouvido separadamente, é chamado de eco.
O som é refletido de uma superfície no mesmo ângulo em que atinge a superfície. Este fato torna possível focar o som por meio de superfícies curvas refletoras da mesma forma que espelhos curvos podem ser usados para focar a luz. Também é responsável pelos efeitos das chamadas galerias de sussurros, salas em que uma palavra sussurrada em um ponto pode ser ouvida distintamente em algum outro ponto bastante distante, embora não possa ser ouvido em nenhum outro lugar da sala. (O Statuary Hall do Capitólio dos Estados Unidos é um exemplo.) A reflexão também é usada para focar o som em um megafone e ao fazer chamadas com as mãos em concha.
O reflexo do som pode representar um problema sério em salas de concerto e auditórios. Em um corredor mal projetado, a primeira palavra de um locutor pode reverberar (ecoar repetidamente) por vários segundos, para que os ouvintes possam ouvir todas as palavras de uma frase ecoando ao mesmo tempo. A música pode ser distorcida da mesma forma. Esses problemas geralmente podem ser corrigidos cobrindo as superfícies refletoras com materiais que absorvem o som, como cortinas ou ladrilhos acústicos. As roupas também absorvem o som; por esta razão a reverberação é maior em uma sala vazia do que em uma cheia de pessoas. Todos esses materiais de absorção de som são porosos; as ondas sonoras que entram nos minúsculos espaços cheios de ar ricocheteiam neles até que sua energia se esgote. Eles são, na verdade, encurralado.
O reflexo do som é usado por alguns animais, notavelmente morcegos e baleias dentadas, para ecolocalização - localizando, e, em alguns casos, identificando, objetos através do sentido da audição, em vez do sentido da visão. Morcegos e baleias com dentes emitem rajadas de sons de frequências muito além dos limites superiores da audição humana, tão alto quanto 200, 000 Hz no caso das baleias. Sons com comprimentos de onda curtos são refletidos mesmo em objetos muito pequenos. Um morcego pode localizar e pegar infalivelmente até mesmo um mosquito na escuridão total. O sonar é uma forma artificial de ecolocalização.
Quando uma onda passa de um material para outro em um ângulo, geralmente muda a velocidade, fazendo com que a frente da onda se curve. A refração do som pode ser demonstrada em um laboratório de física usando um balão em forma de lente cheio de dióxido de carbono para focalizar as ondas sonoras.
Quando as ondas sonoras passam ao redor de um obstáculo ou através de uma abertura em um obstáculo, a borda do obstáculo ou a abertura atua como uma fonte sonora secundária, enviando ondas com a mesma frequência e comprimento de onda (mas de menor intensidade) que a fonte original. A propagação das ondas sonoras da fonte secundária é chamada de difração. Por causa desse fenômeno, o som pode ser ouvido nos cantos, apesar do fato de que as ondas sonoras geralmente viajam em linha reta.
Sempre que as ondas interagem, interferência ocorre. Para as ondas sonoras, o fenômeno talvez seja mais bem compreendido pensando em termos das compressões e rarefações das duas ondas à medida que chegam a algum ponto. Quando as ondas estão em fase de modo que suas compressões e rarefações coincidam, eles se reforçam (interferência construtiva). Quando eles estão fora de fase, de modo que as compressões de um coincidam com as rarefações do outro, eles tendem a enfraquecer ou mesmo cancelar um ao outro (interferência destrutiva). A interação entre as duas ondas produz uma onda resultante.
Em auditórios, a interferência destrutiva entre o som do palco e o som refletido de outras partes do salão pode criar pontos mortos nos quais o volume e a clareza do som são ruins. Essa interferência pode ser reduzida pelo uso de materiais de absorção de som em superfícies refletoras. Por outro lado, a interferência pode melhorar as qualidades acústicas de um auditório. Isso é feito organizando as superfícies refletoras de forma que o nível de som seja realmente aumentado na área em que o público se senta.
A interferência entre duas ondas de frequências quase iguais, mas não exatamente iguais, produz um tom de intensidade crescente e decrescente alternadamente, porque as duas ondas continuamente entram e saem de fase. As pulsações ouvidas são chamadas de batidas. Afinadores de piano usam este efeito, ajustando o tom de uma corda contra o de um diapasão padrão até que as batidas não possam mais ser ouvidas.
Sons de uma única frequência pura são produzidos apenas por diapasões e dispositivos eletrônicos chamados osciladores; a maioria dos sons é uma mistura de tons de diferentes frequências e amplitudes. Os tons produzidos por instrumentos musicais têm uma característica importante em comum:são periódicos, isso é, as vibrações ocorrem em padrões repetidos. O traço do osciloscópio do som de uma trombeta mostra esse padrão. Para a maioria dos sons não musicais, como os de um balão estourando ou uma pessoa tossindo, um traçado do osciloscópio mostraria um padrão irregular, indicando uma confusão de frequências e amplitudes.
Uma coluna de ar, como uma trombeta, e uma corda de piano, ambas têm uma frequência fundamental - a frequência na qual vibram mais prontamente quando colocadas em movimento. Para uma coluna de ar vibrante, essa frequência é determinada principalmente pelo comprimento da coluna. (As válvulas da trombeta são usadas para alterar o comprimento efetivo da coluna.) Para uma corda vibrante, a frequência fundamental depende do comprimento da corda, sua tensão, e sua massa por unidade de comprimento.
Além de sua frequência fundamental, uma corda ou coluna vibratória de ar também produz sobretons com frequências que são múltiplos de números inteiros da frequência fundamental. É o número de sobretons produzidos e sua força relativa que dá a um tom musical de uma determinada fonte sua qualidade distinta, ou timbre. A adição de outros sobretons produziria um padrão complicado, como aquele do traço do osciloscópio do som da trombeta.
Como a frequência fundamental de uma corda vibrando depende do comprimento da corda, tensão, e a massa por unidade de comprimento é descrita por três leis:
1. A frequência fundamental de uma corda vibrante é inversamente proporcional ao seu comprimento.
Reduzir o comprimento de uma corda vibrante pela metade dobrará sua frequência, aumentando o tom em uma oitava, se a tensão permanecer a mesma.
2. A frequência fundamental de uma corda vibrante é diretamente proporcional à raiz quadrada da tensão.
Aumentar a tensão de uma corda vibrante aumenta a frequência; se a tensão for quatro vezes maior, a frequência é dobrada, e o tom é aumentado em uma oitava.
3. A frequência fundamental de uma corda vibrante é inversamente proporcional à raiz quadrada da massa por unidade de comprimento.
Isso significa que de duas cordas do mesmo material e com o mesmo comprimento e tensão, a corda mais grossa tem a frequência fundamental mais baixa. Se a massa por unidade de comprimento de uma corda for quatro vezes a da outra, a corda mais grossa tem uma frequência fundamental metade daquela da corda mais fina e produz um tom uma oitava abaixo.
Uma das primeiras descobertas com relação ao som foi feita no século VI a.C. pelo matemático e filósofo grego Pitágoras. Ele notou a relação entre o comprimento de uma corda vibrante e o tom que ela produz - o que agora é conhecido como a primeira lei das cordas. Pitágoras também pode ter entendido que a sensação do som é causada por vibrações. Não muito depois de sua época, foi reconhecido que essa sensação depende de vibrações que viajam pelo ar e atingem o tímpano.
Por volta de 1640, o matemático francês Marin Mersenne conduziu os primeiros experimentos para determinar a velocidade do som no ar. Mersenne também é responsável por descobrir a segunda e a terceira leis das cordas. Em 1660, o cientista britânico Robert Boyle demonstrou que a transmissão do som exigia um meio - mostrando que não se ouvia o toque de um sino em uma jarra da qual o ar havia sido bombeado.
Ernst Chladni, um físico alemão, fez análises extensivas de vibrações produtoras de som durante o final dos anos 1700 e início dos anos 1800. Em 1801, o matemático francês Fourier descobriu que ondas complexas como as produzidas por uma corda vibrante com todos os seus tons consistem em uma série de ondas periódicas simples.
Muito trabalho nas ondas em geral foi feito durante o século XIX. Thomas Young, um físico inglês, fez pesquisas especialmente sobre difração e interferência. Christian Johann Doppler, da Áustria, formulou a relação matemática entre as frequências reais e percebidas das ondas quando a origem das ondas está se movendo em relação ao observador.
Uma contribuição importante para a compreensão da acústica foi feita por Wallace Clement Sabine, um físico da Universidade de Harvard, no final dos anos 1890. Sabine foi convidada a melhorar a acústica da sala de aula principal do Fogg Art Museum de Harvard. Ele foi o primeiro a medir o tempo de reverberação - que ele descobriu ser de 5 segundos e meio na sala de aula. Experimentando primeiro com almofadas de assento de um teatro próximo, e mais tarde com outros materiais de absorção de som e outros métodos, Sabine lançou as bases para a acústica arquitetônica. Ele projetou o Boston Symphony Hall (inaugurado em 1900), o primeiro edifício com acústica formulada cientificamente.
Na segunda metade do século 20, o aumento do nível de ruído no mundo moderno, especialmente nas áreas urbanas, gerou uma nova série de investigações, lidando em grande parte com os efeitos fisiológicos e psicológicos do ruído em humanos.
