Fundamentos de Som e Acústica

automotiva

Lição 1 - A Natureza do Som

Nesta lição você vai conhecer a natureza do som, como são produzidas as ondas sonoras e como elas se propagam. Vai também saber como nossos ouvidos respondem às diversas frequências. As características e propriedades do som serão analisadas para que você saiba trabalhar melhor com ele.

1.1 - O que é som

Imaginemos um corpo que possa vibrar livremente, fazendo um movimento de vai e vem, conforme ilustra a figura 1.

Figura 1 – Um corpo vibrando

Este corpo, ao se movimentar, produz ondas de compressão e descompressão do ar a sua volta e essas ondas se propagam em todas as direções preenchendo o espaço. Dizemos que este corpo vibrante está oscilando e que as ondas se propagam num meio material, no caso o ar.

Está claro que, se não houver nenhum meio material em contacto com o corpo que vibra estas ondas não podem ser produzidas.

Se uma pessoa estiver dentro do campo de ação destas ondas e elas puderem alcançar seus ouvidos, pode ocorrer um estímulo e a pessoa sentir algo, conforme sugere a figura 2.

Figura 2 – A sensação de som

Dizemos pode porque é preciso que estas ondas tenham ainda algumas características importantes que passamos a analisar.

A primeira coisa importante que devemos observar é a frequência destas vibrações. Se elas forem muito lentas nada ocorre, pois existe um limite para o que nossos ouvidos podem sentir.

É preciso que as vibrações ocorram pelo menos na razão de 16 por segundo. Dizemos então que estas vibrações ocorrem numa frequência de 16 Hertz (abreviamos por Hz).

Estas ondas já podem excitar nossos ouvidos e temos a sensação do que se chama som. Entramos, pois nos 16 Hz na faixa das vibrações que conhecemos por sons.

Diante do corpo que vibra nesta freqüência ou acima dela, perceberemos claramente que ele está emitindo som.

Á medida que aumentamos o número de vibrações do corpo, notamos que algo ocorre com o som, ou seja, o nosso ouvido consegue diferenciar a freqüência. O som que inicialmente ara grave passa ao que chamamos de médio e depois se torna agudo.

A figura 3 mostra as diferentes faixas ou alturas correspondentes aos sons.

Figura 3 – O espectro audível

Na figura 3 temos então todas as frequências que podemos ouvir começando em torno de 16 Hz e terminando em torno de 16 000 Hertz ou 16 quilohertz que abreviamos por 16 kHz.

Obs. Em algumas publicações a faixa audível é definida como a compreendida entre 20 e 20 000 Hz.

Na verdade, este limite superior da capacidade de audição varia de pessoa para pessoa, podendo algumas chegar até mesmo aos 18 ou 20 kHz, e conforme a idade, já que as pessoas mais velhas vão perdendo a capacidade de ouvir os sons mais agudos; ou de frequências mais altas. Este conjunto de todas as frequências que ouvimos recebe o nome de espectro audível.

Sons intensos

Um problema comum para o qual nem todos atentam é que, submetendo-se a sons intensos de forma constante a audição das pessoas pode ficar alterada. Assim, é comum que pessoas percam a audição por trabalharem em locais barulhentos ou mesmo por ouvirem música com altos volumes durante muito tempo.

Nosso ouvido é um sensor muito sensível e variações muito pequenas da freqüência podem ser percebidas. A divisão das frequências das notas musicais em oitavas leva justamente em conta esta percepção que temos de sons de frequências diferentes.

Se aumentarmos em um oitavo o valor de um som, ele já soara de maneira diferente para nós, ou seja, como outra nota.

Assim, se tivermos um som de 800 Hertz e outro de 880 Hertz nossos ouvidos diferenciam estes sons como de notas musicais adjacentes. Já, se a freqüência dobrar, o que nos leva a passar para outra oitava, nossos ouvidos percebem os sons como a mesma nota, mas uma bem mais aguda que a outra e por incrível que pareça, elas combinam. Veja a figura 4.

Figura 4 – A oitava

Veja então que uma primeira característica importante dos sons é a sua freqüência, que vai nos dizer se o som é grave, médio ou agudo.

Se vamos usar recursos eletrônicos para reproduzir sons, é muito importante que ele seja capaz de cobrir toda a faixa que podemos ouvir. Esta característica está especificada na faixa de reprodução e deve ser tanto mais ampla quanto melhor for o equipamento considerado.

Se um amplificador cortar as baixas frequências, por exemplo, em torno de 100 Hz, tudo que estará entre 16 e 100 Hz deixará de ser ouvido e existem muitos instrumentos que produzem sons nesta faixa e que seriam perdidos na hora que tentássemos ouvir uma fita ou disco que os contivesse.

Tubas, órgãos e baixos, são apenas alguns instrumentos que podem ser prejudicados por um equipamento que não tenha uma boa resposta de graves.

Quando usar um equalizador gráfico, por exemplo, o leitor pode aproveitar muito bem estas propriedades:

Ao ouvir música orquestrada, levante a curva nas extremidades reforçando os graves e os agudos e mantendo normais os médios.

Ao ouvir cantores aumente os médios e abaixe os graves e agudos, para aumentar a inteligibilidade e fazer aparecer mais o cantor.

Equalizadores

Saber utilizar corretamente um equalizador num sistema de som é algo que nem todos sabem, tendo por consequência reproduções prejudicadas, como a da voz de locutores em ambientes grandes que soam de forma que ninguém entende o que eles falam. Exploraremos este assunto no momento oportuno.

1.2 - Os Infrassons e os Ultrassons

Se as vibrações de um corpo ocorrerem numa velocidade relativamente pequena, algumas por segundo apenas, mesmo incidindo na membrana sensível de nossos ouvidos que é o tímpano, elas não conseguirão excitá-lo a ponto de haver a transmissão de um sinal ao nosso cérebro.

Isso significa que elas estão numa frequência abaixo do que podemos ouvir.

Essas vibrações, pela sua frequência, são denominadas infrassons. Sua posição no espectro é mostrada na figura 5.

Figura 5 – O espectro audível e os infrassons

Conforme vimos, essas vibrações transportam energia e por isso, possuem poder de destruição.

Num terremoto, as vibrações desta faixa de frequência causam grande destruição quando se propagam pela terra podendo assim ser sentidas, mas não ouvidas.

Animais sensíveis aos infrassons

Existem animais que percebem vibrações de muito baixas frequências. Em determinados países a observação do comportamento de certos animais sensíveis à vibrações de baixas frequências pode servir de alertas contra terremotos. Os elefantes, em especial, podem ajudar na detecção desses fenômenos.

O ponto em que elas começam a ser ouvidas está em torno de 15 hertz. É preciso que a nossa barra de metal imaginária vibre pelo menos 15 vezes por segundo para que as ondas de compressão e descompressão que cheguem aos nossos ouvidos os estimulem.

A sensação transmitida ao cérebro será a de um som contínuo muito grave, um zumbido.

Aumentando mais e mais as vibrações, e passando a faixa que podemos ouvir, entretanto, verificamos que as pessoas, segundo suas idades, características pessoais e até mesmo eventuais doenças, vão deixando de ouvir o som que está sendo emitido.

O limite exato em que deixamos de ouvir as vibrações varia bastante de pessoa para pessoa, mas na média está em torno de 15 000 Hz (15 000 vibrações por segundo).

Teremos então percorrido todo o espectro audível, ou seja, toda a faixa de frequências que corresponde às vibrações que podemos ouvir. No entanto, passando dos 15 000 Hz a barra de metal ainda pode vibrar.

Estas vibrações já não serão mais audíveis, pois estão além de nossa capacidade de percepção.

A barra estará produzindo então ultrassons. Observe a figura 6.

Figura 6 – Os ultrassons

Limites

Já vimos que os limites das faixas sãop aproximados.

Não existe limite conhecido para até onde a barra de metal poderá vibrar.

Existem dispositivos que podem gerar ultrassons de milhões de hertz, ou seja, muitas oitavas acima do nosso limite auditivo e que, portanto, não têm ouvidos por ninguém.

Mas, o interessante é que no mundo animal existem espécies que podem ter ouvidos capazes de alcançar frequências que o ouvido humano não consegue, conforme mostra a figura 7.

Figura 7 – Alguns animais podem ouvir os ultrassons

Assim, o que é ultrassom para nós, pode não ser para (humanos) outras espécies animais.

Podemos citar como exemplo os cães que, em alguns casos, podem ouvir vibrações de até 25 000 Hz, alcançando assim frequências que nós não logramos perceber.

Quantas vezes seu cãozinho levantou as orelhas sobressaltado percebendo alguma espécie de som quando você não ouviu absolutamente nada?

Animais como os morcegos e até mesmo os golfinhos, podem usar os ultrassons com finalidades muito mais complexas do que a simples comunicação.

Utilizando os ultrassons

Animais como os morcegos utilizam os ultrassons num sensível sistema de orientação e deteção de objetos. O sonar.

1.3 - Características

Conforme já demos a entender, o som precisa de um meio material para se propagar. Isso significa que no vácuo ele não se propaga.

Por outro lado, nos diferentes meios, sólidos, líquidos e gases sua velocidade varia.

No ar a velocidade de propagação do som é da ordem de 340 metros por segundo. Na água esta velocidade para perto de 1 200 metros por segundo e num sólido como o aço esta velocidade se aproxima dos 5 000 metros por segundo. A figura 8 ilustra o que ocorre.

Figura 8 – Velocidade do som em diferentes meios

A tabela abaixo mostra a velocidade do som em alguns meios.

(*) Os valores variam conforme a densidade.

Mesmo no ar ambiente, a velocidade de propagação depende tanto da temperatura como da pressão.

Na tabela abaixo damos os valores das velocidades para diversas temperaturas.

Veja que a velocidade do som é pequena quando comparada com a velocidade da luz ou das ondas de rádio.

As ondas sonoras podem refletir-se em objetos de determinadas dimensões e, além disso, podem contornar objetos pequenos.

Se o som de sua sala estiver ruim isso pode ser devido a presença de certos objetos que refletem ou absorvem estes sons.

Verifique se a mudança de um móvel, uma cortina ou mesmo fechando e abrindo uma porta não ocorrem melhorias.

Se levarmos em conta a freqüência de um som e sua velocidade chegamos a um conceito muito importante para o estudo dos sons: comprimento de onda.

Supondo que as ondas tenham máximos e mínimos de compressão podemos representar isso por meio de uma curva suave denominada senóide, conforme mostra a figura 9.

Figura 9 – A senóide

Na propagação a distância entre dois máximos ou dois mínimos nos dá o comprimento de onda. Podemos calcular o comprimento de onda de um som qualquer dividindo sua frequência (f) por sua velocidade de propagação (v).

Assim, o comprimento de onda de um som de 3 400 Hz é de 0,1 metros ou 10 centímetros.

Veja que, quanto maior for a freqüência de um som menor será seu comprimento de onda.

Os sons agudos possuem comprimentos de onda menores que os sons graves.

Vácuo

O som não se propaga no vácuo. Assim, os sons de explosões e tiros que vemos nos filmes de ficção que ocorrem no espaço, são mera ilusão, acrescentadosà trilha sonora apenas para produzir efeitos sobre a plateia. Na realidade, no espaço, o silêncio é absoluto.

Outra característica importante dos sons é a intensidade.

Se as vibrações do corpo tiverem uma pequena amplitude, isto é, se o corpo fizer um movimento de vai-e-vem dentro de um espaço pequeno, as ondas sonoras produzidas serão fracas, ou seja, terão pequena amplitude ou intensidade conforme dado na figura 10.

Figura 10 – A intensidade do som é dada por sua amplitude

Por outro lado; se as vibrações tiverem uma amplitude maior, o som será mais forte ou mais intenso. Quando aumentamos o volume de um amplificador, o que estamos fazendo é aplicar mais potência no alto-falante de modo que ele vibra com maior intensidade.

O som reproduzido é o mesmo no que se refere a sua frequência e outras características, de modo que a voz de uma pessoa ou uma nota determinada de um instrumento musical não se altera. Ela apenas aparece mais fraca ou mais forte.

A energia consumida de um aparelho de pilhas depende do volume. Usando seu gravador, rádio ou walkman com mais volume as pilhas gastam mais rápido.

Veja então que altura e intensidade de um som são coisas diferentes: enquanto a altura se refere à frequência, a intensidade se refere a amplitude.

Altura e Volume

Lembre: altura é a característica dada pela frequência. Um som é mais alto quando sua frequência é maior (mais agudo). A intensidade ou volume são dados pela amplitude ou potência. Um som mais forte que outro tem mais intensidade ou maior volume.

A terceira característica importante de um som é o timbre.

O que nos faz diferenciar uma voz feminina de uma masculina quando pronunciam a mesma letra do alfabeto? O que nos faz diferenciar um violão de uma flauta quando ambos tocam a mesma nota musical, se nestes casos os sons têm as mesmas frequências?

O que ocorre é que a forma de vibração dos sons de instrumentos musicais, da nossa voz e de cada objeto pode variar mesmo que os sons emitidos tenham as mesmas frequências.

A forma ideal de vibração é aquela em que temos uma variação suave dos movimentos representada por uma figura chamada senóide e que é mostrada na figura 11.

Figura 11 – Forma de onda de um som puro

O Diapasão

O diapasão é um dispositivo que se destina à produção de sons de uma única freqüência. Essa freqüência é determinada pelo seu formato, por suas dimensões e pelas características do material de que ele é feito. Os diapasões encontram sua maior utilidade na afinação de instrumentos musicais, gerando uma nota padrão normalmente o LA de 440 Hz, conforme mostra a figura 12.

Figura 12 – Um dispasão

Aparelhos eletrônicos de medida usados nos laboratórios podem produzir esta forma de vibração. No entanto, nossa voz e a maioria dos instrumentos musicais não vibram desta forma.

O que acontece é que cada corpo tem uma freqüência própria em que ele tende a vibrar mais intensamente. Quando batemos numa garrafa vazia, com metade cheia e totalmente cheia vemos que ela vibra produzindo sons de frequências diferentes.

Da mesma forma, uma corda de um violão além de vibrar numa determina freqüência que depende de sua espessura e de seu comprimento, ela também tende a produzir sons de frequências múltiplas da original que são chamados de harmônicas.

Assim, ao tocar na corda de um violão não só produzimos sons de freqüência X como também 2X, 3X, 4X e assim até o infinito.

Estas frequências em maior ou menor quantidade se combinam e resultam num som cuja forma de representação ou forma da onda não é mais a senóide.

Na figura 13 temos alguns exemplos de formas de ondas que encontramos para uma mesma frequência.

Figura 13 – Formas de onda de sons de timbres diferentes

Nossos ouvidos conseguem perceber as diferenças dessas formas de onda na forma do que chamamos Timbre. Esta é, pois a característica de um som que nos permite diferenciar dois instrumentos diferentes mesmo quando eles tocam a mesma nota.

Um aparelho de som precisa ser fiel na reprodução não só da freqüência original de um som como também suas harmônicas (que às vezes vão além do limite audível) para preservar a fidelidade.

Se você usar amplificadores de má qualidade no máximo de volume os sinais tendem a deformar. Mesmo nos bons aparelhos, no máximo volume a distorção e maior do que em volumes intermediários. Evite, pois usar seu equipamento de som no máximo de volume.

Potência e distorção

Percebe o leitor que um amplificador não é melhor que outro apenas por ter mais potência. A qualidade de um amplificador é dada pela sua capacidade de reproduir os sons sem distorção, ou seja, por sua linearidade ou fidelidade.

1.4 - Propriedades

Vejamos alguns fenômenos importantes que ocorrem com as ondas sonoras e que são importantes por influírem no desempenho de equipamentos de som.

O primeiro fenômeno a ser analisado refere-se à reflexão do som, que pode dar origem a dois tipos de efeitos.

Se a reflexão do som ocorrer num objeto que está a mais de 17 metros da sua origem, a pessoa que se encontrar neste local pode distinguir o som que sai da fonte do que retorna, ouvindo-os separadamente. Temos então a repetição do som ou eco.