As
ondas sonoras têm propriedades ondulatórias que dependem exclusivamente de suas
características físicas — velocidade, frequência e comprimento de onda. Mas têm
também propriedades relacionadas à capacidade do nosso sistema auditivo de detectá-las,
que costumam ser denominadas propriedades fisiológicas.
Frequência,
altura e espectro sonoro
A
frequência da onda sonora, como de qualquer movimento ondulatório, é
determinada pela frequência da fonte geradora. A faixa de frequências em que
existem ondas sonoras — audíveis, ou não, pelo ser humano — é chamada de espectro
sonoro. A figura abaixo representa o espectro sonoro. As faixas coloridas
mostram o espectro audível médio do ser humano e de alguns animais. A escala de
frequências está expressa em potências sucessivas de 10. A razão dessa escolha
é discutida logo adiante, no tópico “Intensidade e nível de intensidade”.
A
menor frequência de uma onda sonora não está bem definida, mas admite-se que tremores
de terra gerem vibrações de até 1 ciclo por minuto, cerca de 2 ? 1022 Hz. À
temperatura ambiente, as frequências mais altas chegam a ultrapassar 109 Hz. Sabe-se
que a orelha humana só é capaz de detectar, em média, a estreita faixa de frequências
compreendida entre 20 Hz e 20 000 Hz. Sons acima de 20 000 Hz são conhecidos como
ultrassons, por não serem detectados pela orelha humana. Para a fisiologia humana,
a frequência sonora é identificada c om a altura do som: quanto maior a frequência,
maior a altura e mais agudo é o som. Quanto menor a frequência, menor a altura
e mais grave é o som.
Velocidade de
propagação
A velocidade de propagação
do som t em as mesmas características da velocidade de qualquer propagação ondulatória;
ela depende das propriedades do meio em que o som se propaga.
em
que ρ é a densidade do ar e B é o valor de uma grandeza conhecida como módulo
de elasticidade volumar do meio. Trata-se de uma grandeza cujo
estudo exige um ferramental matemático não disponível no Ensino Médio; pode-se
dizer que ela dá uma ideia da elasticidade do meio em função da variação de
pressão da onda durante a sua propagação. Por essa razão, ela é medida em
unidades de pressão (Pa).Essas grandezas dependem das condições de temperatura e
da pressão em que o meio se encontra, condições que determinam, portanto, a
velocidade do som.
Intensidade
e nível de intensidade
Veja
a figura:
As
ondas sonoras originárias da fonte F se propagam em frentes de ondas
esféricas. Em consequência, a energia que essas ondas transportam, originárias dessa
fonte, também se propaga e se distribui por meio dessas frentes de onda. Assim,
uma região de área ΔS, localizada em uma frente de onda sonora, é atravessada
por uma parcela ΔE dessa energia em um intervalo de tempo Δt. A
razão entre essa parcela de energia e a
área que ela atravessa nesse intervalo de tempo é definida como a intensidade
sonora média (Im) dessa onda sonora nessa região. Matematicamente, temos:
A unidade da intensidade,
no SI, é watt por metro quadrado (W/m2).
A
intensidade sonora é definida a partir de grandezas físicas e se relaciona à
emissão e distribuição de energia da fonte, mas não é adequada para definir a
intensidade sonora que nossas orelhas percebem. Nosso sistema auditivo reduz
drasticamente a intensidade sonora que detecta. Exemplificando: para determinada
frequência, se a intensidade do som ouvido t orna-se dez vezes maior, a
nossa sensação auditiva é, em média, apenas duas vezes maior. Essa
redução, que caracteriza a nossa “sensação auditiva”, só pode ser medida por
meios indiretos, estatísticos, mais relacionados à Biofísica do que à Física. Por
essa razão define-se uma grandeza relacionada à intensidade sonora, mas voltada
ao ser humano —o nível de intensidade b. Chama-se nível de intensidade à
intensidade sonora média percebida ou detectada pelo sistema auditivo humano.
A
definição matemática dessa grandeza e da unidade correspondente, ao contrário
da maioria das grandezas físicas, é baseada em padrões fisiológicos médios. Para
tanto, admite-se que:
• a
intensidade sonora mínima percebida pelo ser humano
seja,
em média, I0 5 1,0 ? 10212 W/m2 para a frequência de 1 000 Hz;
• o
nível de intensidade β varie em escala logarítmica de base 10. Isso significa
que sons de intensidade 10n vezes maior que a intensidade mínima (I0)
sejam percebidos com nível de intensidade n vezes maior; por exemplo, um
som de intensidade mil (103) vezes maior que I0 é percebido, em média,
como se tivesse intensidade três vezes maior.
EXERCÍCIOS RESOLVIDOS
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