acústica I

(1)

Laboratório de Acústica e Vibrações

Prof. Dr. João Candido Fernandes Prof. Dr. João Candido Fernandes Depto Engenharia Mecânica

E-mail: [email protected] Unesp – Campus de Bauru

(2)

Propriedades Físicas do Som

LAV

(3)

Propriedades Físicas do Som

O

som

é um

fenômeno vibratório

resultante

de variações da pressão no ar. Essas

variações de pressão se dão em torno da

pressão atmosférica e se propagam

l

ongitudinalmente, à velocidade de 344 m/s

para 20 º C.

(4)

(5)

Qualquer fenômeno capaz de causar

ondas de pressão no ar é considerado

uma fonte sonora. Pode ser um corpo

sólido em vibração, uma explosão, um

vazamento de gás a alta pressão, etc.

(6)

Física Acústica

Fonte

Sonora

(7)

SOM

Freqüência

Intensidade

Timbre

(8)

Propriedades Físicas do Som Física Acústica

(9)

Propriedades Físicas do Som - Freqüência

Freqüência (f) é a número de oscilações por segundo do movimento vibratório do som. Para uma onda sonora em propagação, é o número de ondas que passam por um determinado referencial em um intervalo de tempo. Chamando de  o comprimento de onda do som e V a velocidade de propagação da onda, pode-se escrever :

V =  . f

(10)

A unidade de freqüência (SI) é ciclos por segundo, ou Hertz (Hz). Portanto, um som de 32 Hz tem uma onda de 10,63 m e, um som de 20.000 Hz tem um comprimento de onda de 1,7 cm

O nosso ouvido é capaz de captar sons de 20 a 20.000 Hz. Os sons com menos de 20 Hz são chamados de infra-sons e os sons com mais de 20.000 Hz são chamados de ultra-sons. Esta faixa de freqüências entre 20 e 20kHz é definida como faixa

audível de freqüências ou banda audível.

(11)

Faixa ou banda audível

Hz Infra-sons 20 20.000 Ultra-sons SOM Física Acústica

(12)

Faixa ou banda audível

Hz

20 20k

10 100 1000 10000

(13)

Propriedades Físicas do Som - Freqüência Animal Limite inferior Limite superior Gatos 10 Hz 60 kHz Cães 15 Hz 50 kHz Morcegos 10 kHz 120 kHz Golfinhos 10 kHz 240 kHz LAV

(14)

Banda Audível: 15 Hz a 50 kHz LAV

(15)

(16)

Banda Audível: 10 kHz a 120 kHz LAV

(17)

(18)

Física e Biofísica

(19)

Assim, os intervalos entre os sons de 100 e 200 Hz, 200 e 400 Hz, 400 e 800 Hz parecerão

iguais ao nosso ouvido.

200 400 800 100 200 400

= 1 oitava Física Acústica

(20)

Esta é a razão que intervalos entre as notas DÓ sucessivas de um teclado de piano parecem sempre iguais, constituindo o intervalo de uma oitava. Em qualquer representação gráfica (figuras ou gráficos) colocamos a freqüência em escala logarítmica, por ser a forma que mais se aproxima da sensação do nosso ouvido.

(21)

Propriedades Físicas do Som - Freqüência Física Acústica

(22)

Atualmente, usamos como freqüência de referência (padronizada pelo SI), o valor de 1000 Hz, ficando as oitavas com freqüência central em 500, 250, 125, 62,5, 31,25, e 2.000, 4.000, 8.000 e 16.000 Hz.

(23)

As freqüências audíveis são divididas em 3 faixas :

Baixas freqüências ou sons graves as 4

oitavas de menor freqüência, ou seja, 31,25 , 62,5 125 e 250 Hz.

Médias freqüências ou sons médios as

três oitavas centrais, ou seja, 500, 1000 e 2000 Hz.

Altas freqüências ou sons agudos as

três oitavas de maior freqüência, ou seja, 4.000, 8.000 e 16.000 Hz.

(24)

(25)

(26)

(27)

Propriedades Físicas do Som - Intensidade

A intensidade do som é a quantidade de energia contida no movimento vibratório. Essa intensidade se traduz com uma maior ou menor amplitude na vibração ou na onda sonora. Para um som de média intensidade essa amplitude é da ordem de centésimos de milímetros.

(28)

A intensidade de um som pode ser medida através de dois parâmetros :

 a energia contida no movimento

vibratório (W/cm2)

 a pressão do ar causada pela onda

sonora (BAR = 1 dina/cm2)

(29)

A energia contida num fenômeno sonoro é desprezível: Um grito de "gol" de um estádio de futebol lotado, mal daria para aquecer uma xícara de café.

A energia da voz de toda a população de uma cidade como Bauru seria suficiente apenas para acender uma lâmpada de 50 ou 60 Watts.

(30)

Propriedades Físicas do Som - Intensidade Física Acústica

1 cm2

(31)

Propriedades Físicas do Som: Física Acústica

Intensidade sonora

é a quantidade de

potência sonora ou

pressão sonora

que passa pela área de 1 cm2.

Portanto, a unidade de Intensidade Sonora é

(32)

Propriedades Físicas do Som: Física Acústica

Valor de referência:

Fixou-se a menor intensidade sonora audível. Esse valor (média da população) foi de:

Para potência (energia) = 10-16 W/cm2

Lembrar que 10-16 = 0,0000000000000001

(33)

Propriedades Físicas do Som - Intensidade 10-16 Watts/cm2 10-14 10-12 10-10 10- 8 10- 6 10- 4 10- 2 Relações 1 102 104 106 108 10-10 1012 1014 Bel 0 2 4 6 8 10 12 14 decibel 0 20 40 60 80 100 120 140 Limiar de audibilidade Física Acústica ÷ 10-16 log x 10

(34)

LAV Alexander Grahan Bell

(35)

Portanto, o número de decibels (dB) nada

mais é que aquele expoente da relação

das intensidades físicas, multiplicado por

10

(36)

A intensidade sonora medida em decibels é

definida como

Nível de Intensidade Sonora

(NIS)

ou Sound Intesity Level (SIL),

em inglês

 Intensidade Sonora  Watts / cm 2

 Nível de Intensidade Sonora - NIS -  decibels (dB) Física Acústica

(37)

O decibel não é uma unidade de medida, mas apenas uma escala.

 O plural de decibel é decibels.

 O termo "decibeis" é errado, embora tenha se

tornado de uso popular

(38)

Propriedades Físicas do Som - Intensidade Matematicamente podemos escrever :

I

REF

log

10 .

=

NIS

_[dB]

W/cm2 10-16 W/cm2 Física Acústica

(39)

Aparelho de som com 20 Watts, digamos que reproduza 60 dB de nível de intensidade sonora no ambiente.

Com 40 W, o mesmo aparelho reproduzirá 63 dB, e com 80 W, 66 dB.

Se um avião à jato produz perto de 140 dB de NIS, dois aviões idênticos produzirão 143 dB.

(40)

Na escala em decibels, o dobro de 70 dB é 73 dB, assim como o dobro de 120 dB é 123 dB.

A metade de 90 dB é 87 dB, assim como a metade 150 dB é 147 dB.

Se uma máquina produz 60 dB, mil máquinas idênticas produzirão 90 dB.

Se um operário trabalha 8 horas/dia num ambiente com 100 dB de ruído, se ele trabalhar apenas 4 horas/dia ele estaria exposto, em média a 97 dB.

(41)

(42)

Faixa de Conversação dB(A) 00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Barulho das folhas na brisa Ruído em um estúdio de rádio

Quarto de dormir à noite Ruído em uma biblioteca Som em uma sala de estar Escritório

Voz humana (normal) Voz humana (alta)

Ruído do tráfego urbano Ruído do metrô Oficina Mecânica Serra circular Buzina de automóvel Trovão forte Martelete pneumático Avião a jato na pista

Limite do desconforto

Limite da dor

Limite da percepção

150

(43)

Medidor de Nível de Pressão Sonora:

(44)

LAV

(45)

LAV

(46)

(47)

Propriedades Físicas do Som - Timbre

Se nós tocarmos a mesma nota (mesma freqüência) com a mesma intensidade, em um piano e em um violino, notamos claramente a diferença. Em linguagem comum, dizemos que os seus timbres são diferentes. Portanto, o timbre nos permite reconhecer a fonte geradora do som. Tecnicamente, o timbre é a forma de onda da vibração sonora

(48)

Propriedades Físicas do Som - Timbre

Vamos considerar uma corda fixa pelas extremidades.



l

(49)

Propriedades Físicas do Som - Timbre Som fundamental 1º harmônico 2º harmônico 3º harmônico Física Acústica

(50)

Propriedades Físicas do Som - Timbre Som fundamental 1º harmônico =



1

=

2 l

2º harmônico =



₂

=

l

3º harmônico =



₃

=

2 l/3

F1 = V / 2

l

F2 = 2V / 2

l

F3 = 3V / 2

l



(51)

Propriedades Físicas do Som - Timbre Física Acústica

(52)

Propriedades Físicas do Som - Timbre e espectro

O espectro de um som se refere à relação entre amplitude e freqüência de um som complexo. O matemático francês Jean Baptiste Fourier (1768 – 1830) foi o primeiro a aplicar este método de análise, conhecido hoje com o nome de Análise de Fourier. Este método demonstra que qualquer forma de onda pode ser decomposta em uma soma de ondas senoidais. A freqüência destas ondas senoidais que formam o espectro guardam uma relação numérica com a freqüência mais baixa da série que, por este motivo, é chamada de freqüência fundamental (f₀).

(53)

Jean Baptiste Fourier (1768 – 1830) Física Acústica

(54)

Propriedades Físicas do Som - Timbre e espectro Tom puro (senoide) F₁ Amplitude Freqüência



Onda quadrada F₁ Amplitude Freqüência



F₂ F₃ F₄ F₅ Física Acústica

(55)

Propriedades Físicas do Som - Timbre e espectro Onda complexa F₁ Amplitude Freqüência



(56)

Propriedades Físicas do Som - Densidade Espectral

A

Densidade espectral

apresenta a

energia do fenômeno vibratório em função da

freqüência. O gráfico de densidade espectral

mostra a energia da onda sonora para cada

freqüência discreta ou banda de freqüência.

(57)

Propriedades Físicas do Som - Densidade Espectral

freqüência Energia/freqüência

(58)

Analisador de espectro sonoro:

(59)

Propriedades Físicas do Som - Ruído

A definição de ruído é um tanto ambígua.

De um modo geral pode ser definida como um

som indesejável. Assim vamos apresentar duas

definições para o ruído :

Definição Subjetiva : Ruído é toda sensação auditiva desagradável ou insalubre.

Definição Física : Ruído é todo fenômeno acústico não periódico, sem componentes harmônicos definidos.

(60)

Propriedades Físicas do Som - Ruído Amplitude freqüência freqüência Amplitude Física Acústica

acústica I

Propriedades Físicas do Som

Propriedades Físicas do Som

O

som

é um

fenômeno vibratório

resultante

de variações da pressão no ar. Essas

variações de pressão se dão em torno da

pressão atmosférica e se propagam

l

ongitudinalmente, à velocidade de 344 m/s

para 20 º C.

Qualquer fenômeno capaz de causar

ondas de pressão no ar é considerado

uma fonte sonora. Pode ser um corpo

sólido em vibração, uma explosão, um

vazamento de gás a alta pressão, etc.

Fonte

Sonora

SOM

Freqüência

Intensidade

Timbre

V =  . f

Intensidade sonora

Portanto, o número de decibels (dB) nada

mais é que aquele expoente da relação

das intensidades físicas, multiplicado por

10

A intensidade sonora medida em decibels é

definida como

Nível de Intensidade Sonora

(NIS)

ou Sound Intesity Level (SIL),

em inglês

I

I

log

10 .

=

NIS

[dB]



l



=

2

l



=

l



=

2

l/3

l

l

l













A

Densidade espectral

apresenta a

energia do fenômeno vibratório em função da

freqüência. O gráfico de densidade espectral

mostra a energia da onda sonora para cada

freqüência discreta ou banda de freqüência.

A definição de ruído é um tanto ambígua.

De um modo geral pode ser definida como um

som indesejável. Assim vamos apresentar duas

definições para o ruído :

Fim.

Fim.

_[dB]