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Ondas Sonoras
Jusciane da Costa e Silva
Mossoró, Maio de 2010
Universidade Federal Ruraldo Semiárido - UFERSA
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Descrever as ondas em termos de flutuações de pressão.
Calcular a velocidade de ondas sonoras em diferentes meios.
Calcular a intensidade de uma onda sonora.
Como ocorre a ressonância em instrumentos musicais.
O que acontece quando ondas sonoras de fontes diferentes se sobrepõem.
Por que a altura de uma sirene muda enquanto ela passa por você.
SUMÁRIO
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O som é uma onda mecânica, longitudinal e tridimensional que se propaga em um meio (sólido, líquido e gasoso). Uma onda sonora está relacionada com a densidade das partículas do meio através do qual o som se propaga.
SOM
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A Frequência do SomUltra-sons: Sons com frequências muito elevadas, superiores a 20000 Hz, que o ouvido humano não consegue ouvir.
Sons audíveis: Para os seres humanos - sons de frequência compreendida entre os 20 Hz e os 20 000 Hz.
Infra-sons - sons de frequência de 0 a 20 Hz (não audíveis). Estes sons provocam náuseas e perturbações intestinais.
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Ondas Sonoras como Flutuações de Pressão
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Ouvido O som é uma vibração de moléculas que se propaga.
O ouvido é um mecanismo de recepção de ondas sonoras e de conversão de ondas sonoras em impulsos nervosos.
O ouvido é formado de três partes: ouvido externo, ouvido médio e ouvido interno.
O ouvido externo capta as vibrações de ar; o ouvido médio as amplia, conduzindo-as ao ouvido interno; o ouvido interno transforma as vibrações em mensagens nervosas. Pessoas surdas todos os nervos de seus ouvidos estão
completamente paralisados.
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S
x x + x
x
y1 = y(x,t) y2 = y(x + x,t)
Amplitude de pressão:
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A
-A
Pmáx
-Pmáx
y<0y>0
y>0: as partículas são deslocadas para a direita.
y<0: as partículas são deslocadas para a esquerda.
ExpansãoCompressão
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Características do SomOs sons caracterizam-se através de 3 parâmetros:
•INTENSIDADE: Se considerarmos sons da mesma frequência, então vemos que a intensidade de um som está relacionada com a amplitude de vibração da onda sonora. Quanto maior a amplitude, mais intenso é o som.
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•ALTURA: É simplesmente a frequência da onda.
O agudo e o grave estãorelacionado com a freqüência.
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Diapasão
Flauta
Violino
Voz (letra a)
Clarineta
•TIMBRE: Caracteriza sons mais complexos, constituídos por vários harmônicos. É a característica que nos permite identificar os diferentes instrumentos produtores de sons.
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Quando algum objeto vibra de forma completamente desordenada, dizemos que o som produzido por esta vibração é um RUÍDO, como por exemplo o barulho de uma explosão, um trovão e um vulcão em erupção.
A diferença entre os sons musicais e o trovão é que nos instrumentos musicais utilizamos apenas algumas dentre as inúmeras freqüências possíveis, que foram estabelecidas por convenção, constituíndo-se nas NOTAS MUSICAIS.
Música e Ruído
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Velocidade do SomAs ondas sonoras propagam-se em meios sólidos, líquidos e gasosos, com velocidades que dependem das diferentes características dos materiais.
Consideremos um fluido com densidade em um tubo com uma seção reta com área A. No estado de equilíbrio, o fluido está submetido a uma pressão uniforme P.
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•Velocidade do Som em um fluido:
•Velocidade do Som em um gás ideal:
•Velocidade do Som em um sólido:
B – Módulo de compressão - Densidade do fluido
Y – Módulo de Young
– Razão das capacidades caloríficasR – Constante do gásT – TemperaturaM – Massa molar
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A 20°C, o som propaga-se no ferro sólido a 5100 m/s, na água líquida a 1450 m/s e no ar a 343 m/s
... GasLíqSól vvv
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Os golfinhos emitem ondas sonoras com frequencias elevadas (100 000 Hz) e usam o eco para guiar e para caçar. O correspondente na água é 1,48 cm. Com esse sistema de sonar, eles consegue detectar a presença de objetos tao pequenos quanto seu
A ultrasom é uma técnica médica que usa exatamente o mesmo principio; ondas sonoras com frequencias elevadas e pequenos percorrem o corpo humano e os ecos são usados para criar uma imagem.
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Intensidade do Som
A intensidade do som é definida como a energia que a onda sonora transporta por unidade de tempo por unidade de área.
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•Intensidade e amplitude de deslocamento:
•Intensidade e amplitude da pressão:
O auto falante que possui frequenciabaixa deve vibrar com amplitude maior do que o dispositivo com mesma frequencia para produzir a mesma intensidade.
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O intervalo de intensidade a que o ser humano é sensível é muito elevada, por este motivo, se adota uma escala logarítmica para as intensidades do som.
Onde representa o nível de intensidade sonora.
I0 é uma intensidade de referência, perto do limiar de audição humana 1000 Hz.
A escala Decibel
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A escala Decibel
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Ondas Estacionárias e Instrumentos de Sopro
Semelhante a reflexão de ondas transversais:Uma onda sonora também sofre reflexão, causa esta que origina as ondas estacionárias.
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Ondas Estacionárias e Instrumentos de Sopro
Um nó de pressão corresponde sempre a um ventre de deslocamento, e um ventre de pressão corresponde sempre a um nó de deslocamento.
Tubo de Kundt
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Quando temos um TUBO FECHADO, o deslocamento das partículas nessa extremidade fixa da corda é sempre igual a zero. Logo a extremidade fechada de um tubo é um NÓ DE DESLOCAMENTO e um VENTRE DE PRESSÃO.
Quando a extremidade é ABERTA temos um NÓ de PRESSÃO já que a pressão é constante (Patm), portanto temos um VENTRE DE DESLOCAMENTO.
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Ondas Estacionárias e Instrumentos de Sopro
A aplicação mais importante das ondas longitudinais estacionárias é a produção de tons musicais por instrumentos com tubo de ar.
A boca sempre funciona como uma extremidade aberta, logo, ela é um nó de pressão e um ventre de deslocamento
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L 1 /2
12
21
1
1
L
L
L
2 /2
2 /2
22
22
2
2
L
L
L
3 /2
3 /2
3 /2
32
23
3
3
L
L
Tubo AbertoNós de pressão e ventres de deslocamentos
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Tubo Fechado
L 1 /4
14
41
1
1
L
L
L
3 /4
3 /4
34
43
3
3
L
L
3 /4 L
5 /4
5 /4
5 /4
54
45
5
5
L
L
5 /4
5 /4
Extremidade fechada é nó de deslocamento e ventre de pressão
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Batendo-se numa das hastes do diapasão, as duas vibram com determinada frequência (normalmente, 440Hz). Essa é a frequência natural (ou própria) do diapasão.
diapasão
Todos os corpos possuem uma frequência própria (prédio, ponte, copo, etc.).
Frequências Naturais e Ressonância
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Exemplo de Ressonância
A ponte de Tacoma Narrows entrou em ressonância, provocada pela vibração dos cabos metálicos existentes em sua estrutura. Suas amplitudes de oscilação aumentaram a ponto de provocar sua ruína.
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Batimentos
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Efeito Doppler
O efeito Doppler, para ondas sonoras, constitui o fenômeno pelo qual um observador percebe uma frequência diferente daquela emitida por uma fonte, devido ao movimento relativo entre eles (observador e fonte).
É o que acontece quando uma ambulância, com sua sirene ligada, passa por um observador (parado ou não). Enquanto a ambulância se aproxima, a frequência por ele percebida é maior que a real (mais aguda); mas, à medida que ela se afasta, a frequência percebida é menor (mais grave).
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Observador em Repouso e fonte em movimento
Fonte aproxima-se do observador O1: haverá um encurtamento
aparente do comprimento de onda 1, em relação ao normal. A
frequência percebida pelo observador será maior que a frequência real da fonte.
Fonte afasta-se do observador O2, haverá um alongamento aparente
do comprimento de onda 2, em relação ao normal. A frequência
percebida pelo observador será menor que a frequência real da fonte.
O1 O2
V
F
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Observador em movimento e fonte em Repouso
Para o observador O1, que se aproxima de F, haverá um maior número de encontros com as frentes de onda, do que se estivesse parado. A frequência por ele percebida será maior que a normal.
Para o observador O2, que se afasta de F, haverá um menor número de encontros com as frentes de onda, do que se estivesse parado. A frequência por ele percebida será menor que a normal.
O1 O2
V V
F
V=0
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Efeito Doppler - ConclusãoMovimento de aproximação entre fonte e observador:
Movimento de afastamento entre fonte e observador:
EMITIDARECEBIDA ff
EMITIDARECEBIDA ff
Efeito Doppler Geral (vD – Velocidade do detetor, vS – velocidade da fonte e v – velocidade do Som):