Som

O que é o Som?

uma onda sonora gradual de uma perturbação caracterizada pela vibração das moléculas do meio em redor das suas posições de equilíbrio (estado de repouso). Com efeito, como resultado de uma perturbação, criada originalmente por uma fonte mecânica, as moléculas experimentam pequenas mudanças de pressão (pressão sonora). as moléculas chocam entre si para transmitir a deformação (perturbação) sofrendo desta forma micro-movimentos. As moléculas tornam à sua posição original quando a perturbação termina. o som é uma propagação de energia num meio material sem transporte de matéria.

Uma onda sonora é uma sucessão de compressões / dilatações das moléculas. nesta animação observa-se que as moléculas vibram em redor da sua posição equilíbrio e que elas se movem apenas alguns micrómetros.

Esta animação mostra que a boia move-se ao sabor das perturbações (ondas), mas passa sempre pela sua pesição inicial. O mesmo principio pode ser aplicado às ondas sonoras: cada molécula oscila em redor da sua posição de equilíbrio.

Caracteristicas gerais

Uma onda sonora é, na maioria dos caso,uma onda mecânica longitudinal, pois as moléculas movimentam-se paralelamente à direção de propagação da onda. Nos sólidos pode também haver componentes transversais.

Mais, quando a onda sonora se transmite num meio homogéneo, isotrópicoe sem obstáculos, a onda emitida por uma fonte ideal iria propagar-se de forma idêntica em todas as direções, sendo designada de esférica. No entanto, a uma distância significativa da fonte, a onda sonora pode ser semelhante a uma onda plana já que a frente da onda (conjunto de moléculas que oscilam no mesmo estado vibratório) tende a ser retilínea. Como exemplo e para comparação, o planeta terra é redondo mas à escala humana é plano.

Período

O período, que se assinala como T, é o intervalo de tempo que separa dois estados vibratórios idênticos e sucessivos dum ponto do meio em que a onda se propaga.

Esta curva representa as variações de pressão sonora duma onda para a duração dum segundo. O período é o intervalo de tempo entre dois pontos sucessivos que tenham a mesma amplitude: Por exemplo, no gráfico, entre o 3º e o 4º maximos o período é de 0,1 segundos.

Frequência

A frequência é o número de períodos por unidade de tempo, o que corresponde ao inverso do período: f=1/T, onde f é a frequência em Hertz (Hz ou s^-1) e T o período em segundos (s).

No exemplo escolhido, a sinusoide tem um período de 0,1 segundos. A frequência corresponde ao número de períodos por segundo, quer dizer, o número de vezes que se repita o padrão, ou seja 10 vezes. A frequência é, portanto, de 10 Hz. Ao aplicar a inversa do período obtem-se também este valor: f = 1/0,1 = 10Hz.

Comprimento de onda

O comprimento de onda é a distância que separa duas moléculas sucessivas no mesmo estado vibratório (mesma pressão e velocidade acústica) ou a distância percorrida pela onda durante um período.

No exemplo aqui apresentado, o comprimento de onda está representado como a distância que separa dois maximos de compressão (linhas grossas sucessivas); no instante t, cada molécula separada por um comprimento de onda está submetida a uma pressão e uma velocidade acústica idênticas.

Num determinado meio, a frequência e o comprimento de onda estão relacionados pela fórmula λ=c/f=c*T onde λ é o comprimento de ondaem metros (m), c a velocidade de propagação da onda em metros por segundo (m.s^-1), f a frequência (Hz) e T é o período. Para uma sinusóide com a frequência de 10 Hz e uma velocidade de propagação da onda igual a 340 m.s^-1, o comprimento de onda é de 34 metros.
 
 Quanto maior o comprimento de onda, mais pequena a frequência. Inversamente, quanto menor o comprimento de onda, maior a frequência.

Potência sonora

Expressa em Watts, a potência sonora é a energia libertada por uma fonte sonora durante um tempo determinado. Pode definir-se pela fórmula: P=E/Δt, onde P é a potência sonora em Watts (W), E é a energia sonora em Joules (J), e Δt um intervalo de tempo (s). Esta variável depende unicamente das características da fonte.

Atenção, não tem nada a ver com a potência elétrica de um sistema sonoro (por exemplo de altifalantes), que é frequentemente de várias dezenas de watts. A potência elétrica permitirá que se gere uma energia sonora.

Intensidade sonora (ou densidade de potência)

Expressa em Watts por metro quadrado, (W.m^-2), a intensidade sonora corresponde à energia sonora que passa num segundo por uma unidade de superficie perpendicular à onda sonora. No caso duma fonte de ondas esféricas, está relacionada com a potência mediante a fórmula: I=W/(4*π*r²) onde I é a intensidade sonora (W.m^-2), W é a potência sonora (W) e r é a distância entre a fonte sonora e um ponto de medida (m). Portanto, a intensidade não só depende das características da potência da fonte mas também da distância entre a fonte e o ponto onde se faz a medição.

Se a distância entre o ponto de medida e a fonte duplicar, a intensidade será dividida por quatro.

Pressão sonora

A pressão p é a tensão aplicada à superficie dum corpo. Corresponde à força por unidade de área. Em repouso, as moléculas estão submetidas à pressão atmosférica. Quando o meio se altera, o movimento das moléculas provoca variações locais de pressão, que é a pressão sonora. A pressão e a intensidade do som estão relacionadas pela fórmula: I=p²/(ρ*c), em que I é a intensidade (W.m^-2), p é a pressão sonora num ponto expresso em Pascal (Pa), ρ é a densidade do meio (kg.m^-3) e c a velocidade de propagação da onda (m.s^-1).

Assim, quando a pressão sonora duplica a intensidade sonora multiplica por 4.

Duração

Dependa do tempo em que o meio está perturbado. a unidade usada é o segundo (s).

Influência do meio sobre o som

Velocidada de propagação da onda: velocidade do som

As reações dum fluído (meio) sobmetido a pressões e dilatações depende diretamente do estado do fluido e das suas propriedades elásticas. A onda sonora propaga-se a diferentes velocidades em função de determinadas caracteristicas intrinsecas do meio que atravessa: a compressibilidade (capacidade de voltar à sua forma original após deformação) e a densidade. Estes dois componentes são influenciados por vários parâmetros como a temperatura, a pressão e eventuais mudanças do meio. Mais, estas duas caracteristicas terão menor importância quanto maior for a velocidade de propagação da onda (celeridade). A densidade, por exemplo, é influenciada pela temperatura , a pressão e eventuais mudanças do meio.

Como se processa a passagem da onda sonora no ar?

Temperatura

No ar a velocidade do som pode ser calculado aproximadamente pela fórmula: c=(331,35+ 0,607*q), onde c é a velocidade do som no ar (m.s^-1) e q a temperatura em graus Celsius. Quanto mais alta a temperatura maior a velocidade de propagação.

Com efeito, quanto maior a temperatura, menor a densidade, pois para uma dada massa o ar aquecido ocupa maior volume. Por exemplo, a 0ºC a densidade do ar é de 1,293 kg.m^-3, e a 20°C de 1,204 kg.m^-3.

Pressão

Para uma dada temperatura, a pressão a que o ar está submetido modifica a sua densidade. Quanto menor a pressão, menor a densidade, pois o ar expande-se e maior a velocidade do som. 

Modificações do meio

Para uma dada pressão e temperatura, o vapor de àgua contido no ar modifica a densidade do ar. Quanto menor a humidade relativa, menor a densidade do ar. Assim, o som praga-se mais rápidamente no ar seco que no húmido.

Como se propaga o som noutros meios?

Pour une température de 20°C, une pression de 1013 hPa et une humidité relative nulle, la vitesse de propagation de l’onde sonore dans l’air est d’environ 343 m.s^-1.

Num meio como a água, à temperatura ambiente de 20ºC, uma onda sonora propaga-se a 1500 m.s^-1 e a velocidades ainda mais elevadas em meios mais densos (3500 m.s^-1 no osso e até 6000 m.s^-1 no aço!). Com efeito, ainda que estes materiais tenham densidades muito maiores que o ar, o seu coeficiente de compressibilidade é muito baixo. Portanto, a onda sonora propaga-se neles muito rápidamente.
No vazio, desprovido de matéria, não se pode propagar nenhuma onda sonora (o meio de propagação deve conter matéria), ao contrário das ondas eletromagnéticas que podem propagar-se nestas condições.

Exemplo: se colocarmos uma fonte sonora debaixo duma campânula,ouvimos o som. Pelo contrário, se fizermos o vazio no interior da campânula, o som desaparece porque não existem moléculas de ar.

Impedância acústica

Cada meio caracteriza-se por uma resistência à passagem do som chamada impedância acústica. No caso geral, ela corresponde à relação entre a pressão sonora num ponto dado e a velocidade de vibração das moléculas nesse ponto (atenção: não é a velocidade do som).

No caso duma onda plana, é possível estimar o valor da impedância pela fórmula: Z= ρ*c, onde Z é a impedância acústica característica do meio (kg.m^-2.s^-1), ρ a densidade do meio (kg.m^-3) e c a velocidade do som (m.s^-1).

Assim, a impedância do ar é de cerca de 444 kg.m^-2.s^-1 e a da água de 1,5*10⁶ kg.m^-2.s^-1, ou seja, existe uma relação de 3,4*10³. Esta noção é importante para compreender a reação duma onda sonora que se propage dum meio aéreo para um meio líquido. Quando a onda contacta um meio de impedância elevada uma parte importante da onda será refletida.
 
Estas características de impedância são utilizadas em diversos campos, a oceanografia (sonar), a imagem médica, ou nos edifícios para testar a qualiadade do betão, estimando a concentração de bolhas de ar que contém. Também se pode facilitar a passagem das ondas dum meio para outro ajustando as suas impedâncias, como faz o ouvido (veja funcionamento do ouvido).
 
Exemplo de adaptação de impedância: na ecografia, uma sonda aplicada sobre a pele do paciente emite ultrasons. Ora, mesmo uma fina camada de ar entre a sonda e a pele pode produzir uma importante atenuação do sinal. Com efeito, aa impedâncias do ar e da pele são muito diferentes, a da pele é 10000 vezes maior. A aplicação dum gel sobre a pele cuja impedância é proxima da pele, tem a vantagem de eliminar a camada de ar e otimizar a passagem dos ultrassons.