Ondas Sonoras: Refração do Som, Reflexão, Difração, Interferência

Ondas Sonoras: Refração do Som, Reflexão, Difração, Interferência

Os linkes abaixo, assim como a navegação lateral visível apenas no computador, permitem ir direto no assunto desejado nessa pesquisa sobre as propriedades das ondas sonoras:

Física ondulatória: o que são ondas?

A onda é uma perturbação que transporta energia sem carregar matéria horizontalmente. Por isto, a onda do mar, fisicamente falando, não é, na verdade, uma onda, pois ela transporta o surfista, que é matéria, a onda, no campo da física, faria apenas com que o surfista subisse e descesse, mas sem transportá-lo na horizontal.

Vídeo aula com questões de ondulatória sonora

Fórmula de física ondulatória

V = l.f

f = frequência, número de ciclos dividido pelo intervalo de tempo em que esses se repetem
l = lâmbida, ou largura da onda
f = frequência, ou período em que um ato se repete, por isso diz-se que f = 1/T, ou frequência é igual ao inverso do perído em que o ato se repede.

Fórmula de intensidade sonora

A intensidade do som em números

É muito comum, no dia à dia, confundir o conceito de intensidade sonora com frequência sonora, pois, usualmente, diz-se que um som está alto, quando, na verdade, o certo seria dizer que ele está intenso, ou com grande amplitude de onda. Tal conceito é expresso, matematicamente, pela fórmula física de intensidade do som a seguir:

I = E/(t.A)

I = intensidade do som
E = energia, em joules
t = variação do período da onda, em segundos
A = área circundante ao foco de som, em metros quadrados. A amplitude do som, no desenho da onda, é representada pela distância entre a posição de equilíbrio, que é a metade da crista ao vale, até a extremidade

Contudo, como E/t, estando o E em joules e o t em segundos, evidencia, na realidade, a potência (P) de unidade Watts, que representa um joule por segundo, podemos expressar a fórmula de intensidade sonora como:

I = P/A

Há mais explicação sobre o papel da área, na equação de intensidade do som, nos vídeos a seguir. Assista-os!

O que são pulsos?

O pulso seria uma fração de onda que se repete. Os pulsos são usados como base da medida da frequência e, consequêntemente, para o período. Usualmente, usa-se o Hertz, ou um ciclo por segundo, como medida padrão da frequência, que quando, na mínima parte inteira, chama-se de pulso.

Tipos de ondas

As ondas podem ser classificadas quando à estrutura ou quanto à natureza. No caso da classificação das ondas serem em relação a estrutura, elas podem ser longitudinais ou transversais, nessa, a direção e a velocidade possuem o mesmo sentido, já no tipo de onda chamado transversal, a velocidade é perpendicular ao sentido da onda. Se as ondas forem classificadas quando à natureza, elas podem ser mecânicas (ondas sonoras ou ondas de água) ou eletromagnéticas (luz).

Ondas Sonoras: Refração do Som, Reflexão, Difração, Interferência

A onda eletromagnética não necessita de um meio material para se locomover porque ela mesma se retroalimenta através, de alterações contínuas e padronizadas, do campo elétrico e do campo magnético, perpendiculares entre si.

Ondas sonoras

A onda mecânica necessita de um meio material para se propagar, ou seja, qualquer meio que não seja o vácuo, presente no espaço sinderal, por exemplo. A onda mecânica, na natureza, tendo o som como exemplo, se propaga, usualmente, de modo longitudinal, com a velocidade no mesmo sentido da velocidade. Mas a água, também uma onda mecânica, se movimenta de modo transversal, assim como a luz, uma onda eletromagnética.

Espectro sonoro: ondas sonoras audíveis
Espectro sonoro: onda sonora audível
Espectro sonoro: onda sonora audível

O comprimento máximo das ondas audíveis para os seres humanos é 17 metros, pois:

velocidade do som no ar: 340 m/s
fmin = 20 Hz
fmáx = 20.000 Hz
V = l.f, logo lmáx = V/fmin, que é lmáx = 340/20 -> lmáx = 17 metros

Já o comprimento de onda mínima ouvida pelos seres humanos é:

V = lmínfmáx, l = 340/20.000 -> lmín= 0,017 metros ou 1,7 cm

Muitas vezes, questiona-se sobre o período na onda, que é o tempo gasto para uma onda pulsar, neste caso, deve-se lembrar que período é igual a 1 dividido pela frequência, ou, simplesmente, o inverso da frequência: T = 1/f

Propriedades sonoras

As ondas sonoras podem sofrer:

  • reflexão (eco e reverberação)
  • refração
  • difração
  • interferência
Vídeo introdutório sobre as propriedades sonoras

Relexão do som: eco e reverberação

O nosso ouvido não consegue diferenciar sons que estão separados por intervalos menores que 0,1 segundos. É por isso que não escutamos ecos a todo momento e este é, geralmente, escutado quando estamos em grandes espaços abertos, porque, nesta situação, o som do eco chegaria depois de 0,1 segundos, permintindo, assim, que nosso cérebro diferencie os dois sons: o som original e o da reflexão do som original.

A distância necessária para se produzir este espaço de tempo que resultará no eco sonoro deve ser de, no mínimo, 34 metros, o que resultaria numa distância entre a origem e as paredes de 17 metros, pois 0,1 segundos é o tempo que o som percorreria a ida e a volta. É muito comum em questões de ondulatória cair atividades que façam referência a isso.

O que é refração sonora?

Refração é o nome dado ao fenômeno que ocorre quando as ondas mudam de meio de propagação, alterando sua velocidade. Um exemplo de refração do som seria quando a onda sonora incide na água, meio material mais denso que o ar. Nessa situação, de refração sonora, a onda aumenta de velocidade e se afasta da normal, comportamento, este, contrário ao da luz, que teria sua velocidade diminuída e se aproximaria da normal.

Refração de um pulso de onda

Veja em detalhes o que acontece quando acontece uma refração sonora.

O que é difração de ondas?

A difração é a capacidade que uma onda tem de contornar obstáculos. A dimensão do orifício por onde a onda passará deve ser da mesma ordem de comprimento da onda para que isso aconteça. Por isso, diz-se que o orifício, no caso de uma difração sonora, pode variar de 1,7 cm a 17 metros para que ocorra a difração do som. Um exemplo de difração de ondas seria quando uma onda de água passa entre duas pedras e sai em forma de arco do outro lado, ou quando duas pessoas conversam do outro lado do muro e, ainda sim, por causa do fenômeno da difração sonora, é possível escutá-las.

Quanto mais próximo o tamanho do orifício, no caso de uma onda aquática, por exemplo, for do tamanho da onda, ou do lâmbida, maior será a distorção, causada pela difração da onda. No caso da água, essa difração transformará uma onda de formato reto numa de formato circular. Por esse motivo, a onda de grande frequência, como no caso da luz, dificilmente sofre difração, pois um orifício de seu tamanho, é inconcebível aos sentido humanos, sendo perceptível somente em laboratório. Portanto, quanto mais agudo for um som, menos ele terá a capacidade de contornar obstáculos, pois um som de alta frequência tem, obrigatoriamente, uma onda de curto comprimento, o que explica o fato de canaisde rádio com frequência AM terem maior alcance que as FM, contudo menos qualidade.

A difração sonora não altera a velocidade da onda, pois ela permanece percorrendo no mesmo meio, que não se altera. Por isso, nem o tamanho da onda, nem a frequência irão se alterar, acontecendo, apenas uma distorção do formado de onda, que, no caso, tanto da onda sonora, quanto da onda aquática, terão sua forma, inicialmente, plana, ou reta, alterada para uma forma circular.

Interferência do som na ondulatória

Interferência construtiva

A amplitude resultante da interferência de ondas construtiva é a soma algébrica das amplitudes dos pontos que se cruzam.

Interferência destrutiva

A amplitude resultante da interferência de ondas destrutiva é a subtração algébrica das amplitudes dos pontos que se cruzam.

O que é timbre?

O timbre do som diferencia sons idênticos emitidos por fontes diferentes, ou seja, o som tem a mesma frequência, contudo há, como se fosse, uma digital que especifica de onde o som veio. Essa diferença pode ser percebida, facilmente, quando se compara o som, de uma mesma nota, produzido por um violão e um piano. Essa “assinatura sonora da fonte”, é, na realidade, a forma da onda, como ela se dobra e se apresenta quando desenhada. Essa diferenciação na forma da onda acontece porque o som é formado pelos harmônicos principais e secundários, como num corpo humano, quando falamos, há a vibração principal do aparelho responsável, mas o resto do corpo também vibra, sendo este considerado o harmônico secundário.