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Curso de Engenharia Ambiental e Sanitária

ACÚSTICA e o meio ambiente

Cristiano Sapelini

Orientador: ABÍLIO LENZI dr.

Disciplina: Física II

Joinville – SC 2011

Cristiano Sapelini

Joinville – SC

• Introdução.......................................................................................................... Sumário
• 2. Ondas ACÚSTICAS....................................................................................
  • 2.1. Propagação do som..............................................................................
  • 2.2. Velocidade do som no ar.......................................................................
  • 2.3. Velocidade do som na água..................................................................
  • 2.4. Velocidade do som nos sólidos.............................................................
  • 2.5. Intensidade do som.............................................................................
  • 2.6. Altura do som......................................................................................
• 3. Efeito döpler.............................................................................................
• 4. Ultra-som..................................................................................................
  • 4.1. Geração de imagens 3D por ultra-som...............................................
  • 4.2. Ultra-som Doppler...............................................................................
  • 4.3. Ultra-som nas indústrias.....................................................................
  • 4.4. Perigos do ultra-som...........................................................................
• 5. Infra-som...................................................................................................
• conclusão.........................................................................................................
• referências BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................

2. Ondas ACÚSTICAS

O som é a impressão fisiológica produzida por vibrações dos corpos e que chegam ao nosso ouvido por meio de ondas elásticas. As ondas elásticas, como se sabe, é uma energia em forma de onda que necessita de um meio material para se propagar, por isso o som só pode ser produzido e propagado num meio elástico o compressível. À medida que o meio elástico, constituído por ar, é subtraído, o som se torna mais fraco até que não se perceba e enquanto o meio existir sendo suficientemente rarefeito as ondas continuará se propagando embora não provoquem nenhuma sensação auditiva. Portanto no vácuo o som não se propaga.

O ouvido humano percebe a vibrações sonoras que são compreendidas entre certos limites embora existam limites notáveis entre uma pessoa e outra O limite inferior situa-se na freqüência de 16 a 20 hertz e o superior na de 16000 a 20000 hertz. A freqüência é o inverso do período,e o período que é o intervalo de tempo que separa dois estados cinéticos iguais do movimento é

representado pela letra τ (tau) e a frenquência pela letra f logo temos:

Ela indica o numero de vezes que o movimento periódico se repete na unidade de tempo, sedo o tempo no S.I em segundo, a unidade de freqüência recebe o nome de hertz cuja unidade é Hz.

2.1. Propagação do som..............................................................................

O som no ar se propaga as ondas longitudinais que constituem alternadamente de condensações e rarefações e se propagam em todas as direções mediante a esferas concêntricas cujo o raio aumenta a medida que o som se afasta da fonte conforme ilustrado na figura 1.

f = 1/ τ

Equação 1.

Onde: E, representa o módulo de elasticidade do meio;

, a massa volumétrica do mesmo.

No caso de fluidos em vez de modulo de elasticidade temos o módulo de

compressibilidade,. Onde substituindo na equação 1, por temos:

Equação 2.

Quando se trata exclusivamente de gases a equação 2 não fornece resultados precisos pois os gases sendo comprimidos pela compressão são aquecidos e os que sofrem a rarefação são resfriados. Mas acontece que as distâncias entre as rarefações e compressões são tão grandes em relação à variação de temperatura que não há troca de calor entre as regiões aquecidas e resfriadas, por isso se considera ma transformação adiabática como se verifica na realidade, por isso com essa transformação devemos multiplicar o modulo de compressibilidade pela constante k que é a constante elástica do gás.

= cp/cv =

Onde: cp é o calor especifico a pressão constante;

cv é o volume constante.

Logo:

Equação 3.

Essa equação permite o cálculo correto da velocidade de propagação nos gases e conhecida como equação de Laplace.

A velocidade se altera com a temperatura sendo que a equação dos gases perfeitos nos fornece:

Equação 4.

Se, μ e μ0 são massas volumétricas a t °C e 0 °C, respectivamente, e m a massa do gás temos:

onde: e nos dá:

Atualmente usamos a formula 1 e calculamos:

Modulo de compressibilidade da água = Densidade da água =

= 1500 m .s -

2.4. Velocidade do som nos sólidos.............................................................

Analogamente a velocidade no meio sólido é calculada pela formula 1 sempre observado o modulo de compressibilidade do material que o som se propagará, sabendo que o modulo de compressibilidade é razão entre a variação de pressão e a variação relativa do volume ou seja:

Equação 6.

Observe que é sempre positivo, pois um aumento as pressão positivo)

provoca diminuição do volume. Então a razão é sempre negativa.

2.5. Intensidade do som

Como se sabe a onda sonora é a uma forma de energia, logo a energia que alcança uma área num intervalo de tempo definimos:

Equação 7.

Cuja unidade SI é. Então Watt por metro quadrado é a intensidade

sonora que corresponde a um fluxo de energia sonora uniforme e igual a 1 W através de uma superfície plana de área igual a 1 m² normal a direção de propagação.

Pode-se ainda expressar termos de pressão ( N/m^2 ou Pascal) e o nível de Pressão Sonora pode ser, então, definido como uma relação logarítmica expressa como :

Equação 8.

Onde é o valor eficaz de pressão medida em Pascal ou N/m 2 e é o valor

de referência ( menor pressão percebida pelo ouvido humano a 100Hz) equivalente a 2 x 10-5^ N/m^2 ou 20μ m Pa ( Iso 1.683/83)

Não se deve confundir Intensidade Sonora com Nível de intensidade Sonora que se mede em decibel (. O Nível de intensidade Sonora de um dado som é definido pela equação:

Equação 9.

Onde é uma intensidade arbitraria de referência correspondente a do mais fraco som audível e a intensidade do som considerado. Na figura 2 observam-se algumas fontes com seus respectivos níveis de decibéis.

Fig.3. Frequência.

Fonte: Moretto 1990.

A lâmina que vibra com menor frequência é a número 1, e a que vibra com maior frequência é a numero 3. Podemos então afirmar que o som emitido pela lâmina 1 é o mais grava de todos,ao passo que o som emitindo pela lâmina 3 é o mais agudo

Embora tenham frequências diferentes, as velocidades dos sons produzidos pelas lâminas é a mesma, pois todas se propagam no mesmo meio, o ar. Como se sabe, o valor do comprimento da onda depende da velocidade e da frequência (). Logo o som de maior frequência tem o menor comprimento de onde

Uma mesma lâmina pode emitir sons de intensidades diferentes, bastando que esteja mais ou menos afastada da posição de equilíbrio. A frequência , no entanto, sempre será a mesma

Relacionado às frequências sonoras podemos definir uma nova grandeza chamada de intervalo entre dois sons. Logo intervalo entre dois sons de freqüências e (sendo) é a razão entre a frequência e a freqüência.

Equação 10.

Se o valor de for 1, então os sons são iguais, mas se o valor de for 2 então diz-se que esse intervalo constitui uma oitava.

Normalmente os intervalos são em números decimais, e na música os intervalos entre sons são extremamente importantes. A escala músical que utilizamos hoje é assim distribuída:

Notas: dó ré mi fá sol lá si dó

Intervalos: 9/8 10/9 16/15 9/8 10/ 9/8 16/

Note que a escala nada mais é que a repetição de intervalos:

• Intervalo 9/8, chamado de tom menor.
• Intervalo 10/9, chamado de tom maior.
• Intervalo 16/15, chamado de semitom.

Observa-se que após a nota si vem novamente à nota dó, e começa uma nova escala, com intervalos de que repetem, como na primeira. O intervalo entre duas notas de mesmo nome, mais em escalas diferentes é denominado oitava. Assim, da nota dó até a escala seguinte temos uma

oitava e o mesmo ocorre com as demais notas, em relação as suas correspondentes na próxima escala. Veja como se distribui nas teclas de um piano na figura 4.

2. Efeito döpler

Este fenômeno, variação aparente da altura de um som, foi estudado por Döppler e verificado experimentalmente por Fizeau daí chamamos de efeito Döppler- Fizeau ou simplesmente efeito Döppler.

Este efeito não se aplica somente a ondas sonoras e o cientista Fizeau, fez uma das primeiras constatações da validade do efeito Doppler para ondas eletromagnéticas. As radiações emitidas pelas estrelas nos permitem identificar a distância que elas estão em relação à Terra, bem como sua constituição, dependendo da freqüência da luz emitida.

Em geral, nas ondas acústicas, o efeito Döppler é observado sempre que ha um movimento relativo entre a fonte e o observador. Quando a fonte e o observador se aproximam, um do outro, a freqüência do som ouvido é mais elevada que a frequência da fonte. Quando a fonte e o observador se afastam u do outro, observador ouve um som de freqüência mais baixa que a frequência da fonte.

Pode-se o efeito Doppler movimentar um celular, tocando, rapidamente ao lado do ouvido.

Suponha-se que uma fonte figura 5 emite uma onda de 100 Hz. Um observador O perceberá a passagem de 100 ondas a cada segundo. Entretanto, se o observador se move na direção da fonte A , o número de ondas que ele encontra a cada segundo aumenta proporcionalmente à sua velocidade e a frequência aparente será dada por:

Equação 11. Onde é a frequência da fonte, a velocidade do observador, e a velocidade do som. Assim a frequência aparentemente aumenta enquanto o observador se move em direção à fonte. Quando o observador passa pela fonte A, a frequência cai rapidamente, já que a ele passa a se afastar da fonte (nesse caso, deve ser subtraída de )

Fig. 5. Efeito Döppler Fonte: Goolge images 2011

O mesmo efeito ocorre se a fonte estiver em movimento, como no caso de uma ambulância que passa com a sirene ligada por um observador. A figura 6 mostra que as ondas produzidas se assemelham a esferas cujos centros se deslocam na direção do movimento da fonte.