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Universidade Federal Rural do Semiárido - UFERSA. Ondas Sonoras. Jusciane da Costa e Silva. Mossoró, Maio de 2010. SUMÁRIO. 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.

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Presentation Transcript
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Universidade Federal Rural

do Semiárido - UFERSA

Ondas Sonoras

Jusciane da Costa e Silva

Mossoró, Maio de 2010

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SUMÁRIO

  • 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.
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SOM

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.

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A Frequência do Som

Ultra-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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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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y1 = y(x,t)

y2 = y(x + x,t)

S

x

x

x + x

Amplitude de pressão:

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y>0: as partículas são deslocadas para a direita.

A

y>0

y<0

y<0: as partículas são deslocadas para a esquerda.

-A

Expansão

Compressão

Pmáx

-Pmáx

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Características do Som

  • Os 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 estão

relacionado com a freqüência.

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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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Música e Ruído

  • 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.
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Velocidade do Som

  • As ondas sonoras propagam-se em meios sólidos, líquidos e gasosos, com velocidades que dependem das diferentes características dos materiais.
  • Consideremos um fluido com densidade r 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:

  • B – Módulo de compressão
  • - Densidade do fluido
  • Velocidade do Som em um sólido:

Y – Módulo de Young

  • Velocidade do Som em um gás ideal:
  • – Razão das capacidades caloríficas
  • R – Constante do gás
  • T – Temperatura
  • M – 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

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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 l correspondente na água é 1,48 cm. Com esse sistema de sonar, eles consegue detectar a presença de objetos tao pequenos quanto seu l.

  • A ultrasom é uma técnica médica que usa exatamente o mesmo principio; ondas sonoras com frequencias elevadas e l 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:

O auto falante que possui frequencia

baixa deve vibrar com amplitude maior do que o dispositivo com mesma frequencia para produzir a mesma intensidade.

  • Intensidade e amplitude da pressão:
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A escala Decibel

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.

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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

Tubo de Kundt

Um nó de pressão corresponde sempre a um ventre de deslocamento, e um ventre de pressão corresponde sempre a um nó de deslocamento.

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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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Tubo Aberto

3 /2

2 /2

3 /2

1 /2

L

L

L

2 /2

3 /2

  • Nós de pressão e ventres de deslocamentos
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Tubo Fechado

5 /4

3 /4

5 /4

3 /4

1 /4

L

L

L

5 /4

5 /4

3 /4

5 /4

  • Extremidade fechada é nó de deslocamento e ventre de pressão
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Frequências Naturais e Ressonância

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.).

exemplo de resson ncia
Exemplo de Ressonância

A ponte de TacomaNarrows entrou em ressonância, provocada pela vibração dos cabos metálicos existentes em sua estrutura. Suas amplitudes de oscilação aumentaram a ponto de provocar sua ruína.

efeito doppler
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).

observador em repouso e fonte em movimento
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.

observador em movimento e fonte em repouso
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.

efeito doppler conclus o
Efeito Doppler - Conclusão

Movimento de aproximação entre fonte e observador:

Movimento de afastamento entre fonte e observador:

Efeito Doppler Geral (vD – Velocidade do detetor, vS – velocidade da fonte e v – velocidade do Som):