Essência científica do som ;
- Mikael Oliveira
- 14 de abr. de 2020
- 11 min de leitura
Atualizado: 6 de ago. de 2023
Os fundamentos da acústica (e da física) não mudam, embora alguns "especialistas" tentem provar o contrário.
Novos equipamentos, "brinquedos" e teorias vão e vêm, mas os componentes básicos do som e seus conceitos estão sempre relacionados.
Se o treinamento de nível universitário em áudio ou acústica não é de total entendimento, não se desespere.
Existem muitos seminários e workshops patrocinados por organizações industriais, instituições comerciais e até mesmos profissionais independentes que podem aprimorar seu conhecimento.
E eu mencionei livros?
Existem inúmeros textos disponíveis que cobrem quase todos os tópicos imagináveis em acústica, som e sistemas.
Navegue na Web - você certamente encontrará recursos educacionais valiosos e úteis.
Além disso, os cursos de treinamento on-line são abundantes e alguns são muito bons em abordar o básico.
Enquanto isso, vamos começar com uma olhada em alguns dos conceitos fundamentais que podem colocar você no caminho para um entendimento mais alto.
Mudança de pressão
O som está relacionado à sensação da audição e à geração de vibrações que resultam em um distúrbio físico que evoca a sensação da audição. Resumidamente, o som é a mudanças de pressão através de um meio elástico via propagação de ondas causada por forças que vibram que atuam nesse meio.
Acústica é o estudo da transmissão de som através de meios gasosos ,fluidos e sólidos.
O ruído é um som indesejado,mas como alguns já disseram, o som de uma pessoa é o ruído de outra.
O som pode ser descrito e quantificado de várias maneiras, com base no movimento das ondas, pressão, velocidade das partículas, densidade média da transmissão, comprimento de onda e frequência, porém um meio é necessário para transmitir som.
O som pode viajar facilmente através de sólidos, líquidos e gasosos.
O meio de transmissão afeta a propagação do som ,lembrando que existem particularmente em sua velocidade característica.
O som se origina de uma fonte (corpo vibratório), se propaga através de um meio (sólido, líquido ou gás) e é captado por um receptor (ouvinte ou microfone).
Isso geralmente é chamado de modelo de fonte/caminho/receptor para propagação de som.
A maneira mais simples de representar o som usa a onda senoidal mostrada na figura abaixo (creditos da "internet") .
O som é mais comumente visto como uma mudança na pressão relativa à pressão atmosférica.
Na realidade, a representação de ondas senoidais é uma simplificação excessiva da maioria das fontes sonoras, mas fornece um bom ponto de partida para visualizar algumas das características físicas salientes
Na Figura acima, o eixo X representa tempo ou distância e o eixo Y pode representar pressão, nível, energia ou densidade média da transmissão.
As regiões de amplitude acima do eixo zero são positivas (compressão); as regiões abaixo são negativas (rarefação).
A figura mostra uma onda senoidal, característica de apenas uma frequência, o que não é uma ocorrência tão comum.
A maioria das fontes sonoras que encontramos (música, fala e ruído do dia a dia) compreendem muitas frequências com diferentes amplitudes.
O som é mais comumente visto como uma mudança na pressão relativa à pressão atmosférica.
Quando uma fonte sonora vibra, perturba as partículas do meio, resultando em regiões de compressão (pressão mais alta) e rarefação (pressão mais baixa). As regiões de pressão mais alta resultam em um aumento acima da pressão atmosférica.
Por outro lado, as regiões de menor pressão resultam em uma diminuição abaixo da pressão atmosférica. Essas mudanças de pressão são surpreendentemente pequenas: a pressão atmosférica normal é de cerca de 100.000 pascal (Pa) (14,7 lb / in2) e um nível de pressão sonora de 100 dB é de apenas 2,8 Pa (0,0004 lb / in2)!
(Observe que o pascal é a unidade métrica de pressão.)
Densidade do meio
O som tem uma velocidade de propagação característica. No ar em temperaturas ambiente "normais", o som viaja aproximadamente 1.128 pés / s (343 m / s).
Usando as unidades de velocidade com as quais a maioria de nós já conhece, o som viaja aproximadamente 770 km / h. A velocidade de propagação aumenta à medida que a densidade do meio aumenta.
Por exemplo, na água, a velocidade do som é de 4.856 pés / s (1.480 m / s) e no aço é de 16.570 pés / s (5.050 m / s).
A velocidade do som depende da temperatura.
Para cada aumento de temperatura na temperatura, a velocidade aumenta cerca de 0,6 m / s (1,1 pés / s) em comparação com a temperatura ambiente normal.
No ar, a velocidade aumenta aproximadamente 0,2% para 100% de umidade, em comparação com 50% de umidade relativa.
Assim, a umidade geralmente pode ser ignorada quando se lida com a velocidade do som. Para fins de nossas discussões aqui, vamos nos concentrar na propagação do som no ar.
A frequência é o número de vezes por segundo que um evento se repete. Para o som, o evento será uma vibração de alguma fonte. As unidades de frequência são hertz (Hz), ou simplesmente ciclos. O som de frequência mais baixa repetirá o ciclo com menos frequência do que o som de frequência mais alta.
O ciclo também pode ser representado em termos do número de graus, com 360 graus (2π) representando um ciclo completo. O período é o tempo que leva para concluir um ciclo.
Regras que deveríamos memorizar.
Tente se lembrar do seguinte, ou crie uma "folha de dicas" para o seu celular ou outro dispositivo portátil.
- O som viaja aproximadamente 1 pé em 1 milissegundo ou em 0,3048 metros, em temperatura ambientes baixas em certos período do ano e em alguns estados do Brasil, a relação 1/1 é uma forma boa de se recordar.
- O comprimento de onda em 1.000 Hz é de aproximadamente 1 pé, ou 0,3048 metros. Reduzir pela metade a frequência (500 Hz) dobrará o comprimento de onda para aproximadamente 2 pés ou 0,3048 metros vezes 2. Dobrar a frequência (2.000 Hz) reduzirá pela metade o comprimento de onda para aproximadamente 0,5 pé ou 0,3048 metros dividido por 2.
- O som de baixa frequência tem um comprimento de onda longo e vice-versa.
Agora vamos dar uma olhada nas partículas sonoras, pressão acústica, densidade média de propagação, velocidade das partículas, energia acústica, velocidade do volume e impedância acústica.
Conceitos abstratos? Não - longe disso.
Todos estão relacionados à física da propagação do som em um meio elástico que resulta em alterações no deslocamento, pressão, densidade, temperatura e velocidade no meio. Em outras palavras, isso está na base de tudo que ouvimos, a essência científica do som.
Pressão acústica. O som consiste em uma série de máximos de pressão (compressões) e mínimos (rarefações). A unidade de pressão acústica (p) é a Pa. Pascal, abreviada. A pressão acústica pode ser considerada como a diferença entre a pressão instantânea em um ponto fixo em uma região espacial com a fonte sonora presente e com a fonte ausente. Os máximos e mínimos de pressão oscilam acima e abaixo da pressão atmosférica normal em resposta direta ao movimento das partículas acústicas.
Posição das partículas de fluido durante um ciclo oscilatório completo.O eixo Y é a pressão acústica com 0 igual à pressão atmosférica e o eixo X está distante (ou no tempo) correspondente à propagação da onda.(Cortesia de Pierce para "Internet")
Uma certa quantidade de pressão acústica é necessária para evocar a sensação de audição. Para indivíduos com audição "normal", e infelizmente isso pode excluir alguns de nossos queridos amigos (né Luizinho,rsrs ), a pressão acústica mínima necessária para a sensação auditiva é de 20 X 10-6 Pa (20 μPa).
Este valor é referido como pressão acústica de referência. Veremos mais adiante que isso equivale a 0 dB de nível de pressão sonora (SPL).
A amplitude e, portanto, o SPL, de uma onda sonora é diretamente proporcional à pressão acústica.
Propagação Média Densidade.
A densidade de um material é a massa por unidade de volume, expressa em unidades de kg / m3. Para o ar em condições atmosféricas normais, a densidade característica (ρo) é de 1,2 kg / m3.
Quando a pressão no meio de propagação muda, haverá uma mudança de densidade correspondente no meio. Os máximos de pressão resultam em um aumento de densidade, enquanto os mínimos de pressão resultam em uma diminuição de densidade.
Como o ar é um fluido compreensível, haverá alterações de densidade localizadas à medida que a energia acústica flui através do ar.
A Figura abaixo mostra conceitualmente o que está acontecendo para uma onda sonora longitudinal em termos de mudança de densidade média de deslocamento e propagação de partículas.
Conceito do movimento de onda longitudinal sinusoidal. (Cortesia de Houghton para " Internet ")
Velocidade da partícula.
A velocidade da partícula (u) é a flutuação da velocidade que uma partícula sofre no meio acústico sobre sua posição de equilíbrio resultante da passagem da pressão acústica.As unidades são m / s.Observe que a velocidade das partículas não deve ser confundida com a velocidade de propagação característica do som, 343 milissegundos (ms), que descreve a taxa na qual o som viaja através do meio.
Uma característica importante da velocidade das partículas é que ela está 90 graus fora de fase com a pressão acústica quando perto de um limite físico ou da superfície radiante.Essa característica é de primordial importância ao projetar tratamentos de absorção de som, como armadilhas “graves”.Examinaremos a absorção sonora em um artigo futuro.
Equação 1;
u = p /ρ0c
p = pressão acústica, Pa ρo = densidade do ar, 1,2 kg / m3 c = velocidade do som. u = velocidade das partículas, ms
O termo constante na Equação 1, poc, é chamado de impedância característica do meio acústico. É de primordial importância ajudar-nos a entender a interação de uma superfície vibratória, como um cone de alto-falante, e o campo acústico circundante que fornece uma "contrapressão" na superfície radiante. Esse fenômeno de radiação será examinado em um artigo futuro.
Relações de energia acústica.
Uma onda sonora compreende energia potencial e energia cinética. Energia potencial é a energia armazenada e pronta para o trabalho. Energia cinética é a energia do movimento.
A soma das energias potencial e cinética é sempre constante, assumindo um meio de transmissão sem perdas, mesmo que cada uma contribua com uma quantidade variável, dependendo da posição no ciclo oscilatório.
Nos extremos do ciclo oscilatório (pressões máximas positivas ou negativas máximas), a energia é principalmente potencial com energia cinética zero.
No ponto médio do ciclo oscilatório, a energia é principalmente cinética, com zero de energia potencial.
Entre esses limites, há uma combinação de energias potenciais e cinéticas. A energia total por unidade de volume é chamada densidade de energia sonora. A densidade de energia potencial, a densidade de energia cinética e a densidade de energia sonora estão relacionadas entre si pelas equações abaixo.
Equação 2 ;
EP = densidade de energia potencial, Joules (J) p = pressão acústica, Pa κ = módulo a granel de fluido acústico, Pa (igual a) ρo = densidade do meio de transmissão, kg / m3 c = velocidade do som.
A energia potencial é diretamente proporcional ao quadrado da pressão acústica. O módulo a granel é usado para especificar a diminuição do volume do meio acústico que ocorre sob pressão uniforme. Pense nisso como a "compressibilidade" do meio acústico.
Equação 3 ;
EK = densidade de energia cinética, J ρo = densidade do meio de transmissão, kg / m3 u = velocidade das partículas, m / s
A energia cinética é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade das partículas.
Equação 4 ;
E = densidade de energia sonora, J / m3 EP = densidade de energia potencial, J EK = densidade de energia cinética, J ρo = densidade do meio de transmissão, kg / m3 u = velocidade das partículas, ms
A densidade da energia sonora no meio acústico é a soma das energias potencial e cinética.A Figura abaixo ilustra a interação das energias potencial e cinética na forma da espiral de Heyser, uma representação da resposta de frequência para um alto-falante pequeno separado nas relações de energia real (energia cinética) e imaginária (potencial).
Relações reais (energia cinética) e imaginárias (energia potencial) para um alto-falante pequeno.(Cortesia para " Internet " McNair)
A resposta de frequência do alto-falante é mostrada no centro entre as caixas. A resposta real (energia cinética) é mostrada na parte inferior e a resposta imaginária (energia potencial) é mostrada à direita. A figura à esquerda é a exibição Nyquist (polar) de ambas as respostas.
Velocidade do volume.
A velocidade do volume (U), em seu sentido mais simples, pode ser considerada a quantidade de ar que é movida por uma fonte acústica, como um alto-falante, ou a quantidade de ar que faz com que um transdutor se mova, como um diafragma de microfone .
As unidades de velocidade do volume são m3 / s. O "volume" aqui não se refere ao nível ou volume, mas ao espaço ocupado, medido em unidades cúbicas.
No limite do objeto em vibração, a velocidade da partícula acústica será a mesma da velocidade física (móvel) do próprio objeto. As partículas de ar vibrantes resultam em um fluxo acústico médio perpendicular ao objeto vibratório. A magnitude do fluxo do meio acústico dependerá do tamanho do objeto em vibração. A velocidade do volume é definida pela equação abaixo.
Equação 5 ;
U=u/s
U = velocidade do volume, m3 / s u = velocidade das partículas, m / s S = área da superfície do objeto em vibração, m2
A velocidade do volume é diretamente proporcional à velocidade das partículas e à área da superfície. Aumentar qualquer um deles aumentará a velocidade do volume.
A velocidade do volume tem a mesma variação sinusóide e fase da velocidade da partícula.
A Equação 5 nos mostra prontamente que, se quisermos mover uma determinada quantidade de ar, como com um alto-falante, podemos usar um único cone (S grande) com uma velocidade de superfície (partícula) de amplitude relativamente baixa ou usar um cone menor operando com uma velocidade superficial de amplitude maior ( Figura abaixo).
Conceito de velocidade de valor igual (U): o alto-falante à esquerda tem maior área de superfície (S) e menor velocidade de partícula (u), enquanto o alto-falante à direita tem menor área de superfície (S) e maior velocidade de partícula (u).
Equação 6;
Z=PU
Z = impedância acústica, Pa s / m3 p = pressão acústica, Pa U = velocidade do volume, m3 / s
Veremos em um artigo futuro que a impedância acústica é composta por resistência acústica e reatância acústica, semelhantes à impedância elétrica.
Exemplos. Vamos colocar algumas das opções acima em prática.
Um alto-falante de 100 mm de diâmetro irradia 1 Pa de pressão acústica (94 dB).
A velocidade de volume resultante (U) pode ser determinada resolvendo a velocidade das partículas (u) usando a equação 1 e, em seguida, resolvendo a velocidade do volume usando a equação 5.
A resolução nos fornece uma velocidade de volume de 1,9 x 10-5 m3s, uma velocidade muito pequena. quantidade de fato.
Suponha que substituamos um alto-falante de 400 mm de diâmetro que irradia a mesma pressão acústica. O uso dos cálculos para o exemplo do alto-falante de 100 mm resulta em uma velocidade de volume aproximadamente um fator 10, 3,1 X 10-4 m3s maior.
Quando o guitarrista da banda aumenta o amplificador para "11" e a saída aumenta para 120 dB, a velocidade do volume do alto-falante de 12 polegadas ainda é surpreendentemente pequena em 6,1 X 10-3 m3 / s, aproximadamente um fator 100 maior comparado à saída de 1 Pa (94 dB).
A impedância acústica do alto-falante de 100 mm que irradia a pressão acústica de 1 Pa é de 5,3 X 104 Pa s / m3 e de 3,2 x 103 Pa s / m3 para o alto-falante de 400 mm. Observe a menor impedância acústica do alto-falante maior, indicando radiação acústica mais eficiente.
Os alto-falantes de 100 e 400 mm, cada um com pressão acústica de 1 Pa, resultam em uma densidade de energia sonora de 7 X 10-6 J / m3 para cada um, conforme determinado pela equação 4.
Novamente, como a velocidade das partículas e a velocidade do volume, a energia do som a densidade é extremamente pequena.
Você notará que, embora estejamos lidando com valores SPL relativamente altos, 94 e 120 dB, as variáveis acústicas físicas, exceto a impedância acústica, são bastante infinitesimais. Isso indica a extrema sensibilidade do nosso mecanismo auditivo.
Regras práticas de Neil para o cálculo do básico:
- A pressão acústica de referência, 20 μPa, resulta em 0 dB NPS, o limiar da audibilidade. - O movimento do tímpano devido a um SPL de 0 dB a 1.000 Hz é menor que 1 angstrom (10-7 mm), o diâmetro de um átomo de hidrogênio. - Um valor de pressão acústica de 1 Pa resultará em 94 dB NPS. Esse valor de pressão é comumente usado em calibradores acústicos. - Cada duplicação sucessiva da pressão acústica aumenta o SPL em 6 dB. - A maioria dos parâmetros acústicos físicos são quantidades muito pequenas, embora o SPL seja relativamente alto.
Convido você a digerir essas informações ,segue as referências do artigo
Em breve teremos mais artigos.....
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