A energia sonora ou acústico que está a levar as ondas sonoras se propagam como num meio, o qual pode ser um gás tal como o ar, um líquido ou um sólido. Humanos e muitos animais usam energia acústica para interagir com o meio ambiente.
Para isso, possuem órgãos especializados, como as cordas vocais, capazes de produzir vibrações. Essas vibrações são transportadas no ar para alcançar outros órgãos especializados responsáveis por sua interpretação.
As vibrações causam compressões e expansões sucessivas no ar ou no ambiente ao redor da fonte, que estão se espalhando com alguma velocidade. Não são as partículas que viajam, mas estão limitadas à oscilação em relação à sua posição de equilíbrio. A perturbação é o que é transmitido.
Agora, como é sabido, objetos em movimento têm energia. Assim, também as ondas que viajam no meio carregam consigo a energia associada ao movimento das partículas (energia cinética) e também a energia que o meio possui intrinsecamente, conhecido como energia potencial.
Caracteristicas
Como é sabido, objetos em movimento têm energia. Assim também as ondas, enquanto viajam no meio, carregam consigo a energia associada ao movimento das partículas (energia cinética) e também a energia de deformação da energia média ou potencial.
Assumindo que uma porção muito pequena do meio, que pode ser ar, cada partícula com velocidade u , tenha energia cinética K dada por:
K = ½ mu 2
Além disso, a partícula possui energia potencial U que depende da variação de volume que experimenta, sendo Vo o volume inicial, V o volume final ep a pressão, que depende da posição e do tempo:
O sinal negativo indica um aumento na energia potencial, uma vez que a onda de propagação trabalha no elemento de volume dV quando comprimido, graças a uma pressão acústica positiva.
A massa do elemento fluido em termos da densidade inicial ρ o e do volume inicial V o é:
m o = ρ ou V ou
E como a massa é preservada (princípio de conservação da massa):
ρV = ρ ou V o = constante
Portanto, a energia total se parece com isso:
Cálculo da energia potencial
A integral pode ser resolvida com a ajuda do princípio de conservação de massa
m o = m f
A derivada de uma constante é 0, então (ρ V) ‘ = 0. Portanto:
dV = (-V / ρ) dρ
Isaac Newton determinou que:
(dp / dρ) = c 2
Onde c representa a velocidade do som no fluido em questão. Ao substituir o acima na integral, a energia potencial do meio é obtida:
Se A p e A v são as amplitudes da onda de pressão e velocidade, respectivamente, a energia média ε da onda sonora é:
O som pode ser caracterizado por uma magnitude chamada intensidade .
A intensidade do som é definida como a energia que passa em um segundo através da unidade de superfície que é perpendicular à direção da propagação do som.
Como a energia por unidade de tempo é a potência P , a intensidade do som I pode ser expressa como:
Cada tipo de onda sonora tem uma frequência característica e carrega uma certa energia. Tudo isso determina seu comportamento acústico. Como o som é tão importante para a vida humana, os tipos de sons são classificados em três grandes grupos, de acordo com a faixa de frequências audíveis para seres humanos:
– infra-som, cuja frequência é inferior a 20 Hz.
– Espectro audível, com frequências variando de 20 Hz a 20.000 Hz.
– Ultrassom, com frequências maiores que 20.000 Hz.
O tom de um som, isto é, se é agudo, grave ou médio, depende da frequência. As frequências mais baixas são interpretadas como sons graves, aproximadamente entre 20 e 400 Hz.
As frequências entre 400 e 1600 Hz são consideradas tons médios, enquanto as agudas variam de 1600 a 20.000 Hz. Os sons agudos são leves e penetrantes, enquanto os graves são percebidos como mais profundos e estrondosos.
Os sons ouvidos diariamente são sobreposições complexas de som com várias frequências próximas.
O som tem outras qualidades além da frequência, que podem servir como critério para sua classificação. Exemplos deles são timbre, duração e intensidade.
O ruído
Também é importante distinguir entre sons ou ruídos desejados e indesejados. Como o ruído é sempre procurado para ser eliminado, é classificado de acordo com a intensidade e o período em:
– barulho contínuo.
– Ruído flutuante.
– Barulho impulsivo.
Ou por cores, ligadas à sua frequência:
– Ruído rosa (semelhante a um ” shhhhhh “).
– Ruído branco (semelhante a um ” psssssss “).
– Ruído marrom (por Robert Brown, o descobridor do movimento browniano, é um ruído que favorece muito as baixas frequências).
Usos
O uso de energia acústica depende do tipo de onda sonora utilizada. Na faixa de ondas sonoras, o uso universal do som é permitir uma comunicação próxima, não apenas entre as pessoas, pois os animais também se comunicam emitindo sons.
Os sons são versáteis. Cada um difere de acordo com a fonte que o emite. Dessa maneira, a variedade de sons na natureza é infinita: cada voz humana é diferente, bem como os sons característicos que as espécies animais usam para se comunicar.
Muitos animais usam a energia do som para se localizar no espaço e também para capturar suas presas. Eles emitem sinais acústicos e têm órgãos receptores que analisam os sinais refletidos. Dessa forma, eles obtêm informações sobre as distâncias.
Os humanos não têm os órgãos necessários para usar energia sônica dessa maneira. No entanto, eles criaram dispositivos de orientação como o sonar, com base nesses mesmos princípios, para facilitar a navegação.
Por outro lado, o ultrassom são ondas sonoras cujas aplicações são bem conhecidas. Na medicina, eles são usados para obter imagens do interior do corpo humano. Eles também fazem parte do tratamento de algumas condições, como lombalgia e tendinite.
Algumas aplicações de energia acústica
– Com pedras de ultra-som de alta energia ou pedras que se formam nos rins e na vesícula biliar podem ser destruídas devido à precipitação de sais minerais nesses órgãos.
– Na geofísica, o ultra-som é usado como métodos de prospecção. Seus princípios são semelhantes aos dos métodos sísmicos. Eles podem ser usados em aplicações que vão desde determinar a forma do relevo oceânico a testemunhas para calcular os módulos elásticos.
– Na tecnologia de alimentos, eles são usados para eliminar microorganismos resistentes a altas temperaturas, bem como para melhorar algumas texturas e qualidades dos alimentos.
Vantagens
A energia acústica tem vantagens que são devidas em grande parte ao seu escopo limitado. Por exemplo, não é caro produzir e não gera resíduos químicos ou outros, pois se dissipa rapidamente no meio.
Quanto às fontes de energia acústica, elas são numerosas. Qualquer objeto capaz de vibrar pode se tornar uma fonte de som.
Quando usado em aplicações médicas, por exemplo, imagens usando ultra-som, tem a vantagem de não usar radiação ionizante, como raios-x ou tomografia. É fato que a radiação ionizante pode causar danos às células.
Seu uso não requer as medidas de proteção necessárias quando a radiação ionizante é aplicada. O equipamento também é mais barato.
Além disso, a energia ultrassônica é um método não invasivo para eliminar os rins e cálculos biliares mencionados, evitando procedimentos cirúrgicos.
Em princípio, não gera poluição no ar ou na água. Mas sabe-se que há poluição sonora nos mares, devido a atividades humanas como pesca intensiva, prospecção geofísica e transporte.
Desvantagens
É difícil pensar nas desvantagens que um fenômeno tão natural quanto o som possa ter.
Um dos poucos é que sons de alta intensidade podem danificar a estrutura do tímpano e, eventualmente, fazer com que as pessoas continuamente expostas percam sua sensibilidade.
Ambientes muito barulhentos acabam causando estresse e desconforto nas pessoas. Outra desvantagem é talvez o fato de a energia acústica não servir para mover objetos, sendo muito difícil aproveitar as vibrações para afetar objetos sólidos.
Isso ocorre porque o som sempre exige a existência de um meio para poder se espalhar e, portanto, é facilmente atenuado. Ou seja, a energia sonora é absorvida no meio mais rapidamente do que a de outros tipos de ondas, por exemplo eletromagnética.
Por esse motivo, a energia das ondas sonoras é relativamente curta no ar. O som é absorvido pelas estruturas e objetos à medida que se propaga, e sua energia se dissipa gradualmente no calor.
Obviamente, isso está relacionado à conservação de energia: a energia não é destruída, mas muda de forma. As vibrações das moléculas no ar não apenas se transformam em mudanças de pressão que dão origem ao som. As vibrações também dão origem ao calor.
Absorção sonora em materiais
Quando as ondas sonoras atingem um material como uma parede de tijolos, por exemplo, uma parte da energia é refletida. Outra parte é dissipada no calor, graças à vibração molecular do ar e do material; e finalmente a fração restante passa pelo material.
Assim, as ondas sonoras podem ser refletidas da mesma maneira que a luz. O reflexo do som é conhecido como “eco”. Quanto mais rígida e uniforme a superfície, maior a capacidade de refletir.
De fato, existem superfícies capazes de produzir múltiplas reflexões chamadas reverberações . Geralmente, isso ocorre em espaços pequenos e é evitado com a colocação de material isolante, de modo que as ondas emitidas e refletidas não se sobreponham, dificultando a audição.
Ao longo de sua propagação, a onda acústica experimentará todas essas perdas sucessivas até que finalmente a energia seja completamente absorvida no meio. O que significa que foi transformado em energia calórica.
Existe uma magnitude para quantificar a capacidade de um material absorver o som. É chamado de coeficiente de absorção. É denotado como α e é a razão entre a energia absorvida E abs e a energia incidente E inc , todas referentes ao material em questão. É expresso matematicamente assim:
α = E abs / E inc
O valor máximo de α é 1 (absorve completamente o som) e o mínimo é 0 (permite a entrada de todo o som).
O som pode ser uma desvantagem em muitas ocasiões em que o silêncio é preferido. Por exemplo, os carros são instalados com silenciadores para atenuar o ruído do motor. Para outros dispositivos, como bombas de água e usinas de energia também.
Exemplos de energia sonora
A energia sonora está em todo lugar. Aqui está um exemplo simples que ilustra as propriedades do som e sua energia do ponto de vista quantitativo.
Exercício resolvido
Um alfinete de 0,1 g de massa cai de uma altura de 1m. Supondo que 0,05% de sua energia se torne um pulso sonoro de 0,1 s de duração, estime qual é a distância máxima na qual a queda de pinos pode ser ouvida. Tome como intensidade sonora mínima audível 10 -8 W / m 2 .
Solução
A equação dada acima será usada para a intensidade do som:
Uma boa pergunta é de onde vem a energia sonora, nesse caso, aquele cuja intensidade é detectada pelo ouvido humano.
A resposta está na energia potencial gravitacional. Precisamente porque o pino cai de uma certa altura, para a qual tinha energia potencial, à medida que cai, transforma essa energia em energia cinética.
E uma vez que atinge o solo, a energia é transferida para as moléculas de ar ao redor do local da queda, o que dá origem ao som.
A energia potencial gravitacional U é:
U = mgh
Onde m é a massa do pino, g é a aceleração da gravidade e h é a altura da qual ela caiu. Substituindo esses valores numéricos, mas não antes de fazer as conversões correspondentes no Sistema Internacional de Unidades, você tem:
U = 0,1 x 10 -3 x 9,8 x 1 J = 0,00098 J
A afirmação diz que, dessa energia, apenas 0,05% é transformado para dar origem ao pulso sonoro, ou seja, ao toque do pino quando atinge o chão. Portanto, a energia sonora é:
Som E = 4,9 x 10 -7 J
A partir da equação da intensidade, o raio R é apagado e os valores de energia do som E som e a duração do pulso são substituídos : 0,1 s de acordo com a declaração.
Portanto, a distância máxima na qual a queda de pinos será audível é de 6,24 m redondos.
Referências
- Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. Sexta Edição Prentice Hall. 332-359.
- Kinsler, L. (2000). Fundamentos de acústica. 4ª Ed. Wiley & Sons. 124-125.