Física do som: propriedades e aplicações

Prof. Jairo Gomes //// www.fisicafacil.pro.br
FÍSICA
PROFESSOR
JAIRO GOMES

ACÚSTICA

O que é som?
Ondas que se propagam através de meios
materiais como a água, a corda e a mola são
chamadas de ondas mecânicas.
Corpos vibrantes, como a membrana de um alto-
falante, as cordas vocais, as cordas de um violão e
a membrana de um tambor, produzem ondas que
se propagam no espaço através das vibrações das
partículas (átomos e moléculas) do ar.
Essas ondas, que também são mecânicas e
capazes de impressionar os nossos órgãos
auditivos, são denominadas ondas sonoras ou
som.

O som é uma onda longitudinal, pois,
durante a sua produção, corpos vibrantes
agitam as partículas do ar, ora expandindo
(movimento para a frente), ora
comprimindo (movimento para trás), no
sentido longitudinal de maneira análoga à
onda longitudinal na mola.
O som não se propaga no vácuo porque é
uma onda mecânica. Sua velocidade de
propagação varia com o meio material. Por
exemplo, no ar, a 15° C, é de 340 m/s; na
água, cerca de 1450 m/s; no ferro, cerca de
4500 m/s.

Infra-som e ultra-som
Ondas mecânicas longitudinais com freqüências
inferiores a 20 Hz são denominadas infra-som. Aquelas
com freqüências acima de 20000 Hz são denominadas
ultra-som. O ouvido humano só capta sons cujas
freqüências estão entre 20 Hz e 20000 Hz.
Alguns animais, como o cão, conseguem captar sons de
20 Hz até ultra-sons de 50000 Hz. Os morcegos são
sensíveis a sons de 20 Hz até ultra-sons de 160000 Hz;
eles voam sem colidir com obstáculos através da emissão
de ondas ultra-sônicas e da recepção após a reflexão nos
obstáculos. Os golfinhos e as mariposas também se
orientam emitindo ondas ultra-sônicas.

O sonar é um aparelho inventado durante a
Segunda Guerra Mundial com base no
comportamento de animais como o morcego.
Ele serve para detectar objetos sob a água pela
emissão e recepção de ultra-som.
Outras aplicações do ultra-som: perfuração e
ruptura de materiais duros; ensaio e análise de
materiais; sinalização através da água;
diagnóstico médico (pela imagem obtida por
ultra-som em um filme fotográfico ou em um
monitor de TV é possível examinar o
funcionamento de órgãos do corpo humano,
identificar tumores, observar um feto, etc.).

O som sofre refração ao se propagar nas
camadas de águas com temperaturas
diferentes.

Qualidades fisiológicas
do som
O que significa som alto, baixo, grosso, fino,
agudo, grave, forte e fraco?
O som é caracterizado por três qualidades:
intensidade, altura e timbre.
Quando variamos o volume do som em um
televisor ou aparelho de som, estamos
variando a sua intensidade, tornando-o mais
forte (intenso) ou mais fraco. Essa qualidade
está relacionada com a amplitude da onda
sonora: quanto maior o volume do som, maior
a amplitude e a energia que o som transporta
durante a sua propagação.

A altura é determinada pela freqüência
aumentando a freqüência, o som torna-se
mais agudo (som fino); diminuindo-a, ele
torna-se mais
grave (som grosso). Em geral, a voz da
mulher é aguda e a do homem é grave.
Cada nota musical (dó, ré, mi, fá, sol, lá e
si) possui determinada freqüência, que
decresce da nota dó para a si. Nos
aparelhos de som há um botão que
controla o grave e o agudo.

O timbre é a qualidade que permite distinguir
sons de mesma intensidade e mesma altura
emitidos por fontes diferentes. Por exemplo,
o timbre do som emitido por uma nota
musical no piano é diferente do emitido pela
mesma nota em um violão.

Nível sonoro
O que significa um som de 20 dB, 60 dB?
No nosso cotidiano, principalmente nas
grandes cidades, convivemos com alguns
tipos de poluição, como a sonora, provocada
por barulhos do trânsito, avião, músicas
tocadas em volume alto, pessoas falando alto
sem o menor respeito pelo vizinho e muitos
outros que você pode citar.

Para avaliar e comparar as intensidades
desses sons usa-se uma grandeza
denominada nível sonoro (N) ou nível de
intensidade sonora, que é medida em
decibel (dB), em homenagem a Alexander
Graham Bell (1847-1922), inventor do
telefone.

A tabela a seguir apresenta alguns níveis
sonoros ( b ):
Situação N (dB)
respiração normal 10
conversação normal (moderada) 40
ambiente de uma festa 60
barulho no tráfego intenso 80
gritos 100
avião a jato decolando 140

b ..... nível sonoro, medido em decibéis ( dB ).
I ..... intensidade física sonora, medida em W/m2.
Io ..... menor intensidade física sonora audível, medida
em W/m2.
P ..... potência sonora, medida em watts ( W ).
A ..... área atingida pelo nível sonoro, medida em m2.

EXERCÍCIO

1. Num festival de rock, os ouvintes próximos às caixas de
som recebiam uma intensidade física sonora de 10 W/m2.
Sendo 10-12 W/m2 a menor intensidade física sonora
audível, determine o nível sonoro do som ouvido por eles.
Solução: b = ? b = 10 . log
(I
Io
(
b = 10 . log
(10
(
10-12
b = 10 . log 1013
b = 10 . 13 . 1
b = 130 dB

2. Uma janela de 1 m2 de área abre-se para uma rua onde
o ruído produz um nível sonoro, na janela, de 60 dB.
Determine a potência que entra na janela por meio das
ondas sonoras. Considere Io = 10-12 W/m2 a menor
intensidade física sonora audível.
Solução: P = ? b = 10 . log
(I
Io
(
(
60 = 10 . log
( I
10-12
I = 10-6 W/m2
(
6 = log
( I
10-12
106 =
I
10-12
I =
P
A
10-6 =
P
1
P = 10-6 W

3. O nível de ruído no interior de uma estação de metro é
de 100 dB. Calcule a intensidade física sonora no interior
da estação. A mínima intensidade física sonora audível é
Io = 10-12 W/m2.
b = 10 . log
(I
Io
(
(
100 = 10 . log
( I
10-12
I = 10-2 W/m2
(
10 = log
( I
10-12
1010 =
I
10-12
Solução: I = ?

Difração de ondas
A difração pode ser definida como a
capacidade que uma onda apresenta de
contornar, ou transpor, os obstáculos
colocados em seu caminho.
Esse fenômeno é facilmente perceptível
quando se trata de ondas sonoras: podemos
ouvir uma música sendo tocada do lado de um
muro mesmo que não vejamos o músico.

O som sofre difração, ou seja, a pessoa não vê o carro,
mas ouve o ruído do seu motor.
A difração do som permite-lhe contornar obstáculos
com dimensões de até 20 m.

Velocidade de Propagação
de uma onda ( V )
v = f . l
f ... freqüência, medida em Hz ( S.I )
l ... comprimento de onda, medida em metros ( S.I )
v .... Velocidade de Propagação
Obs.: Na refração das ondas sonoras, a freqüência é
mantida constante.

EXERCÍCIO
EQUAÇÃO FUNDAMENTAL
DA ONDULATÓRIA

1. Um avião a jato passa sobre um observador O em vôo
horizontal. Quando ele está exatamente na vertical que
passa pelo observador O, o som parece vir de um ponto P
atrás do avião, numa direção inclinada de 30° com a
vertical. Calcule a velocidade do avião, sendo a velocidade
do som 340 m/s. (Dado: sen 30° = 0,5.)
Solução: vavião = ?
P A
vavião
O
vsom
30º
sen 30º =
vavião
vsom
0,5 =
vavião
340
0,5 . 340 = vavião
vavião = 170 m/s ou vavião = 612 km/h
170 x 3,6 = 612

2. Um garoto na borda de um poço de profundidade 80 m
deixa cair uma pedra. Após quanto tempo o som da pedra
atingindo a água no fundo do poço será ouvido pelo
garoto? São dadas a velocidade do som no ar (v = 320 m/s)
e a aceleração da gravidade local (g = 10 m/s2).
Solução: ttotal = ?
1a Parte: Em queda livre t1 = ?
vsom =
DS
t2
a . t1
2
DS = vo . t1 +
2
g . t1
2
DS =
2
... deixa cair uma pedra ... vo = 0
10 . t1
2
80 =
2
160 = 10 t1
2
16 = t1
2
t1 = 4 s
2a Parte: o som se propagando
após a queda na água ... t2 = ?
320 =
80
t2
t2 = 80 : 320
320 . t2 = 80
t2 = 0,25 s
ttotal = t1 + t2 = ?
ttotal = 4 + 0,25
ttotal = 4,25 s

3. Numa experiência de Física dois alunos se postam um
em cada extremidade de uma barra metálica, de
comprimento 170 m. Um deles dá uma pancada numa das
extremidades. O outro ouve dois sons com uma defasagem
de tempo de 0,45 s. Sendo a velocidade do som no ar igual
a 340 m/s, determine a velocidade do som na barra
metálica. Solução: vmetal = ?
Propagando
no ar ...
var =
DS
t1
340 =
170
t1
t2 = 170 : 340
340 . t1 = 170
t2 = 0,5 s
Propagando
no metal ...
vmetal =
DS
t2
Se t1 > t2 então
t1 - t2 = 0,45
0,5 - t2 = 0,45
0,5 - 0,45 = t2
0,05 = t2
t2 = 0,05 s
vmetal =
170
0,05
vmetal = 3.400 m/s
Obs.:No ar o tempo de propagação do
som é sempre maior que o tempo de
propagação no metal, pois var < vmetal.

PROPRIEDADES DAS
ONDAS SONORAS
As ondas sonoras apresentam as
mesmas propriedades dos demais
tipos de ondas: reflexão, refração,
difração e interferência. Elas só
não podem ser polarizadas porque
não são ondas transversais.

Emitindo ultra-sons e recebendo as
ondas refletidas, os morcegos
localizam insetos e evitam colisões
com obstáculos enquanto voam em
plena escuridão.

A reflexão do som pode dar origem ao
reforço, à reverberação ou ao eco,
dependendo do intervalo de tempo entre
a percepção pelo ouvinte do som direto e
do som refletido.
A ocorrência de um ou de outro desses
fenômenos deve-se ao fato de só
conseguirmos distinguir dois sons que
nos chegam com um intervalo de tempo
superior a 0,1 s (um décimo de segundo).

Se o obstáculo que reflete o som estiver
muito próximo, o som direto e o som
refletido chegam praticamente no mesmo
instante. O ouvinte terá então a sensação
de um som mais forte. A esse fenômeno
se dá o nome de reforço.

Quando o obstáculo refletor está mais
afastado, de modo que o intervalo entre a
percepção do som direto e a do som
refletido é menor que 0,1 s, mas não é
desprezível, ocorre o fenômeno da
reverberação. Nesse caso o som refletido
chega ao sistema auditivo, enquanto a
sensação do som direto ainda não se
extinguiu. O ouvinte tem então a impressão
de um prolongamento do som. Nos
auditórios a reverberação, desde que não
exagerada, auxilia o entendimento do que
está sendo falado.

O eco ocorre quando o som refletido é
recebido pelo ouvinte depois que o som
direto já se extinguiu. Assim, o ouvinte
percebe dois sons distintos. Para que
isso aconteça, o intervalo de tempo entre
a percepção dos dois sons (direto e
refletido) deve ser maior que 0,1 s.

1. Um submarino é equipado com um aparelho denominado
sonar, que emite ondas acústicas de frequência 40.000 Hz. A
velocidade das ondas emitidas na água vale 1.400 m/s. Esse
submarino, quando em repouso na superfície, emite um sinal
na direção vertical através do oceano e o eco é recebido
após 0,80 s. Calcule a profundidade do oceano nesse local.
Solução: DS = ?
DS
v =
Dt
DS
1400 =
0,4
Se o tempo (eco) = 0,80 s
então
Dt = 0,40 s
1400 . 0,4 = DS
DS = 560 m

2. O menor intervalo de tempo entre dois sons percebido
pelo ouvido humano é de 0,10 s. Considere uma pessoa
defronte a uma parede num local onde a velocidade do som
é de 340 m/s.
a) Determine a distância x para a qual o eco é ouvido 3,0 s
após a emissão da voz.
b) Determine a menor distância para que a pessoa possa
distinguir a sua voz e o eco,
Solução: a) DS = x = ?
Se tempo (eco) = 3,0 s
então
Dt = 1,5 s
DS
v =
Dt
DS
340 =
1,5
340 . 1,5 = DS
DS = 510 m

2. O menor intervalo de tempo entre dois sons percebido
pelo ouvido humano é de 0,10 s. Considere uma pessoa
defronte a uma parede num local onde a velocidade do som
é de 340 m/s.
b) Determine a menor distância para que a pessoa possa
distinguir a sua voz e o eco,
Solução: b) DS = ?
então
Dt = 0,05 s
DS
v =
Dt
DS
340 =
0,05
340 . 0,05 = DS
DS = 17 m

3. Um sonar que se encontra num barco de pesca em
repouso em relação à água do mar emite um ultra-som de
frequência 40 kHz, o qual se reflete num cardume e é
captado pelo sonar 2,0 s após sua emissão. Supondo a
velocidade do ultra-som na água do mar de 1.500 m/s,
calcule a distância aproximada do navio ao cardume.
Solução: DS = ?
então
Dt = 1 s
DS
v =
Dt
DS
1500 =
1,0
1500 . 1,0 = DS
DS = 1.500 m

4. Para determinar a profundidade de um poço de petróleo,
um cientista emitiu com uma fonte, na abertura do poço,
ondas sonoras de freqüência 220 Hz. Sabendo-se que o
comprimento de onda, durante o percurso, é de 1,5 m e
que o cientista recebe como resposta um eco após 8 s,
determine a profundidade do poço é:
Solução: DS = ?
Se tempo (eco) = 8 s
então
Dt = 4 s
DS
v =
Dt
v = ?
v = l . f
v = 1,5 . 220
v = 330 m/s
DS
330 =
4
330 . 4 = DS
DS = 1320 m

Refração
A refração do som ocorre quando uma
onda sonora produzida em um meio passa
para outro meio em que sua velocidade é
diferente. Nesse caso, a frequência do
som permanece a mesma, modificando-se
seu comprimento de onda.

Velocidade de Propagação
de uma onda sofrendo
refração
Na refração, a frequência e o período
permanecem constantes.
v = l . f

1. Uma onda plana se propaga num meio com velocidade
de 10 m/s e com frequência de 5 hertz, e passa para outro
meio com velocidade 5 m/s. O comprimento da onda no
segundo meio é de:
a) 0.1 m
c) 1,0 m
e) 2,0 m
b) 0,5 m
d) 1,5 m
Solução: l2 = ?
Dados:
v1 = 10 m/s
f = 5 Hz (constante)
v2 = 5 m/s
l2 = ?
v2 = l2 . f
5 = l2 . 5
5 : 5 = l2
1 = l2
l2 = 1 m
X

2. Um trem de ondas periódicas percorre o meio 1, chega
à interface com o meio 2 e entra nele, sofrendo refração.
O comprimento de onda no meio 1 é l1 = 1,5 cm e o
comprimento de onda no meio 2 é l2 = 2,0 cm.
a) Das grandezas físicas: velocidade de propagação,
frequência e período, quais se conservam com o mesmo
valor nos dois meios?
b) Se a frequência das ondas é igual a 10 hertz no meio 1.
qual é a velocidade de propagação no meio 2?
Solução:
a) a
frequência
e o
período.
Solução:
b) v2 = ?
l1 = 1,5 m
l2 = 2,0 m
f = 10 Hz
(constante)
v2 = ?
v2 = l2 . f
v2 = 2 . 10
v2 = 20 m/s

3. No ar, a luz vermelha propaga-se com velocidade 3 . 108
m/s e sua frequência é 4,8 . 1014. Em um tipo de vidro, a
velocidade de propagação da luz vermelha é 2 . 108 m/s.
Calcule o comprimento de onda da luz vermelha nesse vidro.
Solução:
2 . 108
4,8 . 1014
= lvidro
lvidro = ?
vvidro = lvidro . f
2 . 108 = lvidro . 4,8 . 1014
0,416 . 10-6 = lvidro
4,16 . 10-7 = lvidro
lvidro = 4,16 . 10-7 m

INTERFERÊNCIA SONORA
A interferência do som pode ocorrer quando
um ponto do meio recebe dois ou mais sons
originados por várias fontes ou por reflexões
em obstáculos.
Um caso importante de interferência sonora é o
denominado batimento, que ocorre quando há
interferência de ondas sonoras de frequências
ligeiramente diferentes. A intensidade varia de
um som forte, que se ouve em dado instante,
para um silêncio quase total; a seguir
novamente o som forte, e assim por diante.

É comum os músicos de uma orquestra
afinarem seus instrumentos utilizando o
fenômeno de batimentos. Enquanto as
frequências (do instrumento e da fonte
afinadora) são diferentes, mas próximas,
ouvem-se os batimentos. À medida que o
instrumento vai sendo afinado, a frequência de
batimento vai diminuindo até desaparecer
quando as frequências se tornam iguais.

1. Ondas sonoras são compressões e rarefações do meio
material através do qual se propagam. Podemos dizer
que:
a) o som pode propagar-se através do vácuo.
b) o som não pode propagar-se através de um sólido.
c) o som somente se propaga através do ar.
d) as ondas sonoras transmitem-se mais rapidamente
através de líquidos e sólidos do que através do ar.
e) para as ondas sonoras não se verificam os fenômenos
de interferência nem de difração.
X

2. Em geral, com relação à propagação de uma onda
sonora, afirmamos corretamente que sua velocidade é:
a) menor nos líquidos que nos gases e sólidos.
b) maior nos gases que nos sólidos e líquidos.
c) maior nos líquidos que nos gases e sólidos.
d) menor nos sólidos que nos líquidos e gases.
e) maior nos sólidos que nos líquidos e gases.X

3. A velocidade do som na água, em comparação com
sua velocidade no ar, é:
a) maior.
b) menor.
c) igual.
d) diferente, mas não é possível dizer se maior ou menor.
e) maior ou menor, dependendo da freqüência do som
que se propaga.
X

4. A velocidade do som no ar depende:
a) da freqüência do som.
b) da intensidade do som.
c) do timbre do som no ar.
d) da temperatura do ar.
e) da freqüência e do timbre do som.
X

5. Numa experiência clássica, coloca-se numa campânula
de vidro onde se faz o vácuo, uma lanterna acesa e um
despertador que está despertando. A luz da lanterna é
vista, mas o som do despertador não é ouvido. Isso
acontece porque:
a) O comprimento de onda da luz é menor que o do som.
b) Nossos olhos são mais sensíveis que nossos ouvidos.
c) O som não se propaga no vácuo e a luz sim.
d) A velocidade da luz é maior que a do som.
e) O vidro da Campânula serve de blindagem para o som,
mas não para a luz.
X

6. Se aumentarmos a freqüência com que vibra uma fonte
de ondas num dado meio:
a) o período aumenta.
b) a velocidade de onda diminui.
c) o período não se altera.
d) a velocidade de onda aumenta.
e) o comprimento de onda diminui.X

7. Num exame de Física, o professor coloca um
despertador programado para tocar às 11h 50 min, dentro
de um recipiente no qual se faz vácuo. Analise as
alternativas abaixo e assinale a correta.
a) O despertador toca na hora certa, mas os alunos não
escutam nada.
b) O despertador toca com atraso de alguns minutos, por
causa da existência do vácuo dentro do recipiente em
que se encontra.
c) O despertador vai tocar alguns minutos antes do
horário programado, por causa da existência do vácuo
no recipiente.
d) O despertador só tocará na hora em que for retirado
do recipiente.
e) O despertador não toca, por causa da existência do
vácuo no recipiente.X

8. "Pesquisadores da Unesp, investigando os possíveis
efeitos do som no desenvolvimento de mudas de feijão,
verificaram que os sons agudos podem prejudicar o
crescimento dessas plantas, enquanto os sons mais
graves, aparentemente, não interferem no processo."
(Ciência e Cultura, 42(7): 180-1, jul. 1990.) Nesse
experimento o interesse dos pesquisadores fixou-se
principalmente na variável física:
a) velocidade.
b) umidade.
c) temperatura.
d) freqüência.
e) intensidade.
X

9. Toca-se no piano uma escala musical. Do som mais
agudo ao mais grave, as ondas sonoras sofrem uma
diminuição de:
a) amplitude.
b) freqüência.
c) elongação.
d) comprimento de onda.
e) velocidade.
X

10. O caráter ondulatório do som pode ser utilizado para
eliminação, total ou parcial, de ruídos indesejáveis. Para
isso, microfones captam o ruído do ambiente e o enviam
a um computador, programado para analisá-lo e para
emitir um sinal ondulatório que anule o ruído original
indesejável. O fenômeno ondulatório no qual se
fundamenta essa nova tecnologia é a:
a) interferência.
b) difração.
c) polarização.
d) reflexão.
e) refração.
X

11. Quando uma onda sonora atinge uma região em que a
temperatura do ar é diferente, muda:
a) a freqüência.
b) o timbre.
c) a altura.
d) o comprimento de onda.
e) nenhuma das anteriores.
X

12. Em relação às ondas sonoras podemos afirmar que:
a) a propriedade física que nos permite classificar a
altura do som como grave ou agudo é a sua freqüência.
b) quando alteramos o botão do volume do rádio,
estamos alterando a altura dos sons do rádio.
c) ao atravessar a superfície de separação de dois meios,
uma onda varia sua freqüência.
d) a altura de uma onda sonora é a qualidade ligada
diretamente à forma da onda.
e) dois sons com mesma altura e intensidade,
provenientes de dois instrumentos musicais diferentes,
são perfeitamente idênticos ao ouvido humano.
X

13. Vemos um relâmpago e depois ouvimos o trovão. Isso
ocorre porque:
a) o som se propaga no ar.
b) a luz do relâmpago é muito intensa.
c) a velocidade do som no ar é 340 m/s.
d) a velocidade do som é menor que a da luz.
e) o ouvido é mais lento que o olho.
X

14. A quebra de um copo de cristal submetendo-o a sons
agudos é manifestação do fenômeno de:
a) ressonância.
b) efeito Doppler.
c) batimento.
d) formação de ventre na embocadura do copo.
e) formação de nó na embocadura do copo.
X

15. Identifique a característica de uma onda sonora:
a) Propaga-se no vácuo com velocidade igual à da luz.
b) Tem velocidade de propagação igual a 340 m/s em
qualquer meio.
c) Propaga-se como onda transversal.
d) Todas as ondas sonoras têm igual comprimento de
onda.
e) Necessita de um meio material para se propagar.X

16. O ouvido humano distingue os sons devido,
basicamente, a três propriedades destes:
a) altura, velocidade e freqüência.
b) timbre, intensidade e altura.
c) timbre, altura e freqüência.
d) intensidade, velocidade e timbre.
e) freqüência, velocidade e timbre.
X

17. Com referência ao som, podemos afirmar que:
a) a intensidade é proporcional à altura.
b) o timbre não tem nenhuma relação com o espectro
sonoro.
c) as freqüências baixas correspondem aos sons graves.
d) a mudança de intensidade do som é a principal
característica do efeito Doppler sonoro.
e) n.d.a.
X

18. Quando uma onda sonora periódica se propaga do ar
para a água:
a) o comprimento de onda aumenta.
b) o comprimento de onda diminui.
c) a freqüência diminui.
d) a velocidade diminui.
e)n.d.a.
X

19. Sendo uma onda mecânica, o som pode sofrer:
a) reflexão e refração, mas não sofre difração.
b) reflexão e difração, mas não sofre refração.
c) reflexão, refração e difração, mas não interferência.
d) reflexão, refração, difração e interferência.X

20. Uma onda sonora, propagando-se no ar com
freqüência f, comprimento de onda X e velocidade v,
atinge a superfície de uma piscina e continua a se
propagar na água. Neste processo, pode-se afirmar que:
a) apenas f varia.
b) apenas v varia.
c) apenas f e X variam.
d) apenas X e v variam.
e) apenas f e v variam.
X

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