Ciência Acústica

A acústica como ciência é a “ciência do som”. Ela trata de todos os aspectos da produção, transmissão, recepção e percepção do som. O termo “acústica” tem sua origem em termos similares na língua grega.

A acústica como ciência do som pode ser subdividida de diferentes formas.

Uma possível divisão é aquela por áreas de conhecimento, conforme mostra a figura abaixo. No Brasil o ensino da acústica estava fragmentado e existia apenas em nível de pós-graduação. Mas desde 2009 existe também um Curso de Graduação em Engenharia Acústica que busca formar profissionais com conhecimentos em todas as áreas da acústica, com exceção de acústica submarina.

A área da Física que estuda o som é chamada de Acústica. Para entende-la melhor precisamos relembrar alguns conceitos:

Onda: é a variação periódica de uma grandeza física. Uma onda é composta por:

Crista: Pontos de maior intensidade, o topo da onda.
Vale: Pontos de menor intensidade da onda.
Nível Médio: Pontos entre o as Cristas e os Vales.

A distância entre a crista ou o vale e o nível médio é chamada amplitude (y). Já a distância entre duas cristas consecutivas ou dois vales consecutivos é chamada de comprimento de onda (λ).

Onde:

λ – Comprimento
y - Amplitude

O tempo que uma oscilação leva para se repetir é chamado período (T), medido em segundos(s). Afrequência (f) significa quantas vezes uma oscilação se repete por unidade de tempo, medida em Hertz (Hz). Dessa forma:

f = 1/t

O Som é uma onda mecânica que possui a intensidade e frequência necessárias para ser percebida pelo ser humano. Entendemos como onda mecânica uma onda que precisa de meios materiais, como o ar ou o solo, para se propagar. As frequências audíveis pelo ouvido humano ficam entre 16 Hz e 20000Hz (20kHz). Dentro desta faixa a encontram-se a voz humana, instrumentos, musicais, alto-falantes, etc.

Abaixo de 16Hz temos os infra-sons, produzidos por vibrações da água em grandes reservatórios, batidas do coração, etc.

Acima de 20kHz estão os ultra-sons emitidos por alguns animais e insetos (morcegos, grilos, gafanhotos...), sonares, aparelhos médicos e industriais.

Os dispositivos que produzem ondas sonoras são chamados de fontes sonoras. Entre os que mais se destacam estão aqueles compostos por:

  • Cordas vibrantes como violão o  piano, as cordas vocais etc.
  • Tubos sonoros como órgão flauta, clarineta.
  • Membranas e placas vibrantes tal como o tambor
  • Hastes vibrantes como o diapasão, triangulo, etc.

Podemos caracterizar os sons a partir de sua intensidade, altura ou timbre.

A intensidade está ligada à quantidade de energia transportada pelo som. Desta forma, conforme a intensidade do som dizemos que ele é mais forte (a onda possui maior amplitude) ou mais fraca (a onda possui menor amplitude).

A altura está relacionada com a freqüência do som. Assim distinguimos os sons mais altos como os de maior frequência (mais agudos) e os mais baixos como os de menor frequência (mais graves). As notas musicais buscam agrupar diferentes freqüências sonoras produzidas por um instrumento.

O timbre corresponde ao conjunto de ondas sonoras que formam um som. O timbre permite diferenciar diferentes fontes sonoras, por exemplo é fácil perceber que o som de uma guitarra e de uma flauta são completamente diferentes.

A velocidade do som no ar é de 340 m/s. A fórmula que relaciona velocidade, amplitude e frequência sonora é:

V = λ . f

Legislação

Nesta página estamos disponibilizando a legislação pertinente à poluição sonora:

Legislação Federal

Legislação Estadual:

Legislação Municipal:

OBS.: Devemos lembrar que as legislações Federal e Estadual sempre sobrepõem a legislação Municipal.

A acústica arquitetônica é a área da acústica que se destina ao estudo do condicionamento acústico de ambientes como salas de concerto, salas de aula, teatros, igrejas, salas de conferência, escritórios, etc. O estudo de acústica de salas compreende tanto a caracterização acústica de ambientes já existentes através de técnicas experimentais, quanto o projeto e simulação acústica de novos recintos através de modelos computacionais. Outra frente de pesquisa é a avaliação subjetiva da acústica dos ambientes, feita através de entrevistas com os usuários de tais ambientes. Tais entrevistas podem ainda ser combinadas com medições e simulações computacionais de forma a correlacionar dados objetivos com dados subjetivos. 

Basicamente é possível dizer que um ambiente pode ter suas características acústicas descritas por sua "resposta ao impulso". A resposta ao impulso de um ambiente, entre uma fonte sonora e um receptor, é composta pelo som direto (caminho direto entre fonte sonora e receptor) e pelas reflexões que a onda sonora sofre (no palco, paredes laterais, teto, piso, etc), como mostrado na Figura 1a. Tais reflexões são distribuídas ao longo do tempo e sua densidade tende a aumentar a medida que o tempo passa (Figura 1b). A amplitude de cada reflexão é controlada pela distância percorrida pelo raio sonoro e pelas características de absorção das superfícies do ambiente que este encontra. Desta forma, na distribuição temporal da densidade de energia sonora, pode-se distinguir três regiões: som direto (composto pelo raio sonoro que percorre o caminho direto entre fonte e receptor), primeiras reflexões (compostas pelas reflexões que chegam ao receptor em até 50-80 [ms]) e a cauda reverberante (composta pelas reflexões finais).
Figura 1 - (a) - Modelo computacional de um auditório mostrando uma das reflexões que atinge o ouvinte no fundo; (b) - Reflectograma típico de uma sala mostrando as três regiões descritas. 

Através do cálculo do modelo computacional ou de um experimento é possível obter a resposta impulsiva entre fonte e receptor (Figura 2). A análise da resposta impulsiva permite a extração de diversos parâmetros acústicos da sala como:

  • Tempos de reverberação (T20, T30, T60): tempo que a energia sonora leva para decair 60 dB a partir do momento em que a fonte sonora cessa de emitir som,
  • Early Decay Time (EDT): tempo que a energia sonora leva para cair os primeiros 10 dB  a partir do momento em que a fonte sonora cessa de emitir som,
  • Claridade (C80): expressa uma razão entre a energia sonora contida nas primeiras reflexões (até 80 [ms]) pela energia sonora contida no restante da resposta impulsiva,
  • Índice de transmissão da fala (STI): um índice calculado a partir da resposta impulsiva que expressa o grau de inteligibilidade da fala no ambiente,
  • Fração de Energia Lateral (LEF): expressa uma razão entre a energia sonora que atinge o ouvinte lateralmente (entre 5-80 [ms]) pela energia sonora que atinge o mesmo vinda de todas as direções (entre 0-80 [ms]),
  • Early Support (ST_Early): expressa a razão entre a energia sonora das primeiras reflexões pela energia sonora do som direto para uma resposta impulsiva gravada no palco a 1 [m] da fonte sonora,

entre outros.

 
Figura 2 - Resposta impulsiva entre uma fonte e um receptor em um ambiente; em verde a resposta impulsiva da orelha esquerda e em vermelho a resposta impulsiva da orelha direita. 
 
As respostas impulsivas (entre diversas posições de fonte e receptor em uma sala) podem ser determinadas tanto experimentalmente como através de um modelo computacional.

No caso do uso do modelo computacional (Figura 1a), utiliza-se um software que usa como dados de entrada: 
  • a geometria precisa da sala, elementos aplicados às paredes, teto, piso, etc,
  • os coeficientes de absorção e difusão acústicos das diversas superfícies que compõe o ambiente (paredes, colunas, mobília, absorvedores e difusores),
  • as posições e direcionalidades das fontes sonoras e 
  • as posições e o modelo de audição dos receptores (o último usado para fins de auralização). 
Através de um algoritmo baseado em teoria acústica o software calcula as diversas respostas impulsivas da sala, de onde se extraem os parâmetros acústicos objetivos. De posse da resposta impulsiva é também possível fazer a audição de como um instrumento musical ou uma pessoa falando soariam na sala real (processo chamado de auralização). O sinal audível é gerado através da convolução da resposta impulsiva com um sinal gravado em câmara anecóica (sem reverberação). O uso de modelos computacionais permite que o projetista altere a posição de absorvedores, difusores ou mesmo a geometria da sala sem custos, possibilitando uma otimização da resposta acústica da sala na fase de projeto. 

No caso da medição experimental da resposta impulsiva (Figura 3) uma fonte sonora omnidirecional (dodecaedro) é usada para excitar a sala com um ruído de banda larga (sweep ou ruído branco). A resposta é captada por um microfone omnidirecional (bi-direcional ou bi-auricular, dependendo do parâmetro acústico desejado) em uma dada posição. Através da de-convolução entre a pressão sonora medida pelo microfone e o sinal de excitação fornecido à sala, consegue-se obter a resposta impulsiva da mesma.

Figura 3 - Ensaio experimental para se obter uma resposta impulsiva de uma sala.