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

A psicoacústica é uma subdisciplina da psicofísica que estuda a relação entre estímulos sonoros e as sensações auditivas decorrentes destes estímulos. Ela pode ser dividida em psicoacústica externa e psicoacústica interna.  

A psicoacústica externa se preocupa com a quantificação das sensações auditivas e estabelece relações matemáticas entre os estímulos acústicos e as sensações auditivas. Desta forma pode-se prever sensações auditivas, como a sensação de volume sonoro ou a sensação de tonalidade, a partir das características físicas do estímulo sonoro. Entretanto a psicoacústica não pode prever a percepção sonora, como por exemplo o incômodo gerado por um som pois ela não pode prever a interpretação das sensações auditivas por processos cognitivos. A predição da influência destes processos cognitivos é assunto da disciplina de acústica subjetiva. Para medir as sensações auditivas a psicoacústica usa métodos de medição psicológica e de medição física. Os métodos de medição psicológica quantificam as sensações auditivas a partir dos relatos ou reações psicológicas do ouvinte. Métodos clássicos são o tracking de Békesy, Estimativa de Magnitude e o Método de Limites.
 
Os métodos de medição física quantificam representações físiológicas das sensações, normalmente a partir da medição de potenciais evocados ou de ondas cerebrais.

Já a psicoacústica interna estuda os mecanismos fisiológicos responsáveis pela transformação do estímulo sonoro em sensações auditivas. A partir destes estudos é possível explicar processos como mascaramento no tempo e na frequência, discriminação de frequências, entre outros. os conhecimentos sobre os processos fisiológicos responsáveis por estes fenômenos podem ser utilizados em aplicações técnicas, como no desenvolvimento de algoritmos de compressão de dados de aúdio (codecs), desenvolvimento de displays auditivos (auditory displays), sonificação de dados, criação de sinais de alerta, etc. 

Pela impossibilidade de quantificar o estímulo no local da ocorrência dele, que seria na entrada da orelha interna, a psicoacústica, tanto externa como interna, estudam também a parte da transformação do evento sonoro em estímulo sonoro, através do mecanismo físico da audição biauricular conforme mostra a Figura a lado.

Nos experimentos, que são parte essencial da psicoacústica, os estímulos normalmente são apresentados por alto-falantes ou fones de ouvido. Como resultado, obtém-se uma relação entre as magnitudes físicas do estímulo e as magnitudes das sensações auditivas evocadas pelo estímulo. Essa relação pode ser dada tanto por equações quanto por gráficos, e ela dependerá também do método utilizado para medi-la. 

Uma das premissas da psicoacústica é que uma pequena variação na magnitude do estímulo não necessariamente leva a uma variação na magnitude da sensação. Isso ocorre porque é necessário que haja uma variação mínima no estímulo para que se tenha uma variação na sensação que pode ser diferenciada. A diferença na magnitude do estímulo que causa uma variação que pode ser justamente percebida é conhecida como diferença no limite do observável (Just Noticeable Difference), limiar diferencial (Difference Threshold) ou diferença no limiar (Difference Limen). Desta forma a psicoacústica fornece informações importantes para a engenharia de produtos ou para o controle de ruído, pois em ambos os casos a alteração de uma característica física do sinal, por exemplo do nível de pressão sonoro, deve ser maior do que a diferença no limite do observável para surtir algum efeito.

O estudo do som deu origem a diferentes modelos de representação, tendo cada um o seu interesse particular.

 

FORMAS DE REPRESENTAÇÃO DO SOM

Representação temporal

Esta representação mostra a evolução da intensidade do sinal sonoro no do tempo.

 

A parte azul mostra a evolução da intensidade dum som vocal no tempo. esta visão temporal permite, sobre tudo, constatar a evolução do envelope temporal (linha vermelha) que, por exemplo, desempenha um papel importante na perceção da palavra.

Representação frequencial (ou espetral)

Esta representação permite visualizar a composição frequencial dum som e também a intensidade de cada frequência.

Representação frequencial (ou espetral)

Neste gráfico é possível observar a composição espetral da palavra precedente. neste exemplo constata-se que as frequências do som selecionado se estendem de 80 Hz a 15500 Hz.

Representação tridimensional: O sonograma ou espetrograma.

Trata-se de representação tempo-frequencial do som. É o desenho da repartição da energia do som em função do tempo e das frequências. O sonograma é muito utilizado para estudar o sinal de voz. 

tridimensionnelle

O exemplo apresentado ao lado demonstra bem a evolução da frequência e da intensidade no tempo. A intensidade é definida pela cor, sendo maior quanto mais se aproxima do vermelho. No exemplo distinguem-se bem os formantes das vogais, as formantes transitórias, etc. (linhas negras), os movimentos que têm um papel importante na perceção da palavra.

ALGUNS SONS COMUNS

Palavra

Espectro real da palavra “cochlée” (cóclea em francês). As vogais são representadas por grupos de traços que se destacam no espectro e que são designadas “formantes”.

Ruído branco

Espectro teórico dum ruído branco que é limitado à banda de frequência 500-6500Hz. O ruído branco sendo continuo o formado por um “continuum” de frequências, não é possível individualizar os traços do espectro.

Som musical

Espectro real dum som musical compreendendo um fundamental 880Hz e 7 harmónicos nas frequências múltiplas inteiras da frequência fundamental. Como para os som puros, os traços do espectro são mais largos que o previsto pela teoria.

Som puro

Espectro real dum som puro com a frequência de 440Hz obtido com um analisador espectral. Os traços do espectro real são sempre mais largos que o previsto teoricamente.

ESCALA DOS BEL

A intensidade mais baixa percetível para o ouvido humana é, em média, de 10-12 W.m-2 e a mais forte é de cerca de 1 W.m-2. A relação entre estas duas medidas é de um bilião de vezes. Não sendo fácil utilizar esta escala, ela foi transcritas em Bels. O Bels estão baseados num sistema logarítmico de evolução relativa, estabelecendo uma relação entre duas grandezas da mesma espécie.
 
Por exemplo, para avaliar o nível de intensidade acústica, o valor de referência será a menor intensidade a que o ouvido humano seja sensível (como referido anteriormente:  I  = 10-12 W.m-2. Se se quiser saber a que nível sonoro corresponde I1 = 1 W.m-2, basta calcular o logarítmo da relação entre I1 e I :
Nível de intensidade = log10(I1/I ) = log10(1012) = 12 bels.
 
Se adicionar-mos um fator multiplicador de 10, obtém-se uma escala expressa em décibeis (dB) que corresponde à da sonoridade (sensação subjetiva de intensidade sonora). Assim uma intensidade de 1 W.m-2 corresponde a um nível de intensidade acústica de 120 décibeis.
 
LI = 10.log10(I1/I ). Se a intensidade acústica duplica, o nível sonoro é multiplicado por 2 ( ou seja um aumento de + 3dB).
 
Quando se avalia o nível de pressão acústica, a unidade décibel frequentemente seguida das letras SPL(« Sound Pressure Level ») que corresponde á pressão acústica de referência p0 = 20*10-6 Pa = 20 mPa ( pressão acústica mínima a que o ouvido humana é sensível).
 
Como referido anteriormente, a intensidade acústica é proporcional à pressão acústica p ao quadrado. assim o nível de pressão acústica é definido pela relação seguinte: LSPL = 20.log10(p/p0). Se a pressão acústica p é duplicada, o nível sonoro é multiplicado por 4 ( ou seja aumento de mais 6 dB).

Os limiares da audição são expressos em décibeis de perda, o dB HL (hearing loss). esta escala tem em conta as diferentes sensibilidades do ouvido en função das frequências sonoras. A título de exemplo, uma pessoa normouvinte deteta um som de 500 Hz a partir de 10 dB SPL, um som de 2000 Hz a partir de 0 dB SPL e um som de 8000 Hz a partir de 20 dB SPL. Para a aplicação em audiologia destes factos, os limiares auditivos das diferentes frequências são levados a 0dB HL. Portanto, o audiograma permite representar os limiares auditivos em relação a uma referência baseada no estudo duma ampla população de normouvintes. Assim, podemos classificar os diferentes graus de surdez graças a esta escala (Ver página "audiometria tonal").