Fenômenos que ocorrem com as ondas sonoras:

Ressonância – Difração – Absorção – Reflexão – Refração - Interferência

Ressonância

A natureza usa muitos processos para transmitir informações de um corpo para

outro. A ressonância é um deles e consiste numa curiosa interação entre dois sistemas. Para

esse fenômeno bastante comum na natureza o dicionário dá a seguinte definição:

“ressonância é repercussão; é o fenômeno pelo qual um corpo é posto a vibrar por

influência de outro”. Quando determinado corpo, como uma porção de ar numa cavidade,

vibra em ressonância com algo, dizemos que ele é ressonante, que ressoa ou que ressona.

Em geral, qualquer sistema capaz de oscilar (mecânico, elétrico, acústico) pode ressoar, em

determinada freqüência; ele só não oscila se estiver na temperatura do zero absoluto.

Vejamos alguns exemplos de ressonância em sistemas mecânicos que ocorrem na

vida diária, onde podemos observar diretamente a vibração causada pela ressonância.

a) Quando alguém anda a cavalo, deve entrar em ressonância com o trote; deve ajustar sua

freqüência de sobe e desce com a freqüência do trote, senão o resultado pode ser

desastroso; b) Uma pessoa que queira puxar a corda de um sino deve ajustar seu movimento

com as descidas do badalo do mesmo; c) Uma máquina em funcionamento às vezes origina

vibrações em objetos próximos a ela por causa da ressonância; isso costuma ser evitado,

mudando-se a freqüência de vibração da máquina ou do receptor.

Devemos lembrar que em todo sistema oscilante três conceitos são fundamentais:

o período de oscilação, a freqüência e a amplitude. Alguns sistemas, como o pêndulo

simples, têm apenas uma freqüência própria de oscilação, porém os sistemas complexos

têm várias. Se tentarmos comunicar ao sistema qualquer freqüência talvez ele oscile, mas

com pequena amplitude; Se lhe comunicarmos alguma de suas freqüências próprias, seu

movimento adquire a maior amplitude possível - toda a energia fornecida é assimilada pelo

sistema. Por exemplo, quando empurramos uma criança no balanço: a cada empurrão dado

em concordância com o seu movimento a amplitude aumenta, visto que sistema recebe a

energia aplicada; Se o empurrão for em sentido contrário ao movimento, a amplitude

diminui.

Vejamos o caso de uma corda esticada, que tem várias freqüências naturais. A

condição para a corda entrar em ressonância é receber uma vibração com uma de suas

freqüências naturais (pode ser a mão de alguém movendo a corda). Então aqui poderíamos

perguntar: por que a corda tem mais de uma freqüência de ressonância? A corda tem

elementos distribuídos, e cada um têm propriedades inerciais e elásticas. Por esse motivo, a

corda tem inúmeros modos de vibração (correspondentes às variações das energias cinética

e potencial dos seus elementos). Se a corda estiver fixa nas duas extremidades, a onda

formada pode vibrar com muitas freqüências diferentes, como as cordas de um violão.

Difração

Ao encontrar um obstáculo a onda pode se difratar, isto é, pode contornar o

obstáculo quando é parcialmente interrompida por ele. A difração ocorre em bordas laterais

(como ondas na água contornando uma pedra), em bordas superiores (como o som

passando por cima do muro) ou num orifício existente no próprio obstáculo (como a luz

passando no buraquinho de uma parede). No caso de orifícios, a difração será maior quanto

menor for o tamanho deles. É claro que o comprimento de onda e o orifício devem ter

aproximadamente a mesma ordem de grandeza. Assim, a onda luminosa somente irá

difratar no buraquinho da parede se este tiver um diâmetro da ordem de 10 -7m, visto que o

comprimento de onda tem essa ordem de grandeza.

No caso das bordas, a difração será maior quanto maior for o comprimento da

onda; Temos como exemplo que os sons graves “passam” mais facilmente os muros do que

os agudos. O comprimento das ondas sonoras é grande, comparado ao das ondas luminosas,

mas também são grandes os obstáculos que elas encontram (porta, prédio, morros..). Como

as ondas do som têm aproximadamente a mesma ordem de grandeza dos obstáculos, elas

conseguem contorná-los. Percebemos isso ao ouvirmos os ruídos da rua vindos de longe.

Ou quando falamos alto dentro de casa, as pessoas que estão nos outros cômodos podem

nos ouvir.

Absorção

Quanto mais perto estamos da fonte, maior será a intensidade do som que ouvimos

iremos, por ser menor a perda de energia no caminho. Mas às vezes torna-se necessário

“absorver” sons, principalmente ruídos, para melhorar a sonoridade do ambiente. Por

exemplo, quando pretendemos conversar, ouvir música ou estudar, qualquer ruído perturba.

Se eliminarmos os sons que atrapalham, nossa conversa e audição se tornarão mais

agradáveis.

Aliás, cada um deve fazer a sua parte para evitar que sons desagradáveis perturbem o

ambiente. A indústria automobilística, por exemplo, não consegue eliminar totalmente os

ruídos produzidos por um veículo; mas preocupa-se em colocar barreiras e filtros para

atenuá-los. Por isso os carros modernos são mais silenciosos que os antigos.

Os filtros geralmente dissipam a energia sonora por reflexão nas paredes internas,

devido à combinação de tubos, orifícios ou câmaras de diferentes diâmetros, por onde o

som deve passar. Um exemplo conhecido são os filtros silenciosos colocados no

escapamento do veículo. As barreiras absorvem uma parte da energia, refletem outra e

deixam passar o restante através dela. Há lugares onde é importante usar barreira para

absorver a energia sonora, como em cabines de rádio e estúdios de gravação. A eficiência

de uma barreira acústica será proporcional à densidade do material e à freqüência do som

que se quer absorver.

Reflexão

Qualquer onda pode refletir ao atingir um obstáculo, que pode ser uma parede, o

teto, um meio diferente, etc. A reflexão consiste na mudança do sentido de propagação da

onda, ou seja, a onda bate e volta. É devido à reflexão da onda que se formam as ondas

estacionárias. Em cordas, molas, tubos sonoros, na membrana de um tambor, as ondas

formadas refletem ao encontrar um obstáculo; As ondas refletidas então interferem com as

ondas incidentes e geram ondas estacionárias.

Um evento decorrente da reflexão, bastante conhecido pelas pessoas, é o eco. Para

ouvirmos um eco é preciso que a emissão e o retorno do som ocorra no intervalo de tempo,

no mínimo, de 0,1s. Como a onda percorre a distância de 2x entre ida e volta, com a

velocidade em média de 340 m/s (no ar), a distância mínima entre a fonte sonora e o

obstáculo deve ser de 17m. O eco é utilizado em vários dispositivos, entre eles o radar, que

funciona emitindo ondas para localizar objetos, da mesma maneira que faz o morcego.

Se o eco é um evento conhecido, a reverberação nem tanto. Ela também decorre

da reflexão, e consiste na persistência do som após haver terminado sua emissão pela fonte.

É comum um som reverberar em ambientes amplos e com superfícies lisas, onde a distância

entre o ouvinte e a superfície refletora é menor que 17m (menor que a distância exigida

para o eco). Na reverberação o som emitido e o refletido chegam juntos ao ouvido num

intervalo menor que 0,1s, tornando-se difícil percebê-los separadamente.

Tanto o eco quanto a reverberação não devem ocorrer em salas acústicas. Para que estas

tenham uma boa sonoridade, os sons devem ter uma reflexão normal em direção a qualquer

ouvinte (por esse motivo o palco é mais estreito que o auditório).

Refração

Outro fenômeno típico das ondas é a refração, isto é, o desvio e mudança de

velocidade que elas sofrem ao mudar de meio (o que acaba reforçando a importância do

meio material na velocidade de propagação da onda). Na refração, o obstáculo é apenas um

meio diferente, em que a onda ou parte dela consegue passar. Mas o que faz um meio ser

diferente? A densidade, a pressão, a temperatura, a substância que compõe o meio, por

exemplo: a passagem da onda da água para o ar, de uma corda fina para uma corda grossa,

do ar a 12 ºC para o ar a 28 ºC, de uma profundidade de 14m a uma de 1m. A chance de a

frente de onda encontrar meios refratores é grande, pois os meios não são completamente

homogêneos (de mesma natureza) nem isótropos (com as mesmas propriedades em todas as

direções).

A mudança de velocidade no novo meio é que faz a onda mudar de direção . Na

passagem do ar para a água, a velocidade da onda aumenta. Assim, a distância que ela vai

percorrer, no mesmo intervalo de tempo que se estivesse no ar, é maior – por isso a sua

direção se afasta da normal. Se a velocidade diminuísse, a direção da onda se aproximaria

da normal. Esse desvio é portanto, para compensar a diferença de velocidades entre um

meio e outro. Além disso, ocorre a mudança do comprimento de onda, de forma que a

freqüência se mantém constante – tornando válida a relação f = v / .

Interferência

Freqüentemente consideramos que duas ou mais ondas passam simultaneamente

pela mesma região do espaço. Temos um exemplo disso quando vamos a um show musical,

o som de vários instrumentos vêm na direção de nossos ouvidos. O princípio de

superposição das ondas diz que “quando várias ondas se combinam numa região do

espaço, o deslocamento de qualquer partícula nessa região é igual à soma dos

deslocamentos que cada onda provocaria na partícula se atuasse sozinha”.

Quando duas ou mais ondas se combinam em um ponto do espaço dizemos que

elas interferem, e ocorre o fenômeno chamado interferência.

A forma da onda resultante depende da amplitude e da fase das ondas incidentes. Quando

duas ondas de mesma amplitude e fase interferem, elas produzem uma onda de amplitude

quase duas vezes maior – esse caso chamamos de interferência construtiva. Se as mesmas

ondas interferirem, porém defasadas em 180º, elas produzirão uma onda de amplitude

próxima a zero – esse caso chamamos de interferência destrutiva.

Fig.12 - A superposição de duas ondas de mesmo comprimento de onda e mesma amplitude. Em (a) apresentam pequena diferença de fase, interferem construti-vamente; Em (b) apresentam diferença de 180º na fase, interferem destrutivamente

Agora vamos analisar um exemplo de interferência com ondas sonoras:

Dois alto-falantes iguais são acionados pela mesma fonte. Em pontos eqüidistantes a eles,

ou seja, na linha AB, há interferência construtiva – o som fica mais forte.

Há também os pontos P, onde as ondas chegam em fase e a interferência é construtiva: eles

estão localizados onde a diferença entre as distâncias aos dois alto-falantes seja um número

inteiro do comprimento de onda (1, 2, 3...).

Fig.13 – Interferência de ondas sonoras no ponto P.

Em outros pontos, a diferença entre as distâncias x1 e x2 fazem as ondas chegarem a P fora

de fase, mesmo que saíram em fase da fonte.

Então o meio tem pontos de interferência destrutiva, completa ou parcial, onde o som fica

fraco ou totalmente mudo para certos comprimentos de onda. A interferência destrutiva

máxima ocorre nos pontos onde x1-x2=/2, 3/2, 5/2...

Nesse exemplo, um fator importante para a determinação dos pontos de máxima e mínima

intensidades de som é a diferença de caminhos [x1-x2] entre as ondas. Para os pontos que

não estão na linha AB não haverá interferência destrutiva completa, porque as ondas

componentes chegam com amplitudes diferentes e as distâncias até os alto-falantes não são

as mesmas.