FFI0210 Acústica Física

Sistema auditivo

Prof. Dr. José Pedro Donoso

Universidade de São Paulo

Instituto de Física de São Carlos - IFSC

Agradescimentos

Os docentes da disciplina gostariam de expressar o seu

agradecimento as editoras LTC (Livros Tecnicos e Científicos),

Cengage Learning e E. Blucher pelo acesso às figuras dos livros

textos: ” Fisica ” de Tipler & Mosca e “ Fundamentos de Física ” de

Halliday, Resnick e Walker (LTC), “ Principios de Física ” de Serway

& Jewett (Cengage Learning) e “ Acústica Aplicada ao Controle do

Ruído ” (Blucher).

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

Anatomia da ouvido humano

Som e Audição - Biblioteca Cientifica Life (Livraria J. Olympio, 1982)

Ouvido externo

O processo da audição começa quando as ondas sonoras

entram no conduto do ouvido externo. Este conduto condensa

as ondas a as leva ao tímpano.

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

Ouvido externo

O canal auditivo tem um diâmetro médio de 7 mm e comprimento em torno de 30

mm. Se trata essencialmente, de um duto, fechado na extremidade pelo tímpano. A

frequência de ressonância para este duto é da ordem de 3400 Hz.

Tipler & Mosca, Física (LTC, 2009), Serway & Jewett, Princípios de Física (Cengage, 2004)

Cálculo da frequência de ressonância do canal auditivo

Consideramos o canal auditivo como uma

coluna de ar aberta em uma extremidade e

fechada na outra, de comprimento L

As frequências de ressonância na faixa

audível são três: f1 = 3400 Hz, f3 = 10.1 kHz

e f5 = 16.9 kHz

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

Função de transferência

O som que chega ao tímpano é afetado pela função de transferência na

entrada do canal auditivo e pela função de transferência do conduto auditivo

externo. A primeira ressonância do canal auditivo explica a maior sensibilidade

do ouvido entre 3 e 5 kHz.

Som e Audição - Biblioteca Cientifica Life (Livraria J. Olympio, 1982)

Ouvido médio

Os ossículos (martelo, bigorna e estribo) formam uma ponte

conduzindo as vibrações do tímpano até o ouvido interno. As

ondas chegam sob a forma de energia mecânica amplificada.

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

Ouvido médio

O ouvido médio consiste no tímpano e em

tres ossículos: martelo, bigorna e estribo.

Ele transfere, através dos ossículos, o

movimento vibratório do tímpano para a

janela oval da cóclea.

Na ausência dele, apenas 0.8% da

energia sonora incidente seria transmitida

para a cóclea. A função do ouvido médio é

então cassar as impedâncias e amplificar

a amplitude do som

Urone, Physics with health science applications (Wiley 1986)

Rossing, The Sience of Sound (Addison Wesley 1990)

Amplificação da pressão sonora

Se concentramos toda a força

que o som exerce no tímpano

sobre uma área menor, a

pressão sonora P aumentará

proporcionalmente.

Area do tímpano: 55 mm2

Area da janela oval: 3.2 mm2.

⇒ P aumenta num fator 17

Os ossículos formam um sistema de alavancas que

aumentam ainda mais a pressão (num fator de aprox. 1.4).

No total, os dois mecanismos provocam um aumento da

pressão sonora de aprox. 24 vezes

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

Função de transferência do ouvido médio

A função de transferência foi obtida medindo-se a pressão sonora imediatamente

atrás da janela oval, dentro da cóclea, aplicando pressões sonoras constantes no

tímpano. O casamento de impedâncias proporcionado pelo ouvido médio resulta

numa perfeita transmissão para a cóclea, da energia sonora incidente no tímpano.

Som e Audição - Biblioteca Cientifica Life (Livraria J. Olympio, 1982)

Ouvido interno

A força exercida pelo estribo sobre a janela oval se converte dentro do ouvido

interno cheio de líquido, em ondas de preessão. Fluindo sobre a membrana

basilar, criam ondulações que estimulam os sensíveis orgãos de Corti.

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

Ouvido interno

O ouvido interno consiste no laberinto ósseo (cavidades e canais dentro do osso

temporal) e no laberinto membranáceo, composto de dutos e da cóclea .

O nervo vestibular transmite para o cérebro os sinais elétricos gerados pelo sistema

vestibular (responsável pelo equilíbrio) e o nervo coclear transmite os sinais elétricos

gerados pela cóclea (responsável pela codificação das informações sonoras)

Bistafa, Acústica aplicada aocontrole do ruído (Blucher, 2011)

A cóclea

O movimento vibratório do tímpano é transmitido

para a cóclea através dos ossículos. A janela oval é

a região de conexão do estribo com a cóclea. O

movimento vibratório gerado pelo estribo na janela

provoca ondas de pressão na perlinfa, um líquido

semelhante ao fluido cérebro-espinal.

Num adulto, a membrana basilar tem cerca de 34

mm de comprimento. Por causa da variação

gradual da largura e da espessura, há um

decrécimo de 10 mil vezes na sua rigidez, desde a

base até o ápice, o que dá a ela a sua função

fundamental de análise de frequências.

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

Corte de uma seção transversal dos dutos da cóclea em que se observa o

chamado orgão de Corti (em homenagem ao médico italiano Alfonso Corti,

1822-1876), assentado sobre a membrana basilar.

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

A rigidez determina a frequência de ressonância de uma estrutura. Como a rigidez

da membrana basilar varia entre suas extremidades, as diferentes frequências de

som excitam diferentes regiões dela: as altas freq. excitam a extremidade basal e

as baixas a extremidade apical. A excitação sempre tem início na base. A medida

que a onda se propaga, a sua amplitude chega ao maximo numa certa região.

Corpo Humano - Biblioteca Ciência & Natureza Life Life (Abril Livros, 1995)

A cóclea registra tons de alta frequência (1500 a 20.000 Hz) em

sua base, e de baixa frequência (20 a 500 Hz) na ponta

Bistafa, Acústica aplicada aocontrole do ruído (Blucher, 2011)

Regiões da membrana basilar que são

excitadas por tons puros de baixa (200 Hz),

média (1500 Hz) e alta frequência (8000 Hz).

Esta característica é conhecida como

codificação localizada

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

No caso de sons complexos, cada componente espectral

excita a membrana basilar no mesmo local que o faia um tom

puro. A figura mostra a codificação da membrana para um som

com picos nas frequências de 2500, 1500 e 700 Hz.

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

O orgão de Corti

Essa estrutura se assenta na membrana basilar. Basicamente ele é um

transdutor eletromecânico : transforma o movimento vibratorio da membrana

basilar em sinais elétricos. Ele é composto por 4 mil células ciliadas internas e

16 mil externas, dispostas em fileiras. Elas captam os movimentos da

membrana e passam os sinais as células nervosas (neurônios).

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

Codificação do som pelos neurônios

Codificação localizada: refere-se a regîão da membrana basilar que é excitada

Codificação da intensidade: associada a taxa de descarga de sinais elétricos gerados

pelos neurônios

Codificação temporal: as células ciliadas podem, coletivamente, responder a cada ciclo

de estímulo. O processo é conhecido como chaveamento de fase (phase locking)

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

Informações do som são captados,

processados e codificados pelo

ouvido, e enviadas ao cérebro pelas

fibras nervosas auditivas. No nível

psíquico, o cérebro interpreta as

informações recebidas e determina

seu significado.

O som é caracterizado por grandezas

físicas enquanto as sensações são

caracterizadas por grandezas

psicoacústicas

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

Um grupo de ouvintes foi solicitado a julgar quando um tom puro se tornava audível

e desconfortável. O resultado mostra que a sensação subjetiva de intensidade

depende da frequência do som. Um tom puro de 100 Hz será subjetivamente

percebido com menor intensidade do que um tom puro de 1000 Hz

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

A fim de medir a intensidade subjetiva dos sons, foi criada uma

grandeza psicoacústica chamada nível de audibilidade , cuja referência

é o nível sonoro de um tom puro em 1000 Hz, e a unidade é o fone .

Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)

Para sons que competem pelas células ciliadas de uma mesma banda, o limiar

diferencial do nível de audibilidade é de aprox. 3 fones. Para medir a variação

subjetiva de intensidade ao se variar o nível de audibilidade de um tom puro, foi

criada uma grandeza: a audibilidade , cuja unidade é o sone .

A especialização nos hemisférios cerebrais

Esquerdo: governa a linguagem e a fala (significado das palavras), a especifidade das

imagens, o ritmo e as sequências de sons melódicos

Direito: controla as funções sensoriais (entonação da fala e seu conteúdo emocional, a

altura, timbre, tonalidade e harmonia) e texto cantado

Roederer, Introdução a Fisica e Psicofísica da Música (Edusp, 1998)

Referências bibliográficas

• Acústica aplicada ao controle de ruído, Sylvio Bistafa (Ed. Blucher, 2011)

• A acustica musical. Flo Menezes (Atelié editorial, 2004)

• Physics and the sound of music, J.S. Rigden, 2nd edition (Wiley 1985)

• Introdução a física e psicofísica da música. J.G. Roederer (Edusp, 1998)

• Physics with health science applications. P. Urone (Wiley, 1986)

•The Science of Sound, Thomas Rossing (Addison Wesley, 1990)