A Natureza do Som

Projeto Ciência Viva
(Ministério da Ciência e da Tecnologia – Portugal)

O som propaga-se no ar através de um movimento ordenado das partículas que o constituem. Quando fazemos vibrar as nossas cordas vocais, ou quando tocamos uma nota musical num instrumento, fazemos com que as partículas do ar que nos rodeiam entrem numa oscilação que dá origem ao som que ouvimos. A propagação do som no espaço deve-se ao fato de umas partículas transmitirem o seu movimento às suas partículas vizinhas (e assim sucessivamente), levando a que a oscilação inicialmente produzida nas nossas cordas vocais ou instrumento musical se propague através do espaço aberto, até chegar aos nossos ouvidos. A Figura 1 é uma figura animada e pretende ilustrar este princípio (clique sobre os botões no canto superior esquerdo para visualizar a animação).

Figura 1 – Movimento ordenado das partículas do ar, quando da atuação de uma fonte de excitação sonora. A partícula esverdeada no centro pretende reforçar a idéia de que as partículas se movimentam sempre em torno da sua posição inicial, e não ao longo da trajetória percorrida pelo som, como possa parecer inicialmente.

Observando a animação da Figura 1 pode-se verificar a existência de zonas do ar em que a pressão é maior e de zonas em que essa pressão é menor, correspondendo às zonas em que existe maior e menor densidade de partículas, respectivamente. Essas zonas de pressão estão em constante movimento através do ar e constituem aquilo a que se chama de ondas de pressão. Se fizermos uma observação da evolução do nível de pressão num dado ponto do caminho percorrido pelo som ao longo do tempo, vamos obter um gráfico do nível de pressão acústica em função do tempo, o que, no caso concreto da Figura 1, resultaria em algo que pode ser visualizado na Figura 2.

Figura 2 – Gráfico representativo da variação de pressão acústica num dado ponto da trajetória percorrida pelo som, para o caso de um tom puro.

O gráfico da Figura 2 representa aquilo que se chama um tom puro, pois tem uma forma exatamente sinusoidal. Os picos (ou máximos) dessa onda correspondem a situações em que o nível de pressão do ar é mais elevado. Os seus mínimos, por outro lado, dizem respeito às pressões menos elevadas. Os pontos intermédios (pontos em que a função toma o valor zero) equivalem às situações em que a pressão do ar toma o mesmo valor que quando está em situação de repouso.

Ao maior desvio que a pressão acústica efetua em relação ao valor equivalente ao repouso dá-se o nome de amplitude. Quanto maior for a amplitude da onda de pressão, maior será a oscilação das partículas do ar, e maior é a distância que o som pode percorrer. Quanto mais alto nós falarmos, ou quanto mais aumentarmos o volume no nosso aparelho de alta fidelidade, maior é a amplitude da onda de pressão acústica à nossa volta.

O gráfico da Figura 2 representa uma onda periódica, o que significa que ela é repetitiva. Ao intervalo de tempo entre dois acontecimentos repetidos dá-se o nome de período e mede-se em segundos. Como se pode então verificar, o gráfico da Figura 2 apresenta dois períodos (ou ciclos) completos de uma onda sinusoidal. A freqüência de uma onda é o número de vezes que o período de uma onda é repetido no intervalo de um segundo e a sua unidade de medida é o Hertz. Temos então que, se uma dada onda tem um período de 0,5 segundos, então a sua freqüência será de 2 Hertz. À medida que a freqüência aumenta, o som torna-se mais agudo. Normalmente chamamos graves ou baixos aos tons de freqüência baixa, e agudos ou altos aos sons de tonalidade mais alta.

Figura 3 – Ilustração dos conceitos de amplitude, período e freqüência de uma onda: a) onda original; b) onda com metade da amplitude; c) onda com metade do período (ou dobro da freqüência).

Se, imaginando, conseguíssemos parar o tempo e observássemos a disposição das partículas do ar no espaço num dado instante, podíamos medir o comprimento que ocupa no espaço um período de uma onda. A essa distância, medida em metros, dá-se o nome de comprimento de onda. Esta grandeza está diretamente relacionada com a freqüência (e, conseqüentemente, com o período) da onda e com a velocidade de propagação do som no meio (sabe-se que a velocidade do som ronda os 343 metros por segundo, em condições ideais). Este conceito está ilustrado na Figura 4.

Figura 4 – Comprimento de onda de uma onda de pressão acústica.

A fase de uma onda é uma medida de quão distante ela está do início do ciclo ou período. Há 360 graus num ciclo completo de uma onda. Se começarmos a medir desde um pico da onda vamos obter o ilustrado na Figura 5.

Figura 5 – Análise trigonométrica de uma onda sinusoidal pura.

Duas ondas com a mesma freqüência dizem-se em fase se as suas fases forem sempre iguais. O contrário acontece quando as suas fases não coincidem: aí diz-se que elas estão defasadas.

Figura 6 a) duas ondas em fase; b) duas ondas defasadas de 90º.

Até aqui analisamos a natureza do som no seu caso mais simples, que corresponde ao dos tons puros (ou puramente sinusoidais). O que acontece é que, quando falamos ou tocamos uma nota num instrumento musical, as formas de onda sonoras produzidas têm formas bastante mais complexas do que a de uma sinusóide perfeita. No entanto, isso não invalida a anterior análise, pois esses sinais complexos podem ser vistos como a soma de várias sinusóides perfeitas, tendo cada uma delas a sua amplitude, freqüência e fase.

Figura 7 – A adição de simples sinais sinusoidais puros pode resultar em sinais complexos. Ilustração com 3 sinusóides de características diferentes.

Como se pode verificar na Figura 7, não é necessário adicionar muitos sinais sinusoidais para se obter um sinal complexo. No entanto, só com a adição de centenas de sinusóides (ou mesmo milhares) é possível toda a complexidade e diversidade de sons a que estamos habituados a ouvir. Existem então três tipos fundamentais de sons:

  • Tons puros – compostos por uma única freqüência. É o caso mais simples;
  • Sons musicais – compostos por uma freqüência fundamental (que dá a tonalidade) e várias freqüências de valor múltiplo inteiro da fundamental (harmônicas), dependendo do timbre. É o caso dos sinais de voz;
  • Ruído – composto por inúmeras freqüências sem que exista um padrão que as relacione diretamente. O resultado é um sinal complexo, sem uma freqüência fundamental fixa, sendo portanto um sinal não periódico. Estes sinais têm um comportamento imprevisível e, conseqüentemente, são difíceis de caracterizar com exatidão.

Agora que conhece os principais conceitos acerca da natureza do som, conheça também o que está na base de dispositivos que o adquirem, gravam, processam e reproduzem, no tópico processamento do som.


Fonte: http://telecom.inescn.pt