Energia sonora: características, tipos, usos, vantagens, exemplos - Ciência - 2023

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o energia sonora ou acústica é aquela que transporta ondas sonoras quando se propagam em um meio, que pode ser um gás como o ar, um líquido ou um sólido. Humanos e muitos animais usam energia acústica para interagir com o meio ambiente.

Para isso possuem órgãos especializados, como por exemplo as cordas vocais, capazes de produzir vibrações. Essas vibrações são transportadas pelo ar para chegar a outros órgãos especializados encarregados de sua interpretação.

As vibrações provocam compressões e expansões sucessivas no ar ou no meio que circunda a fonte, que se propagam com certa velocidade. Não são as partículas que viajam, mas elas simplesmente oscilam em relação à sua posição de equilíbrio. A perturbação é o que é transmitido.

Agora, como é bem sabido, os objetos que se movem têm energia. Assim, também as ondas ao percorrerem o meio carregam consigo a energia associada ao movimento das partículas (energia cinética), e também a energia que esse meio possui intrinsecamente, conhecida como energia potencial.

Caracteristicas

Como se sabe, os objetos que se movem têm energia. Da mesma forma, as ondas à medida que viajam no meio, carregam consigo a energia associada ao movimento das partículas (energia cinética) e também a energia de deformação do meio ou energia potencial.

Supondo uma porção muito pequena do meio, que pode ser ar, cada partícula com velocidade ou, tem energia cinética K dado por:

K = ½ mu²

Além disso, a partícula tem energia potencial OU que depende da mudança de volume que experimenta, sendo Vo o volume inicial, V o volume final e p pressão, que depende da posição e do tempo:

O sinal negativo indica um aumento na energia potencial, uma vez que a propagação da onda funciona no elemento de volume dV quando comprimido, graças a uma pressão acústica positiva.

A massa do elemento fluido em termos de densidade inicial ρ_ou e o volume inicial V_ouisto é:

m_ou= ρ_ouV_ou

E como a massa é conservada (princípio de conservação da massa):

ρV = ρ_ouV_ou = constante

Portanto, a energia total é assim:

Calculando a energia potencial

A integral pode ser resolvida usando o princípio da conservação da massa

m_ou = m_F

A derivada de uma constante é 0, então(ρV) ' = 0. Portanto:

dV = (-V / ρ) dρ

Isaac Newton determinou que:

(dp / dρ) = c²

Onde c representa a velocidade do som no fluido em questão. Ao substituir o acima no integral, a energia potencial do meio é obtida:

Sim, um_p já_v são as amplitudes da onda de pressão e velocidade respectivamente, a energia média ε da onda sonora é:

O som pode ser caracterizado por uma quantidade chamada intensidade.

A intensidade do som é definida como a energia que passa em um segundo pela unidade de área perpendicular à direção de propagação do som.

Uma vez que energia por unidade de tempo é potência P, a intensidade do som Eu pode ser expresso como:

Cada tipo de onda sonora tem uma frequência característica e carrega uma certa energia. Tudo isso determina seu comportamento acústico. Como o som é tão importante para a vida humana, os tipos de sons são classificados em três grandes grupos, de acordo com a faixa de frequências audíveis para os humanos:

- Infrasound, cuja frequência é inferior a 20 Hz.

- Espectro audível, com frequências que variam de 20 Hz a 20.000 Hz.

- Ultrassom, com frequências superiores a 20.000 Hz.

A altura de um som, ou seja, se é alto, baixo ou médio, depende da frequência. As frequências mais baixas são interpretadas como sons graves, aproximadamente entre 20 e 400 Hz.

As frequências entre 400 e 1600 Hz são consideradas tons médios, enquanto os agudos variam de 1600 a 20.000 Hz. Os sons agudos são leves e penetrantes, enquanto os graves são percebidos como mais profundos e estrondosos.

Os sons que você ouve todos os dias são sobreposições complexas de sons com várias frequências nas proximidades.

O som possui outras qualidades além da frequência, que podem servir de critério para sua classificação. Exemplos deles são timbre, duração e intensidade.

O ruído

Também é importante fazer a distinção entre sons desejados e sons ou ruídos indesejados. Uma vez que se busca sempre eliminar o ruído, ele é classificado de acordo com a intensidade e período em:

- Ruído contínuo.

- Ruído flutuante.

- Ruído impulsivo.

Ou por cores, vinculadas à sua frequência:

- ruído rosa (semelhante a um “shhhhhh”).

- Ruído branco (semelhante a um “psssssss”).

- Brown noise (de Robert Brown, o descobridor do movimento browniano, é um ruído que favorece muito as baixas frequências).

Formulários

O uso que é dado à energia acústica depende do tipo de onda sonora que é usada. Na faixa das ondas audíveis, o uso universal do som é permitir a comunicação próxima, não apenas entre as pessoas, uma vez que os animais também se comunicam emitindo sons.

Os sons são versáteis. Cada um difere de acordo com a fonte que o emite. Desta forma, a variedade de sons na natureza é infinita: cada voz humana é diferente, assim como os sons característicos que as espécies animais usam para se comunicarem.

Muitos animais usam a energia do som para se localizar no espaço e também para capturar suas presas. Eles emitem sinais acústicos e possuem órgãos receptores que analisam os sinais refletidos. Dessa forma, eles obtêm informações sobre distâncias.

Os seres humanos não têm os órgãos necessários para usar a energia sônica dessa forma. No entanto, eles criaram dispositivos de orientação como o sonar, baseados nesses mesmos princípios, para facilitar a navegação.

Por outro lado, os ultrassons são ondas sonoras cujas aplicações são bem conhecidas. Na medicina, eles são usados para obter imagens do interior do corpo humano. Eles também fazem parte do tratamento de algumas doenças, como lumbago e tendinite.

Algumas aplicações de energia acústica

- Com o ultrassom de alta energia, as pedras ou cálculos que se formam nos rins e na vesícula biliar devido à precipitação de sais minerais nesses órgãos podem ser destruídos.

- Em geofísica, o ultrassom é utilizado como método de prospecção. Seus princípios são semelhantes aos dos métodos sísmicos. Eles podem ser usados em aplicações que vão desde a determinação da forma do oceano até o relevo e o cálculo de módulos elásticos.

- Na tecnologia de alimentos são usados para eliminar microrganismos resistentes a altas temperaturas, bem como para melhorar algumas texturas e qualidades dos alimentos.

Vantagem

A energia acústica tem vantagens em grande parte devido ao seu alcance limitado. Por exemplo, é barato de produzir e não gera resíduos químicos ou outros, pois se dissipa rapidamente no meio.

Quanto às fontes de energia acústica, são numerosas. Qualquer objeto capaz de vibrar pode se tornar uma fonte de som.

Quando usado em aplicações médicas, como ultrassom, tem a vantagem de não usar radiação ionizante, como raios-x ou tomografia. É fato que a radiação ionizante pode causar danos às células.

Seu uso dispensa as medidas de proteção necessárias quando da aplicação de radiação ionizante. O equipamento também é mais barato.

Da mesma forma, a energia ultrassônica é um método não invasivo para a eliminação dos citados rins e cálculos biliares, evitando procedimentos cirúrgicos.

Em princípio não gera poluição nem no ar nem nas águas. Mas sabe-se que existe poluição sonora nos mares, devido às atividades humanas como a pesca intensiva, a prospecção geofísica e o transporte.

Desvantagens

É difícil pensar nas desvantagens que um fenômeno tão natural quanto o som pode ter.

Um dos poucos é que sons altos podem danificar a estrutura do tímpano e, com o tempo, fazer com que as pessoas continuamente expostas percam a sensibilidade.

Ambientes muito barulhentos acabam causando estresse e desconforto às pessoas. Outra desvantagem talvez seja o fato de que a energia acústica não é usada para mover objetos, tornando muito difícil aproveitar as vibrações para afetar objetos sólidos.

Isso ocorre porque o som sempre requer a existência de um meio para poder se propagar e, portanto, é facilmente atenuado. Em outras palavras, a energia sonora é absorvida no meio mais rapidamente do que outros tipos de ondas, por exemplo as eletromagnéticas.

Por esta razão, a energia das ondas sonoras é de alcance relativamente curto no ar. O som é absorvido por estruturas e objetos à medida que se propaga e sua energia se dissipa gradualmente em calor.

Claro, isso está relacionado à conservação de energia: a energia não é destruída, mas muda de forma. As vibrações das moléculas do ar não se transformam apenas em mudanças de pressão que dão origem ao som. As vibrações também geram calor.

Absorção de som em materiais

Quando as ondas sonoras atingem um material como uma parede de tijolos, por exemplo, parte da energia é refletida. Outra parte é dissipada em calor, graças à vibração molecular do ar e do material; e finalmente a fração restante passa pelo material.

Assim, as ondas sonoras podem ser refletidas da mesma forma que a luz. O reflexo do som é conhecido como "eco". Quanto mais rígida e uniforme for a superfície, maior será a capacidade de reflexão.

Na verdade, existem superfícies que são capazes de produzir vários reflexos chamados reverberações. Normalmente isso ocorre em pequenos espaços e é evitado com a colocação de material isolante, para que, desta forma, as ondas emitidas e refletidas não se sobreponham, dificultando a audição.

Durante toda a sua propagação, a onda acústica experimentará todas essas perdas sucessivas até que finalmente a energia seja completamente absorvida no meio. O que significa que foi transformado em energia térmica.

Existe uma magnitude para quantificar a capacidade de um material de absorver som. É chamado de coeficiente de absorção. É denotado como α, e é a razão entre energia absorvida E_abdômen e a energia incidente E_inc, todos se referindo ao material em questão. É expresso matematicamente assim:

α = E_abdômen/E_inc

O valor máximo de α é 1 (absorve completamente o som) e o mínimo é 0 (deixa todo o som passar).

O som pode ser uma desvantagem em muitas ocasiões, quando o silêncio é preferido. Por exemplo, os carros são equipados com silenciadores para abafar os ruídos do motor. Para outros dispositivos, como bombas de água e usinas de energia também.

Exemplos de energia sonora

A energia do som está em toda parte. Aqui está um exemplo simples que ilustra as propriedades do som e sua energia de um ponto de vista quantitativo.

Exercício resolvido

Um pino de massa de 0,1 g cai de uma altura de 1m. Supondo que 0,05% de sua energia seja convertida em um pulso de som com duração de 0,1 s, estime a distância máxima na qual a queda do pino pode ser ouvida. Considere como intensidade sonora audível mínima 10^-8 W / m².

Solução

A equação dada acima será usada para a intensidade do som:

Uma boa pergunta é de onde vem a energia do som, neste caso, aquela cuja intensidade o ouvido humano detecta.

A resposta está na energia potencial gravitacional. Justamente porque o alfinete cai de uma certa altura, na qual tinha energia potencial, ao cair transforma essa energia em energia cinética.

E assim que atinge o solo, a energia é transferida para as moléculas de ar que cercam o local do acidente, dando origem ao som.

Energia potencial gravitacional OU isto é:

U = mgh

Onde m é a massa do alfinete, g é a aceleração da gravidade e h é a altura da qual caiu. Substituindo esses valores numéricos, mas não antes de fazer as conversões correspondentes no Sistema Internacional de unidades, temos:

U = 0,1 x 10^-3 x 9,8 x 1 J = 0,00098 J

O comunicado diz que, dessa energia, apenas 0,05% se transforma para dar origem ao pulso sonoro, ou seja, ao tilintar do pino ao atingir o solo. Portanto, a energia do som é:

E_som= 4,9 x 10^-7 J

A partir da equação de intensidade, resolvemos para o raio R e os valores de energia sonora E são substituídos_som e o tempo que o pulso durou: 0,1 s conforme o enunciado.

Portanto, a distância máxima na qual a queda do pino será audível é de 6,24 m em todas as direções.

Referências

Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. Sexta Edição. Prentice Hall. 332-359.
Kinsler, L. (2000). Fundamentos da Acústica. 4ª Ed. Wiley & Sons. 124-125.