Fundamentos da acústica: os principais conceitos relacionados ao som

Para quem não trabalha na área, a acústica parece um bicho de sete cabeças. Estudantes de arquitetura e física, ou profissionais que procuram se especializar, costumam ter certa dificuldade em entender os fundamentos da acústica.

Pensando nisso, criamos este guia prático e completo explicando os principais conceitos, fórmulas e aplicações básicas da acústica. Vamos lá?

O que é acústica?

Antes de entender os fundamentos da acústica, é necessário entender, na ponta da língua, o que é acústica?

A acústica é um campo de estudo da física que procura se aprofundar em aspectos relacionados às ondas mecânicas, como o som, o ultrassom e outras vibrações que se propagam em meios sólidos, líquidos e até mesmo gasosos!

Essa ciência se concentra em estudar fenômenos como propagação, reflexão, absorção e interferência entre ondas sonoras.

Entender os fundamentos da acústica é fundamental para quem quer trabalhar com arquitetura e engenharia acústica, física e, até mesmo, produção e gravação de álbuns musicais.

Acústica na música

Popularmente, quando pensamos em acústica, pensamos em música. Para gravar apenas uma canção, é necessário ter um conhecimento aprofundado não apenas de instrumentos, notas e tonalidade musical como, também, dos fundamentos da acústica.

As ondas estacionárias são produzidas a partir da interferência mútua entre uma onda incidente e uma onda refletida que, sob certas condições, são formadas pelos harmônicos. Talvez alguns desses nomes não façam sentido ainda, mas iremos explicar cada um desses conceitos ao longo do texto!

Em instrumentos de cordas, por exemplo, os harmônicos são formados quando o comprimento da corda é suficientemente grande para formar ondas estacionárias de comprimento igual a um múltiplo inteiro de metade de um determinado comprimento de onda.

Os harmônicos também podem ser formados a partir de tubos sonoros, como flautas, e tudo isso é estudo na acústica.

Fundamentos de acústica

Agora que você já entendeu um pouco melhor sobre a acústica e a sua aplicação no mundo da música, compreenda sobre os fundamentos de acústica:

O que é o som?

A matéria-prima de um estúdio, qualquer que ele seja, é o som que se produz ou grava ali dentro. Mas, afinal de contas, o que é o som? Para os leigos, o som é qualquer ruído notável, como uma música, uma buzina de carro ou o choro de um recém nascido. Mas para quem estuda acústica, o conceito é um pouco diferente.

O som é considerado uma onda mecânica, ou seja, que é apenas capaz de se propagar por meios materiais, como água, ar ou metais. E é por isso que não existe som no espaço, uma vez que não há matéria para se propagar.

A propagação do som é tridimensional, ou seja, ele se propaga de maneira esférica em um meio homogêneo, percorrendo distâncias iguais em todas as direções.

Animais e seres humanos possuem uma membrana que limita o ouvido médio do esterno, chamada tímpano e, nos seres humanos, essa membrana possui 0,1mm de espessura e 0,62cm² de área. O som que ouvimos é, portanto, a sensação causada pela vibração do tímpano.

Quando um objeto qualquer é levado a vibrar, uma série de impulsos é criada no ar que rodeia esse objeto, também chamado de fonte. Quando tais impulsos se chocam com o tímpano, fazendo-o vibrar, essa sensação é imediatamente transformada em sinais elétricos que são, então, enviados ao cérebro, que os decodifica.

O que são ondas sonoras?

Outro conceito da acústica básica e que qualquer estudante deve entender são as ondas sonoras. Para entender melhor o que são ondas sonoras, vamos imaginar uma fonte sonora qualquer.

Essa fonte pode ser desde uma buzina até um violão. Quando uma das cordas do violão é colocada em vibração, a partir do toque do dedo ou da palheta, o ar em volta dela reage de maneira elástica.

Ele é, alternadamente, comprimido e expandido, devido ao movimento rápido de vai-e-vem da corda vibrando. Assim, o ciclo completo de compressão e rarefação do ar, em volta da fonte, é chamado de onda sonora.

Como as ondas se formam sucessivamente, elas viajam de forma radial, a partir da fonte sonora para fora, em um padrão esférico, muito semelhante às ondas que se formam na água quando atiramos uma pedra em um lago, por exemplo.

O que é frequência?

A velocidade com que as ondas são regularmente produzidas a partir de uma mesma fonte sonora é chamada de frequência (f) de vibração. Essa velocidade é medida em ciclos por segundo (cps) ou hertz (Hz). O período de tempo levado por um ciclo completo é chamado de período (t) de vibração. Se você fez algum vestibular nos últimos anos, deve se lembrar de ter estudado esse e outros fundamentos da acústica.

Os seres humanos são capazes de escutar as frequências compreendidas no intervalo entre 20Hz e 20.000Hz. Este intervalo é, geralmente, chamado de espectro audível.

A frequência de um som está diretamente relacionada à sua tonalidade, ou seja, quanto mais alta a frequência, mais alta a tonalidade, e vice-versa.

O que é velocidade do som?

Continuando na nossa lista de fundamentos de acústica, temos a velocidade do som. No ar, à temperatura de 21oC, as ondas sonoras viajam, a partir de uma fonte sonora qualquer, à velocidade de 344,42m/s. Esta velocidade é, comumente, chamada de velocidade do som, e pode variar significativamente, para mais ou para menos, em função das condições de temperatura e umidade do ar.

Em materiais sólidos, como a madeira e o aço, por exemplo, o som viaja muito mais rápido, chegando a 3.566,16m/s e 5.486,40m/s, respectivamente. Estes materiais são mais elásticos que o ar, ou seja, suas moléculas tendem a se mover mais rapidamente quando atingidas a partir da vibração de uma fonte sonora qualquer.

O resultado prático é que a vibração “anda” mais depressa através da madeira e do aço, por exemplo, do que através do ar. Isto fica claro, quando se percebe a capacidade da maioria dos edifícios em transmitir sons e ruídos através de suas estruturas, geralmente de concreto e aço.

Comprimento da onda e amplitude

O comprimento de onda nada mais é do que a distância absoluta que uma onda sonora necessita para perfazer um ciclo completo de compressão e expansão. Em outras palavras, é a distância entre valores repetidos sucessivos em um padrão de onda. Esse conceito é, geralmente, representado pela letra grega lambda.

Velocidade (V), frequência (F) e comprimento de onda (λ) são definidos pela fórmula:

V = F(λ)

Como no ar a velocidade do som é constante, então a frequência e o comprimento de onda são inversamente proporcionais entre si, ou seja, quanto maior a frequência de um som, menor será seu comprimento de onda. Por exemplo:

Se uma onda sonora se repete e mantém sua simetria em relação ao nível normal (ou zero) trata-se de uma forma simples de onda. Porém, as ondas nem sempre se repetem e mantém sua simetria em relação ao nível normal. Neste caso, dizemos tratar-se de formas complexas de onda. O ruído da batida numa lata de lixo ou, até mesmo, uma palavra falada, produzem formas complexas de onda.

O que é fase?

Como as ondas são fenômenos que se repetem, elas podem ser divididas em intervalos regulares de ocorrência, que são medidos em graus. Cada comprimento de onda completo corresponde a 360 graus do percurso da onda. Portanto, a metade do comprimento da onda corresponde a 180 graus. Nas formas simples de onda, sua máxima amplitude ocorre a um-quarto de seu comprimento, ou seja, 90 graus.

Se duas ondas iniciam seu percurso num mesmo momento, dizemos que elas estão em fase. Quando as ondas iniciam seus percursos em momentos distintos dizemos que estão fora de fase.

Exemplos de interferências construtivas e destrutivas

Como formas de energia, ondas sonoras podem ser somadas umas às outras. O resultado, entretanto, nem sempre é maior que as partes. A relação de fase entre duas ou mais ondas é o fator determinante de como tais formas de energia interagem entre si, somando-se umas às outras ou anulando-se umas às outras.

Considere o caso de duas ondas idênticas, iniciando-se no mesmo instante a partir do mesmo ponto no espaço. Não é difícil visualizar como suas amplitudes absolutas vão-se somar em todos os pontos da curva.

Por outro lado, se a segunda onda inicia seu percurso negativo no exato instante em que a primeira inicia seu percurso positivo, também não é difícil visualizar que ambas vão-se cancelar por completo.

A combinação de duas ou mais ondas que resulta numa outra, com amplitude maior que a das ondas originais, é chamada de interferência construtiva. Já a combinação de duas ou mais ondas que resulta numa outra, cuja amplitude é menor que a das ondas originais, é chamada de interferência destrutiva.

Esperamos que você tenha gostado deste conteúdo sobre fundamentos da acústica. Acompanhe o nosso blog para saber mais sobre conceitos, dicas e tutoriais de acústica!