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17.6: Audição

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    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Defina audição, tom, volume, timbre, nota, tom, telefone, ultrassom e infra-som.
    • Compare o volume com a frequência e a intensidade de um som.
    • Identifique as estruturas do ouvido interno e explique como elas se relacionam com a percepção do som.

    O ouvido humano tem um alcance e uma sensibilidade tremendos. Ela pode nos fornecer uma grande variedade de informações simples, como tom, volume e direção. E a partir de sua entrada, podemos detectar a qualidade musical e as nuances da emoção expressa. Como nossa audição está relacionada às qualidades físicas do som e como o mecanismo auditivo funciona?

    Fotografia de uma banda musical com uma pessoa cantando.
    Figura\(\PageIndex{1}\): A audição permite que esse vocalista, sua banda e seus fãs desfrutem de música. (crédito: Assuntos Públicos de West Point, Flickr)

    A audição é a percepção do som. (A percepção é comumente definida como consciência através dos sentidos, uma definição tipicamente circular de processos de nível superior em organismos vivos.) A audição humana normal abrange frequências de 20 a 20.000 Hz, uma faixa impressionante. Sons abaixo de 20 Hz são chamados de infra-som, enquanto aqueles acima de 20.000 Hz são ultrassons. Nenhum deles é percebido pelo ouvido, embora o infra-som às vezes possa ser sentido como vibrações. Quando ouvimos vibrações de baixa frequência, como os sons de uma prancha de mergulho, ouvimos as vibrações individuais apenas porque há sons de frequência mais alta em cada uma. Outros animais têm alcances auditivos diferentes dos humanos. Cães podem ouvir sons de até 30.000 Hz, enquanto morcegos e golfinhos podem ouvir sons de até 100.000 Hz. Você deve ter notado que os cães respondem ao som de um apito canino, que produz um som fora do alcance da audição humana. Sabe-se que os elefantes respondem a frequências abaixo de 20 Hz.

    A percepção da frequência é chamada de tom. A maioria de nós tem um tom relativo excelente, o que significa que podemos dizer se um som tem uma frequência diferente de outro. Normalmente, podemos discriminar entre dois sons se suas frequências diferirem em 0,3% ou mais. Por exemplo, 500,0 e 501,5 Hz são visivelmente diferentes. A percepção do tom está diretamente relacionada à frequência e não é muito afetada por outras grandezas físicas, como a intensidade. As notas musicais são sons específicos que podem ser produzidos pela maioria dos instrumentos e na música ocidental têm nomes específicos. Combinações de notas constituem música. Algumas pessoas conseguem identificar notas musicais, como A sharp, C ou Mi bemol, apenas ouvindo-as. Essa habilidade incomum é chamada de tom perfeito. O ouvido é extremamente sensível a sons de baixa intensidade. A menor intensidade ou limite audível é de cerca de\(10^{-12} \, W/m^2\) ou 0 dB. Sons tão intensos quanto\(10^{12}\) mais intensos podem ser tolerados brevemente. Muito poucos dispositivos de medição são capazes de fazer observações acima de um trilhão. A percepção da intensidade é chamada de volume. Em uma determinada frequência, é possível discernir diferenças de cerca de 1 dB, e uma mudança de 3 dB é facilmente percebida. Mas o volume não está relacionado apenas à intensidade. A frequência tem um efeito importante na intensidade do som. O ouvido tem sua sensibilidade máxima a frequências na faixa de 2000 a 5000 Hz, de modo que os sons nessa faixa são percebidos como sendo mais altos do que, digamos, aqueles de 500 ou 10.000 Hz, mesmo quando todos têm a mesma intensidade. Os sons próximos aos extremos de alta e baixa frequência da faixa auditiva parecem ainda menos altos, porque o ouvido é ainda menos sensível nessas frequências. A tabela\(\PageIndex{1}\) mostra a dependência de certas percepções da audição humana em relação às quantidades físicas.

    Tabela\(\PageIndex{1}\): Percepções sonoras
    Percepção Quantidade física
    Pitch Frequência
    Sonoridade Intensidade e frequência
    Timbre

    Número e intensidade relativa de várias frequências.

    O artesanato sutil leva a efeitos não lineares e mais detalhes.
    Nota Unidade básica de música com nomes específicos, combinada para gerar músicas
    Tom Número e intensidade relativa de várias frequências.

    Quando um violino toca C médio, não há como confundi-lo com um piano tocando a mesma nota. A razão é que cada instrumento produz um conjunto distinto de frequências e intensidades. Chamamos nossa percepção dessas combinações de frequências e intensidades de qualidade de tom ou, mais comumente, de timbre do som. É mais difícil correlacionar a percepção do timbre com as quantidades físicas do que com a percepção de volume ou tom. O timbre é mais subjetivo. Termos como monótono, brilhante, quente, frio, puro e rico são empregados para descrever o timbre de um som. Portanto, a consideração do timbre nos leva ao reino da psicologia perceptiva, onde processos de alto nível no cérebro são dominantes. Isso vale para outras percepções do som, como música e ruído. Não vamos nos aprofundar mais neles; em vez disso, vamos nos concentrar na questão da percepção do volume.

    Uma unidade chamada telefone é usada para expressar o volume numericamente. Os fons diferem dos decibéis porque o fon é uma unidade de percepção de volume, enquanto o decibel é uma unidade de intensidade física. A figura\(\PageIndex{2}\) mostra a relação do volume com a intensidade (ou nível de intensidade) e frequência para pessoas com audição normal. As linhas curvas são curvas de volume igual. Cada curva é rotulada com seu volume em fones. Qualquer som ao longo de uma determinada curva será percebido como igualmente alto pela pessoa comum. As curvas foram determinadas fazendo com que um grande número de pessoas comparasse o volume dos sons em diferentes frequências e níveis de intensidade sonora. Com uma frequência de 1000 Hz, os telefones são considerados numericamente iguais aos decibéis. O exemplo a seguir ajuda a ilustrar como usar o gráfico:

    Um gráfico da variação do nível do som versus frequência é mostrado. O nível do som está ao longo do eixo Y e a frequência está ao longo do eixo X. Existem treze curvas cada, para alguns contam com fons de zero a cento e vinte com um intervalo de dez. Os gráficos têm formato semelhante, mas aumentam de valor com o aumento dos fons. O gráfico tem uma queda inicial do valor máximo no eixo Y atinge o mínimo e, em seguida, há um aumento ondulado.
    Figura\(\PageIndex{2}\): A relação do volume nos fones com o nível de intensidade (em decibéis) e a intensidade (em watts por metro quadrado) para pessoas com audição normal. As linhas curvas são curvas de volume igual — todos os sons em uma determinada curva são percebidos como igualmente altos. Fones e decibéis são definidos como iguais em 1000 Hz.

    Exemplo\(\PageIndex{1}\): Measuring Loudness: Loudness Versus Intensity Level and Frequency

    (a) Qual é o volume nos fones de um som de 100 Hz com um nível de intensidade de 80 dB? (b) Qual é o nível de intensidade em decibéis de um som de 4000 Hz com um volume de 70 fons? (c) Em que nível de intensidade um som de 8000 Hz terá o mesmo volume de um som de 200 Hz a 60 dB?

    Estratégia para (a)

    O gráfico na Figura\(\PageIndex{2}\) deve ser referenciado para resolver este exemplo. Para encontrar o volume de um determinado som, você deve conhecer seu nível de frequência e intensidade e localizar esse ponto na grade quadrada e, em seguida, interpolar entre as curvas de volume para obter o volume nos fones.

    Solução para (a)

    (1) Identifique conhecidos:

    • A grade quadrada do gráfico que relaciona fons e decibéis é um gráfico do nível de intensidade versus frequência — ambas quantidades físicas.
    • 100 Hz a 80 dB fica a meio caminho entre as curvas marcadas com 70 e 80 fões.

    (2) Encontre o volume: 75 telefones.

    Estratégia para (b)

    O gráfico na Figura\(\PageIndex{2}\) deve ser referenciado para resolver este exemplo. Para encontrar o nível de intensidade de um som, você deve ter sua frequência e volume. Uma vez localizado esse ponto, o nível de intensidade pode ser determinado a partir do eixo vertical.

    Solução para (b)

    (1) Identifique conhecidos:

    • Os valores são fornecidos como 4000 Hz a 70 fons.

    (2) Siga a curva de 70 fões até atingir 4000 Hz. Nesse ponto, está abaixo da linha de 70 dB em cerca de 67 dB.

    (3) Encontre o nível de intensidade:

    67 dB

    Estratégia para (c)

    O gráfico na Figura\(\PageIndex{2}\) deve ser referenciado para resolver este exemplo.

    Solução para (c)

    (1) Localize o ponto para um som de 200 Hz e 60 dB.

    (2) Encontre o volume: Este ponto fica um pouco acima da curva de 50 fões e, portanto, seu volume é de 51 fons.

    (3) Veja se o nível de 51 fões está em 8000 Hz: 63 dB.

    Discussão

    Essas respostas, como todas as informações extraídas da Figura\(\PageIndex{2}\), têm incertezas de vários fons ou vários decibéis, em parte devido a dificuldades de interpolação, mas principalmente relacionadas a incertezas nas curvas de igual volume.

    Um exame mais aprofundado do gráfico na Figura\(\PageIndex{2}\) revela alguns fatos interessantes sobre a audição humana. Primeiro, os sons abaixo da curva de 0 fões não são percebidos pela maioria das pessoas. Então, por exemplo, um som de 60 Hz a 40 dB é inaudível. A curva de 0 fões representa o limiar da audição normal. Podemos ouvir alguns sons em níveis de intensidade abaixo de 0 dB. Por exemplo, um som de 3 dB e 5000 Hz é audível porque está acima da curva de 0 fões. Todas as curvas de volume apresentam quedas entre cerca de 2000 e 5000 Hz. Essas quedas significam que o ouvido é mais sensível às frequências nessa faixa. Por exemplo, um som de 15 dB a 4000 Hz tem um volume de 20 fones, o mesmo que um som de 20 dB a 1000 Hz. As curvas aumentam em ambos os extremos da faixa de frequência, indicando que é necessário um som de maior intensidade nessas frequências para ser percebido como tão alto quanto nas frequências médias. Por exemplo, um som a 10.000 Hz deve ter um nível de intensidade de 30 dB para parecer tão alto quanto um som de 20 dB a 1000 Hz. Os sons acima de 120 telefones são dolorosos e prejudiciais.

    Não costumamos utilizar toda a nossa gama de audições. Isso é particularmente verdadeiro para frequências acima de 8000 Hz, que são raras no ambiente e são desnecessárias para entender a conversa ou apreciar a música. De fato, pessoas que perderam a capacidade de ouvir frequências tão altas geralmente não sabem de sua perda até o teste. A região sombreada na Figura\(\PageIndex{3}\) é a região de frequência e intensidade onde a maioria dos sons de conversação cai. As linhas curvas indicam o efeito que as perdas auditivas de 40 e 60 fones terão. Uma perda auditiva de 40 fões em todas as frequências ainda permite que uma pessoa entenda a conversa, embora pareça muito silenciosa. Uma pessoa com perda de 60 fões em todas as frequências ouvirá apenas as frequências mais baixas e não conseguirá entender a fala, a menos que ela esteja muito mais alta do que o normal. Mesmo assim, a fala pode parecer indistinta, pois frequências mais altas não são tão bem percebidas. A região da fala conversacional também tem um componente de gênero, na medida em que as vozes femininas geralmente são caracterizadas por frequências mais altas. Portanto, a pessoa com deficiência auditiva de 60 fones pode ter dificuldade em entender a conversa normal de uma mulher.

    Um gráfico da variação da intensidade versus frequência é mostrado. A intensidade em decibéis está ao longo do eixo Y e a frequência está ao longo do eixo X. Há três curvas cada, pois alguns contam com o telefone zero, quarenta e sessenta. Os gráficos têm formato semelhante, mas aumentam de valor com o aumento do telefone. O gráfico tem uma queda inicial do valor máximo no eixo Y atinge o mínimo e, em seguida, há um aumento ondulado. A distribuição da fala conversacional é mostrada como uma faixa no gráfico.
    Figura\(\PageIndex{3}\): A região sombreada representa frequências e níveis de intensidade encontrados na fala conversacional normal. A linha de 0 fões representa o limiar auditivo normal, enquanto aqueles com 40 e 60 representam limiares para pessoas com perdas auditivas de 40 e 60 fões, respectivamente.

    Os testes auditivos são realizados em uma faixa de frequências, geralmente de 250 a 8000 Hz, e podem ser exibidos graficamente em um audiograma como o da Figura\(\PageIndex{4}\). O limiar auditivo é medido em dB em relação ao limiar normal, de forma que a audição normal seja registrada como 0 dB em todas as frequências. A perda auditiva causada pelo ruído geralmente mostra uma queda próxima à frequência de 4000 Hz, independentemente da frequência que causou a perda e geralmente afeta os dois ouvidos. A forma mais comum de perda auditiva vem com a idade e é chamada de presbiacusia - literalmente ouvido de idosos. Essa perda é cada vez mais severa em frequências mais altas e interfere na apreciação da música e no reconhecimento da fala.

    Três gráficos de saída de audiograma das orelhas esquerda e direita de três indivíduos são mostrados. O gráfico é para o nível do limiar auditivo versus a frequência em hertz. O nível do limiar auditivo está no eixo Y e a frequência está ao longo do eixo X. O primeiro gráfico tem duas curvas quase paralelas ao eixo X. O segundo gráfico é reto em algum intervalo e depois cai em quatro mil hertz. O terceiro gráfico tem uma curva descendente em direção ao eixo X a partir de um valor máximo no eixo Y.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Audiogramas mostrando o limite no nível de intensidade versus frequência para três indivíduos diferentes. O nível de intensidade é medido em relação ao limite normal. O gráfico superior esquerdo é o de uma pessoa com audição normal. O gráfico à direita tem uma queda de 4000 Hz e é o de uma criança que sofreu perda auditiva devido a uma pistola de boné. O terceiro gráfico é típico da presbiacusia, a perda progressiva da audição de alta frequência com a idade. Testes realizados por condução óssea (braquetes) podem distinguir danos nos nervos dos danos no ouvido médio.

    Mecanismo auditivo

    O mecanismo auditivo envolve uma física interessante. A onda sonora que colide com nosso ouvido é uma onda de pressão. O ouvido é um transdutor que converte ondas sonoras em impulsos elétricos nervosos de uma forma muito mais sofisticada do que, mas análoga, a um microfone. A figura\(\PageIndex{5}\) mostra a anatomia grossa da orelha com sua divisão em três partes: o ouvido externo ou canal auditivo; o ouvido médio, que vai do tímpano até a cóclea; e o ouvido interno, que é a própria cóclea. A parte do corpo normalmente chamada de orelha é tecnicamente chamada de pavilhão auricular.

    A imagem mostra a anatomia de um ouvido humano. Todos os órgãos do ouvido estão rotulados. Há um pavilhão auricular ou a extremidade externa da orelha, seguido por um longo canal auditivo no ouvido externo. O ouvido médio tem o tímpano em forma de pequeno arco. Há pequenas janelas redondas e ovais ao lado. Existem canais semicirculares. No ouvido interno estão a cóclea em forma de concha de caracol e o ducto da cóclea. Há uma trompa de Eustaquio que leva para baixo. Existem nervos cocleares e nervos vestibulares no ouvido interno.
    Figura\(\PageIndex{5}\): A ilustração mostra a anatomia grossa do ouvido humano.

    O ouvido externo, ou canal auditivo, transporta o som para o tímpano protegido embutido. A coluna de ar no canal auditivo ressoa e é parcialmente responsável pela sensibilidade do ouvido aos sons na faixa de 2000 a 5000 Hz. O ouvido médio converte o som em vibrações mecânicas e aplica essas vibrações na cóclea. O sistema de alavancas do ouvido médio capta a força exercida sobre o tímpano pelas variações da pressão sonora, amplifica-a e a transmite ao ouvido interno através da janela oval, criando ondas de pressão na cóclea aproximadamente 40 vezes maiores do que aquelas que colidem com o tímpano (Figura)\(\PageIndex{6}\). Dois músculos do ouvido médio (não mostrados) protegem o ouvido interno de sons muito intensos. Eles reagem ao som intenso em alguns milissegundos e reduzem a força transmitida à cóclea. Essa reação protetora também pode ser acionada por sua própria voz, de forma que o zumbido enquanto dispara uma arma, por exemplo, pode reduzir os danos causados pelo ruído.

    O diagrama esquemático do sistema do ouvido médio para conversão da pressão sonora é mostrado. Há uma pressão P aplicada no tímpano mostrada como uma linha vertical. A pressão P percorre uma linha horizontal marcada como martelo como força F um. Em seguida, suba uma linha vertical marcada como bigorna e alcance um ponto marcado como pivô. Em seguida, ele viaja como uma força F dois ao longo de uma linha horizontal marcada como estribo e atinge a janela oval mostrada por uma linha vertical e passa por ela como pressão P dois. O ponto de articulação tem outro suporte mantido verticalmente.
    Figura\(\PageIndex{6}\): Este esquema mostra o sistema do ouvido médio para converter a pressão sonora em força, aumentando essa força por meio de um sistema de alavanca e aplicando a força aumentada em uma pequena área da cóclea, criando uma pressão cerca de 40 vezes a da onda sonora original. Uma reação muscular protetora a sons intensos reduz muito a vantagem mecânica do sistema de alavancas.

    A figura\(\PageIndex{7}\) mostra o ouvido médio e interno com mais detalhes. As ondas de pressão que se movem pela cóclea fazem com que a membrana tectorial vibre, esfregando os cílios (chamados células ciliadas), que estimulam os nervos que enviam sinais elétricos ao cérebro. A membrana ressoa em diferentes posições para diferentes frequências, com altas frequências estimulando nervos na extremidade próxima e baixas frequências na extremidade oposta. O funcionamento completo da cóclea ainda não é compreendido, mas sabe-se que vários mecanismos de envio de informações ao cérebro estão envolvidos. Para sons abaixo de cerca de 1000 Hz, os nervos enviam sinais na mesma frequência do som. Para frequências maiores que cerca de 1000 Hz, os nervos sinalizam frequência por posição. Há uma estrutura nos cílios e há conexões entre as células nervosas que realizam o processamento do sinal antes que as informações sejam enviadas ao cérebro. As informações de intensidade são parcialmente indicadas pelo número de sinais nervosos e por rajadas de sinais. O cérebro processa os sinais do nervo coclear para fornecer informações adicionais, como a direção da fonte (com base na comparação de tempo e intensidade dos sons de ambos os ouvidos). O processamento de alto nível produz muitas nuances, como a apreciação musical.

    Diagrama esquemático do ouvido médio e interno com várias partes rotuladas.
    Figura\(\PageIndex{7}\): O ouvido interno, ou cóclea, é um tubo enrolado com cerca de 3 mm de diâmetro e 3 cm de comprimento se não for enrolado. Quando a janela oval é forçada para dentro, como mostrado, uma onda de pressão percorre a perilinfa na direção das flechas, estimulando os nervos na base dos cílios no órgão de Corti.

    Perdas auditivas podem ocorrer devido a problemas no ouvido médio ou interno. As perdas condutivas no ouvido médio podem ser parcialmente superadas com o envio de vibrações sonoras para a cóclea através do crânio. Os aparelhos auditivos com essa finalidade geralmente pressionam o osso atrás da orelha, em vez de simplesmente amplificar o som enviado para o canal auditivo, como muitos aparelhos auditivos fazem. Os danos nos nervos da cóclea não são reparáveis, mas a amplificação pode compensar parcialmente. Existe o risco de que a amplificação produza mais danos. Outra falha comum na cóclea é a lesão ou perda dos cílios, mas com os nervos permanecendo funcionais. Os implantes cocleares que estimulam diretamente os nervos estão agora disponíveis e são amplamente aceitos. Mais de 100.000 implantes estão em uso, em números aproximadamente iguais de adultos e crianças.

    O implante coclear foi pioneiro em Melbourne, Austrália, por Graeme Clark na década de 1970 para seu pai surdo. O implante consiste em três componentes externos e dois componentes internos. Os componentes externos são um microfone para captar o som e convertê-lo em um sinal elétrico, um processador de fala para selecionar determinadas frequências e um transmissor para transferir o sinal para os componentes internos por meio de indução eletromagnética. Os componentes internos consistem em um receptor/transmissor preso no osso abaixo da pele, que converte os sinais em impulsos elétricos e os envia através de um cabo interno para a cóclea e um conjunto de cerca de 24 eletrodos enrolados na cóclea. Esses eletrodos, por sua vez, enviam os impulsos diretamente para o cérebro. Os eletrodos basicamente emulam os cílios.

    Exercício\(\PageIndex{1}\)

    O ultrassom e o infra-som são imperceptíveis para todos os organismos auditivos? Explique sua resposta.

    Responda

    Não, a faixa de som perceptível é baseada na faixa da audição humana. Muitos outros organismos percebem o infra-som ou a ultrassonografia.

    Resumo

    • A faixa de frequências audíveis é de 20 a 20.000 Hz.
    • Esses sons acima de 20.000 Hz são ultrassons, enquanto aqueles abaixo de 20 Hz são infra-som.
    • A percepção da frequência é o tom.
    • A percepção da intensidade é o volume.
    • O volume tem unidades de telefone.

    Glossário

    sonoridade
    a percepção da intensidade do som
    timbre
    número e intensidade relativa de várias frequências sonoras
    nota
    unidade básica de música com nomes específicos, combinada para gerar músicas
    tom
    número e intensidade relativa de várias frequências sonoras
    telefone
    a unidade numérica de volume
    ultra-som
    sons acima de 20.000 Hz
    infra-som
    sons abaixo de 20 Hz