17: Som
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O som é um exemplo de onda mecânica, especificamente, uma onda de pressão: as ondas sonoras viajam pelo ar e por outros meios como oscilações de moléculas. A audição humana normal abrange uma impressionante faixa de frequências de 20 Hz a 20 kHz. Sons abaixo de 20 Hz são chamados de infra-som, enquanto aqueles acima de 20 kHz são chamados de ultrassom. Alguns animais, como o morcego, podem ouvir sons na faixa ultrassônica. Muitos dos conceitos abordados em Waves também têm aplicações no estudo do som. Por exemplo, quando uma onda sonora encontra uma interface entre duas mídias com velocidades de onda diferentes, a reflexão e a transmissão da onda ocorrem. O ultrassom tem muitos usos na ciência, engenharia e medicina. O ultrassom é usado para testes não destrutivos em engenharia, como testar a espessura do revestimento em metal. Na medicina, as ondas sonoras são muito menos destrutivas do que os raios-X e podem ser usadas para obter imagens do feto no útero da mãe, sem perigo para o feto ou para a mãe. Mais adiante neste capítulo, discutiremos o efeito Doppler, que pode ser usado para determinar a velocidade do sangue nas artérias ou a velocidade do vento em sistemas climáticos.
- 17.1: Prelúdio do som
- O som é um exemplo de onda mecânica, especificamente, uma onda de pressão: as ondas sonoras viajam pelo ar e por outros meios como oscilações de moléculas. A audição humana normal abrange uma impressionante faixa de frequências de 20 Hz a 20 kHz. Sons abaixo de 20 Hz são chamados de infra-som, enquanto aqueles acima de 20 kHz são chamados de ultrassom. Alguns animais, como morcegos, podem ouvir sons na faixa ultrassônica.
- 17.2: Ondas sonoras
- O som é uma perturbação da matéria (uma onda de pressão) que é transmitida de sua fonte para fora. A audição é a percepção do som. O som pode ser modelado em termos de pressão ou em termos de deslocamento de moléculas. O ouvido humano é sensível a frequências entre 20 Hz e 20 kHz.
- 17.3: Velocidade do som
- A velocidade do som depende do meio e do estado do meio. Em um fluido, devido à ausência de forças de cisalhamento, as ondas sonoras são longitudinais. Um sólido pode suportar ondas sonoras longitudinais e transversais. A velocidade do som é a mesma para todas as frequências e comprimentos de onda do som no ar.
- 17.4: Intensidade do som
- A intensidade é a mesma para uma onda sonora que foi definida para todas as ondas, onde P é a área de cruzamento de potência A. A unidade SI para I é watts por metro quadrado. O nível de intensidade sonora em unidades de decibéis (dB) é igual ao logaritmo da razão entre a intensidade ouvida e a intensidade limite para audição. A percepção da frequência é o tom. A percepção da intensidade é o volume e o volume tem unidades de fones.
- 17.5: Modos normais de uma onda sonora estacionária
- O som indesejado pode ser reduzido usando interferência destrutiva. O som tem as mesmas propriedades de interferência e ressonância definidas para todas as ondas. Nas colunas de ar, a ressonância de frequência mais baixa é chamada de fundamental, enquanto todas as frequências ressonantes mais altas são chamadas de sobretons. Coletivamente, eles são chamados de harmônicos.
- 17.6: Fontes de som musical
- Alguns instrumentos musicais podem ser modelados como tubos que têm condições de contorno simétricas: aberto/fechado em ambas as extremidades. Outros podem ser modelados como tubos que têm condições de contorno anti-simétricas: fechados em uma extremidade e abertos na outra. Os instrumentos de corda produzem som usando uma corda vibratória com nós em cada extremidade. O ar ao redor da corda oscila na frequência da corda. A relação das frequências da corda é semelhante às condições de contorno simétricas do tubo.
- 17.7: Beats
- Quando duas ondas sonoras que diferem em frequência interferem, as batidas são criadas com uma frequência de batida igual ao valor absoluto da diferença nas frequências das ondas sonoras.
- 17.8: O efeito Doppler
- O efeito Doppler é uma alteração na frequência observada de um som devido ao movimento da fonte ou do observador. A mudança real na frequência é chamada de desvio Doppler.
- 17.9: Ondas de choque
- O número Mach é a velocidade de uma fonte dividida pela velocidade do som. Quando uma fonte sonora se move mais rápido do que a velocidade do som, uma onda de choque é produzida quando as ondas sonoras interferem. Um estrondo sônico é o som intenso que ocorre quando a onda de choque se move pelo solo. Uma esteira de proa é produzida quando um objeto se move mais rápido do que a velocidade de uma onda mecânica no meio, como um barco se movendo pela água.
Figura em miniatura 17.1 - A audição é um sentido humano importante que pode detectar frequências de som, variando entre 20 Hz e 20 kHz. No entanto, outras espécies têm faixas auditivas muito diferentes. Os morcegos, por exemplo, emitem cliques no ultrassom, usando frequências acima de 20 kHz. Eles podem detectar insetos próximos ao ouvir o eco desses cliques ultrassônicos. O ultrassom é importante em várias aplicações humanas, incluindo a sondagem das estruturas internas dos corpos humanos, da Terra e do Sol. O ultrassom também é útil na indústria para testes não destrutivos. (crédito: modificação da obra de Angell Williams)