Ciências da Natureza e suas Tecnologias – FÍSICA Ensino Médio, 2ª Série ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER ACÚSTICA FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER O QUE É SOM? São ondas mecânicas que se propagam em meios materiais. Imagem: Wilfredor / GNU Free Documentation License. FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPLLER PROPRIEDADES FÍSICAS DO SOM • Os principais efeitos com os quais os engenheiros de som e músicos têm que lidar são: • • • • • Difração Reflexão Interferência Refração Efeitos de transmissão, absorção e dispersão das ondas (1). FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER Ondas podem ser longitudinais. Portanto, as ondas sonoras são longitudinais. Imagem: Popular Science Monthly Volume 13 / Public Domain FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER LONGITUDINAL: ONDA SE PROPAGA NA MESMA DIREÇÃO DO PULSO Imagem: August Adolf Eduard Eberhard Kundt / Public Domain FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER VELOCIDADE DO SOM Vsólido > Vlíquido > Vgasoso FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER FREQUÊNCIA AUDÍVEL Audível Infrassom 20 Hz Ultrassom 20.000 Hz VELOCIDADE DO SOM NO AR 340 m/s a 20º 330 m/s a 0ºC FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER ALTURA: diferencia sons graves (baixo) de sons agudos (alto). Está relacionado à frequência da onda. agudo A grave A Imagem: Pluke / Public Domain FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER INTENSIDADE (VOLUME): diferencia sons fortes de sons fracos. Está relacionado à amplitude da onda. A Fraco A Forte Imagens: Pluke / Public Domain FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER TIMBRE: diferencia sons de mesma altura, mesma intensidade tocados em instrumentos diferentes. Está relacionado à forma da onda. Som Musical Simples Ruido, rock n’ roll, etc Imagens: SEE-PE FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER RESSONADORES • • • Cada instrumento musical possui uma "assinatura“ - um conjunto de características sonoras a ele associado que permite uma descrição matematicamente precisa dos sons que produz. Vimos que o som pode ser representado pela soma de diversas ondas individuais, conhecidas como componentes de Fourier. O resultado acústico da combinação de amplitudes, tempo de duração de cada um dos harmônicos presentes no som resultante, tipo do material de que é feito o instrumento e a forma de excitação do ar produz a forma sonora peculiar de cada instrumento, conhecida como timbre (2). Texto extraído do site: FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER NÍVEL SONORO é a relação entre a intensidade do som ouvido e a intensidade mínima. LIMIAR DE AUDIÇÃO: I0 = 10-12 W/m2 I 10. log10 ( ) I0 unidade: decibel(dB) FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER Escritório com máquinas de escrever Conversas em Lar tranquilo Sussurose Riso suave Sons Intensidade Sonora (db) 0 Limiar de audição 10 20 30 40 50 60 Sirene de Barco e Oficina de calderaria Tráfego urbano 70 80 90 100 110 ECO é a reflexão do som. Imagem: Marek Mazurkiewicz / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported. Sensação dolorosa 120 130 140 FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER HARMÔNICOS • • • • • A soma das diversas frequências individuais de uma onda sonora pode ser representada, genericamente, como (3): SOM = C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + ... Cada termo Ci corresponde a uma determinada frequência, múltipla da frequência do termo C1. Chamamos de "série harmônica”. Decomposição harmônica do Lá fundamental (Lá4), de 440 Hz: Primeiro harmônico (fundamental): 440 Hz. Segundo harmônico (primeiro sobretom): 880 Hz Terceiro harmônico(segundo sobretom): 1760 Hz FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER TUBOS SONOROS Tubo Sonoro Aberto As duas extremidade são abertas Tubo Sonoro Aberto Uma extremidade é fechada e a outra aberta FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER PRIMEIRO HARMÔNICO TUBOS ABERTOS v f f v 1 1 2l l 1 2 1 f1 v 1 f1 1 v 2l SEGUNDO HARMÔNICO l 2 2 2l 2 2 2 2v f2 f2 2 2l v Imagens: SEE-PE FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER TERCEIRO HARMÔNICO TUBOS ABERTOS 3 3 2l l 3 2 3 3 v f3 f3 3 2l v QUARTO HARMÔNICO 4 4 2l l 4 2 4 4v f4 f4 4 2l v Imagens: SEE-PE FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER Tubos abertos para harmônico n n n 2l l n 2 n nv fn fn n 2l v FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER PRIMEIRO HARMÔNICO TUBOS FECHADOS v f f v 1 1 4l l 1 4 1 1 v f1 f1 1 4l v TERCEIRO HARMÔNICO 3 3 4l l 3 4 3 3 v f3 f3 3 4l v Imagens: SEE-PE FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER QUINTO HARMÔNICO TUBOS FECHADOS 5 5 4l l 5 4 5 5v f5 f7 5 4l v SÉTIMO HARMÔNICO 7 7 4l l 7 4 7 7v f7 f7 7 4l v Imagens: SEE-PE FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER Tubos fechados para harmônico n Sendo n um número ímpar 4 n 4l l n n n v nv fn fn n 4l FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER O EFEITO DOPPLER DO SOM necessário distinguir as situações em que ele é causado pelo movimento da fonte ou do observador. Isso porque o som propaga-se no ar e ambos podem ter velocidades relativas a este. Já para a luz, que se propaga no vácuo, importa apenas a velocidade relativa entre a fonte e o observador (4). v Fonte Detector • No efeito Doppler do som, é Imagens: SEE-PE FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER EFEITO DOPPLER Observador(V) - + Fonte(VF) - + FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER f’ frequência aparente (percebida pelo ouvinte) f frequência real da fonte v vo f f .( ) v vF ´ v velocidadedo som vo velocidadedo observador vF velocidadeda fonte FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER CONCLUSÃO •Essa assinatura mostra que a Física está direta e intimamente ligada aos detalhes da percepção musical. Física e Música... a Arte, de um modo geral, nunca serão objetivas e precisas a ponto de serem uma unanimidade, mas a simetria e a beleza observadas nas leis que governam a combinação das estruturas matemáticas, usadas na descrição dos sons, guardam estreita relação com a área da Música conhecida como Harmonia. Nossa proposta foi apresentar alguns dos princípios em que a Acústica se baseia, os mecanismos de produção de som, o conceito das séries e da análise de Fourier e algumas das diferenças entre sons produzidos por diversos instrumentos e voz humana. Com isso, obtivemos os elementos necessários para distinguir sons gerados por diferentes instrumentos musicais mediante a análise da sua série harmônica ou “assinatura sonora”. •Assim, a Física e a Matemática permitem a descrição e a compreensão objetivas das infinitas possibilidades de combinação de sons criadas pelos grandes mestres da Música. Elas podem ser vistas em vez de ouvidas na análise dos sons de suas obras e no perfeito equilíbrio entre as formas de onda instintivamente combinadas para formá-las. Texto extraído do site: http://www.cea.inpe.br/~alex/FisicadaMusica/fisica_da_musica.pdf FÍSICA, 2º ANO Tópico – ONDAS SONORAS E EFEITO DOPPLER FIM DA AULA Tabela de Imagens Slide 3 5 6 7 9 e 10 Autoria / Licença Wilfredor / GNU Free Documentation License. Popular Science Monthly Volume 13 / Public Domain August Adolf Eduard Eberhard Kundt / Public Domain Zina Deretsky, National Science Foundation, USA/ Public Domain Pluke / Public Domain 11, 17, 18, 20, SEE-PE. 21 e 23 14 Marek Mazurkiewicz / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported. Link da Fonte Data do Acesso http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Marac a_tambor_y_furruco.svg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PSM_V 13_D058_Sound_waves_2.jpg?uselang=pt-br http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kundt_ tube.png http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hearin g_mechanics.jpg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CPTsound-pitchvolume.svg SEE-PE. 28/03/2012 28/03/2012 28/03/2012 28/03/2012 28/03/2012 28/03/2012 28/03/2012 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chirop tera_echolocation.svg