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
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Tópico – ONDAS SONORAS
E EFEITO DOPPLER
PRIMEIRO HARMÔNICO
TUBOS ABERTOS
v  f  f 
v

1 1
2l
l
 1 
2
1
f1 
v
1
 f1 
1 v
2l
SEGUNDO HARMÔNICO
l
2  2
2l
 2 
2
2
2v
f2   f2 
2
2l
v
Imagens: SEE-PE
FÍSICA, 2º ANO
Tópico – ONDAS SONORAS
E EFEITO DOPPLER
TERCEIRO HARMÔNICO
TUBOS ABERTOS
3  3
2l
l
 3 
2
3
3 v
f3   f3 
3
2l
v
QUARTO HARMÔNICO
4  4
2l
l
 4 
2
4
4v
f4   f4 
4
2l
v
Imagens: SEE-PE
FÍSICA, 2º ANO
Tópico – ONDAS SONORAS
E EFEITO DOPPLER
Tubos abertos para harmônico n
n  n
2l
l
 n 
2
n
nv
fn 
 fn 
n
2l
v
FÍSICA, 2º ANO
Tópico – ONDAS SONORAS
E EFEITO DOPPLER
PRIMEIRO HARMÔNICO
TUBOS FECHADOS
v  f  f 
v

1 1
4l
l
 1 
4
1
1 v
f1   f1 
1
4l
v
TERCEIRO HARMÔNICO
3  3
4l
l
 3 
4
3
3 v
f3   f3 
3
4l
v
Imagens: SEE-PE
FÍSICA, 2º ANO
Tópico – ONDAS SONORAS
E EFEITO DOPPLER
QUINTO HARMÔNICO
TUBOS FECHADOS
5  5
4l
l
 5 
4
5
5v
f5   f7 
5
4l
v
SÉTIMO HARMÔNICO
7  7
4l
l
 7 
4
7
7v
f7   f7 
7
4l
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
4l
l
 n 
n
n
v
nv
fn 
 fn 
n
4l
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
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tera_echolocation.svg
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Ondas sonoras e efeito Doppler