Acústica - Acoustics
Acústica é um ramo da física que lida com o estudo de ondas mecânicas em gases, líquidos e sólidos, incluindo tópicos como vibração , som , ultrassom e infra- som . Um cientista que trabalha na área de acústica é um acústico, enquanto alguém que trabalha na área de tecnologia acústica pode ser chamado de engenheiro acústico . A aplicação da acústica está presente em quase todos os aspectos da sociedade moderna, sendo os mais óbvios as indústrias de áudio e controle de ruído .
A audição é um dos meios mais importantes de sobrevivência no mundo animal e a fala é uma das características mais distintas do desenvolvimento e da cultura humana. Consequentemente, a ciência da acústica se espalha por muitas facetas da sociedade humana - música, medicina, arquitetura, produção industrial, guerra e muito mais. Da mesma forma, espécies animais como pássaros canoros e sapos usam o som e a audição como um elemento-chave dos rituais de acasalamento ou de marcação de territórios. Arte, artesanato, ciência e tecnologia se provocaram para o avanço do todo, como em muitos outros campos do conhecimento. "Wheel of Acoustics" de Robert Bruce Lindsay é uma visão geral bem aceita dos vários campos da acústica.
História
Etimologia
A palavra "acústico" é derivada da palavra grega ἀκουστικός ( akoustikos ), que significa "de ou para ouvir, pronto para ouvir" e de ἀκουστός ( akoustos ), "ouvido, audível", que por sua vez deriva do verbo ἀκούω ( akouo ), "Eu ouço".
O sinônimo Latina é "sonic", após o qual o termo Sonics costumava ser sinônimo de acústica e mais tarde um ramo da acústica. As frequências acima e abaixo da faixa audível são chamadas de " ultrassônicas " e " infra- sônicas ", respectivamente.
Pesquisa inicial em acústica
No século 6 aC, o antigo filósofo grego Pitágoras queria saber por que algumas combinações de sons musicais pareciam mais bonitas do que outras e ele encontrou respostas em termos de proporções numéricas que representam a série de tons harmônicos em uma corda. Diz-se que ele observou que, quando os comprimentos das cordas vibrantes são expressos como proporções de inteiros (por exemplo, 2 a 3, 3 a 4), os tons produzidos serão harmoniosos e, quanto menores os inteiros, mais harmoniosos os sons. Por exemplo, uma corda de um certo comprimento soaria particularmente harmoniosa com uma corda com o dobro do comprimento (outros fatores sendo iguais). Na linguagem moderna, se uma corda soa a nota C quando dedilhada, uma corda com o dobro do comprimento soará um C uma oitava abaixo. Em um sistema de afinação musical , os tons intermediários são dados por 16: 9 para Ré, 8: 5 para Mi, 3: 2 para Fá, 4: 3 para Sol, 6: 5 para A e 16:15 para B, em ordem crescente.
Aristóteles (384-322 aC) entendeu que o som consistia em compressões e rarefações de ar que "caem e atingem o ar que está próximo a ele ...", uma expressão muito boa da natureza do movimento das ondas . On Things Heard , geralmente atribuído a Strato de Lampsacus , afirma que o tom está relacionado à frequência das vibrações do ar e à velocidade do som.
Por volta de 20 aC, o arquiteto e engenheiro romano Vitruvius escreveu um tratado sobre as propriedades acústicas dos teatros, incluindo a discussão sobre interferência, ecos e reverberação - o início da acústica arquitetônica . No Livro V de seu De architectura ( Os Dez Livros de Arquitetura ), Vitruvius descreve o som como uma onda comparável a uma onda de água estendida a três dimensões, que, quando interrompida por obstruções, fluiria de volta e se quebraria nas ondas seguintes. Ele descreveu os assentos ascendentes em teatros antigos como projetados para evitar esta deterioração do som e também recomendou recipientes de bronze de tamanhos apropriados para serem colocados em teatros para ressoar com a quarta, quinta e assim por diante, até a oitava dupla, a fim de ressoar com as notas mais desejáveis e harmoniosas.
Durante a idade de ouro islâmica , acredita-se que Abū Rayhān al-Bīrūnī (973-1048) postulou que a velocidade do som era muito mais lenta do que a velocidade da luz.
A compreensão física dos processos acústicos avançou rapidamente durante e após a Revolução Científica . Principalmente Galileo Galilei (1564–1642), mas também Marin Mersenne (1588–1648), de forma independente, descobriu as leis completas das cordas vibratórias (completando o que Pitágoras e Pitagóricos haviam iniciado 2.000 anos antes). Galileu escreveu "As ondas são produzidas pelas vibrações de um corpo sonoro, que se espalham pelo ar, trazendo ao tímpano do ouvido um estímulo que a mente interpreta como som", uma afirmação notável que aponta para os primórdios da acústica fisiológica e psicológica . Medições experimentais da velocidade do som no ar foram realizadas com sucesso entre 1630 e 1680 por vários investigadores, principalmente Mersenne. Enquanto isso, Newton (1642-1727) derivou a relação para a velocidade da onda em sólidos, uma pedra angular da acústica física ( Principia , 1687).
Idade da Iluminação e em diante
Progresso substancial na acústica, baseado em conceitos matemáticos e físicos mais firmes, foi feito durante o século XVIII por Euler (1707-1783), Lagrange (1736-1813) e d'Alembert (1717-1783). Durante esta era, a física contínua, ou teoria de campo, começou a receber uma estrutura matemática definida. A equação de onda surgiu em vários contextos, incluindo a propagação do som no ar.
No século XIX, as principais figuras da acústica matemática foram Helmholtz na Alemanha, que consolidou o campo da acústica fisiológica, e Lord Rayleigh na Inglaterra, que combinou o conhecimento anterior com suas próprias contribuições abundantes para o campo em sua obra monumental A Teoria do Som (1877). Também no século 19, Wheatstone, Ohm e Henry desenvolveram a analogia entre eletricidade e acústica.
O século XX testemunhou o surgimento de aplicações tecnológicas do grande corpo de conhecimento científico que já existia. A primeira dessas aplicações foi o trabalho pioneiro de Sabine em acústica arquitetônica, e muitas outras se seguiram. A acústica subaquática foi usada para detectar submarinos na Primeira Guerra Mundial. A gravação de som e o telefone desempenharam papéis importantes na transformação global da sociedade. A medição e análise de som alcançaram novos níveis de precisão e sofisticação por meio do uso da eletrônica e da computação. A faixa de frequência ultrassônica possibilitou tipos totalmente novos de aplicação na medicina e na indústria. Novos tipos de transdutores (geradores e receptores de energia acústica) foram inventados e colocados em uso.
Conceitos fundamentais de acústica
Definição
A acústica é definida pela ANSI / ASA S1.1-2013 como "(a) Ciência do som , incluindo sua produção, transmissão e efeitos, incluindo efeitos biológicos e psicológicos. (B) As qualidades de uma sala que, juntas, determinam sua caráter no que diz respeito aos efeitos auditivos. "
O estudo da acústica gira em torno da geração, propagação e recepção de ondas e vibrações mecânicas.
As etapas mostradas no diagrama acima podem ser encontradas em qualquer evento ou processo acústico. Existem muitos tipos de causas, tanto naturais quanto volitivas. Existem muitos tipos de processos de transdução que convertem a energia de alguma outra forma em energia sônica, produzindo uma onda sonora. Existe uma equação fundamental que descreve a propagação da onda sonora, a equação da onda acústica , mas os fenômenos que emergem dela são variados e frequentemente complexos. A onda carrega energia por todo o meio de propagação. Eventualmente, essa energia é transduzida novamente em outras formas, de maneiras que podem ser naturais e / ou voluntariamente planejadas. O efeito final pode ser puramente físico ou pode atingir muito os domínios biológico ou volitivo. Os cinco passos básicos são considerados igualmente bem, quer estejamos falando sobre um terremoto , um submarino usando um sonar para localizar seu inimigo ou uma banda tocando em um show de rock.
O estágio central do processo acústico é a propagação das ondas. Isso se enquadra no domínio da acústica física. Nos fluidos , o som se propaga principalmente como uma onda de pressão . Em sólidos, as ondas mecânicas podem assumir muitas formas, incluindo ondas longitudinais , ondas transversais e ondas de superfície .
A acústica analisa primeiro os níveis de pressão e as frequências na onda sonora e como a onda interage com o ambiente. Essa interação pode ser descrita como uma difração , interferência ou uma reflexão ou uma mistura das três. Se vários meios estiverem presentes, uma refração também pode ocorrer. Os processos de transdução também são de especial importância para a acústica.
Propagação de ondas: níveis de pressão
Em fluidos como o ar e a água, as ondas sonoras se propagam como distúrbios no nível de pressão ambiente. Embora esse distúrbio geralmente seja pequeno, ainda é perceptível ao ouvido humano. O menor som que uma pessoa pode ouvir, conhecido como limiar da audição , é nove ordens de magnitude menor do que a pressão ambiente. A intensidade desses distúrbios está relacionada ao nível de pressão sonora (NPS), que é medido em uma escala logarítmica em decibéis.
Propagação de ondas: frequência
Físicos e engenheiros acústicos tendem a discutir os níveis de pressão sonora em termos de frequências, em parte porque é assim que nossos ouvidos interpretam o som. O que experimentamos como sons de "alta frequência" ou "baixa frequência" são vibrações de pressão com um número maior ou menor de ciclos por segundo. Em uma técnica comum de medição acústica, os sinais acústicos são amostrados no tempo e, em seguida, apresentados em formas mais significativas, como bandas de oitava ou gráficos de frequência de tempo. Ambos os métodos populares são usados para analisar o som e entender melhor o fenômeno acústico.
Todo o espectro pode ser dividido em três seções: áudio, ultrassônico e infra-sônico. A faixa de áudio fica entre 20 Hz e 20.000 Hz. Essa faixa é importante porque suas frequências podem ser detectadas pelo ouvido humano. Esta gama tem várias aplicações, incluindo comunicação por voz e música. A faixa ultrassônica se refere às frequências muito altas: 20.000 Hz e mais altas. Essa faixa tem comprimentos de onda mais curtos que permitem uma melhor resolução em tecnologias de imagem. As aplicações médicas, como ultrassonografia e elastografia, dependem da faixa de frequência ultrassônica. Na outra extremidade do espectro, as frequências mais baixas são conhecidas como faixa infra-sônica. Essas frequências podem ser usadas para estudar fenômenos geológicos como terremotos.
Instrumentos analíticos como o analisador de espectro facilitam a visualização e medição de sinais acústicos e suas propriedades. O espectrograma produzido por tal instrumento é uma exibição gráfica do nível de pressão variável com o tempo e perfis de frequência que dão a um sinal acústico específico seu caráter definidor.
Transdução em acústica
Um transdutor é um dispositivo para converter uma forma de energia em outra. Em um contexto eletroacústico, isso significa converter energia sonora em energia elétrica (ou vice-versa). Os transdutores eletroacústicos incluem alto - falantes , microfones , sensores de velocidade de partículas , hidrofones e projetores de sonar . Esses dispositivos convertem uma onda sonora de ou para um sinal elétrico. Os princípios de transdução mais amplamente usados são eletromagnetismo , eletrostática e piezoeletricidade .
Os transdutores na maioria dos alto-falantes comuns (por exemplo, woofers e tweeters ), são dispositivos eletromagnéticos que geram ondas usando um diafragma suspenso acionado por uma bobina eletromagnética de voz , enviando ondas de pressão. Microfones de eletreto e microfones condensadores empregam eletrostática - conforme a onda sonora atinge o diafragma do microfone, ela se move e induz uma mudança de voltagem. Os sistemas ultrassônicos usados em ultrassonografia médica empregam transdutores piezoelétricos. São feitos de cerâmicas especiais nas quais as vibrações mecânicas e os campos elétricos estão interligados por uma propriedade do próprio material.
Acústica
Um acústico é um especialista na ciência do som.
Educação
Existem muitos tipos de acústicos, mas geralmente eles têm um diploma de bacharel ou qualificação superior. Alguns possuem graduação em acústica, enquanto outros ingressam na disciplina por meio de estudos em áreas como física ou engenharia . Muito trabalho em acústica requer uma boa base em matemática e ciências . Muitos cientistas acústicos trabalham em pesquisa e desenvolvimento. Alguns conduzem pesquisas básicas para avançar nosso conhecimento da percepção (por exemplo , audição , psicoacústica ou neurofisiologia ) da fala , música e ruído . Outros cientistas acústicos avançam na compreensão de como o som é afetado à medida que se move através dos ambientes, por exemplo , acústica subaquática , acústica arquitetônica ou acústica estrutural . Outras áreas de trabalho estão listadas em subdisciplinas abaixo. Cientistas acústicos trabalham em laboratórios governamentais, universitários e da indústria privada. Muitos passam a trabalhar em Engenharia Acústica . Alguns cargos, como Docente (pessoal acadêmico), exigem um Doutor em Filosofia .
Subdisciplinas
Essas subdisciplinas são uma lista ligeiramente modificada da codificação PACS ( Physics and Astronomy Classification Scheme ) usada pela Acoustical Society of America .
Arqueoacústica
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A arqueoacústica , também conhecida como a arqueologia do som, é uma das únicas maneiras de vivenciar o passado com outros sentidos que não os olhos. A arqueoacústica é estudada testando as propriedades acústicas de sítios pré-históricos, incluindo cavernas. Iegor Rezkinoff, um arqueólogo do som, estuda as propriedades acústicas das cavernas por meio de sons naturais como zumbidos e assobios. As teorias arqueológicas da acústica são voltadas para fins ritualísticos, bem como uma forma de ecolocalização nas cavernas. Na arqueologia, sons acústicos e rituais se correlacionam diretamente, já que sons específicos foram criados para trazer os participantes do ritual para mais perto de um despertar espiritual. Os paralelos também podem ser traçados entre as pinturas nas paredes das cavernas e as propriedades acústicas da caverna; ambos são dinâmicos. Como a arqueoacústica é um assunto arqueológico relativamente novo, o som acústico ainda está sendo testado nesses sítios pré-históricos.
Aeroacústica
Aeroacústica é o estudo do ruído gerado pelo movimento do ar, por exemplo, por turbulência, e o movimento do som através do ar fluido. Esse conhecimento é aplicado em engenharia acústica para estudar como silenciar aeronaves . A aeroacústica é importante para entender como os instrumentos musicais de sopro funcionam.
Processamento de sinal acústico
O processamento de sinal acústico é a manipulação eletrônica de sinais acústicos. As aplicações incluem: controle de ruído ativo ; design para aparelhos auditivos ou implantes cocleares ; cancelamento de eco ; recuperação de informações musicais e codificação perceptual (por exemplo, MP3 ou Opus ).
Acústica arquitetônica
A acústica arquitetônica (também conhecida como acústica de edifícios) envolve a compreensão científica de como obter um bom som dentro de um edifício. Normalmente envolve o estudo da inteligibilidade da fala, privacidade da fala, qualidade da música e redução da vibração no ambiente construído.
Bioacústica
Bioacústica é o estudo científico da audição e do canto dos animais, bem como de como os animais são afetados pela acústica e pelos sons de seu habitat.
Eletroacústica
Esta subdisciplina se preocupa com a gravação, manipulação e reprodução de áudio por meio da eletrônica. Isso pode incluir produtos como telefones celulares , sistemas de endereço público em grande escala ou sistemas de realidade virtual em laboratórios de pesquisa.
Ruído ambiental e paisagens sonoras
A acústica ambiental preocupa-se com o ruído e a vibração causados por ferrovias, tráfego rodoviário, aeronaves, equipamentos industriais e atividades recreativas. O principal objetivo desses estudos é reduzir os níveis de ruído e vibração ambientais. O trabalho de pesquisa agora também tem foco no uso positivo do som em ambientes urbanos: paisagens sonoras e tranquilidade .
Acústica musical
A acústica musical é o estudo da física dos instrumentos acústicos; o processamento de sinal de áudio usado em música eletrônica; a análise computacional da música e composição, e a percepção e neurociência cognitiva da música .
Psicoacústica
Muitos estudos têm sido realizados para identificar a relação entre acústica e cognição , ou mais comumente conhecida como psicoacústica , em que o que se ouve é uma combinação de percepção e aspectos biológicos. As informações interceptadas pela passagem das ondas sonoras pelo ouvido são compreendidas e interpretadas pelo cérebro, enfatizando a conexão entre a mente e a acústica. Mudanças psicológicas foram observadas à medida que as ondas cerebrais diminuem ou aumentam como resultado de estímulos auditivos variáveis que podem, por sua vez, afetar a maneira como a pessoa pensa, sente ou mesmo se comporta. Essa correlação pode ser vista em situações normais do dia-a-dia, nas quais ouvir uma música otimista ou acelerada pode fazer com que o pé comece a bater ou uma música mais lenta pode deixar alguém calmo e sereno. Em um exame biológico mais profundo do fenômeno da psicoacústica, descobriu-se que o sistema nervoso central é ativado por características acústicas básicas da música. Ao observar como o sistema nervoso central, que inclui o cérebro e a coluna vertebral, é influenciado pela acústica, fica evidente a via pela qual a acústica afeta a mente e, essencialmente, o corpo.
Fala
Os acústicos estudam a produção, o processamento e a percepção da fala. O reconhecimento de fala e a síntese de fala são duas áreas importantes do processamento de fala usando computadores. O assunto também se sobrepõe às disciplinas de física, fisiologia , psicologia e linguística .
Ultrassônico
O ultrassom lida com sons em frequências muito altas para serem ouvidos por humanos. Os especialistas incluem ultrassom médico (incluindo ultrassonografia médica), sonoquímica , teste ultrassônico , caracterização de materiais e acústica subaquática ( sonar ).
Acústica subaquática
A acústica subaquática é o estudo científico de sons naturais e artificiais debaixo d'água. As aplicações incluem sonar para localizar submarinos , comunicação subaquática por baleias , monitoramento de mudanças climáticas por meio da medição acústica da temperatura do mar , armas sônicas e bioacústica marinha.
Vibração e dinâmica
Este é o estudo de como os sistemas mecânicos vibram e interagem com seus arredores. As aplicações podem incluir: vibrações de solo de ferrovias; isolamento de vibração para reduzir a vibração em salas de cirurgia; estudar como a vibração pode prejudicar a saúde ( vibração do dedo branco ); controle de vibração para proteger um edifício de terremotos ou medir como o som transmitido pela estrutura se move através dos edifícios.
Sociedades profissionais
- The Acoustical Society of America (ASA)
- Australian Acoustical Society (AAS)
- A European Acoustics Association (EAA)
- Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE)
- Instituto de Acústica (IoA Reino Unido)
- The Audio Engineering Society (AES)
- Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos, Divisão de Controle de Ruído e Acústica (ASME-NCAD)
- Comissão Internacional de Acústica (ICA)
- Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica, Aeroacústica (AIAA)
- International Computer Music Association (ICMA)
Revistas acadêmicas
- Acta Acustica unida a Acustica
- Acústica Aplicada
- Jornal da Acoustical Society of America (JASA)
- Jornal da Acoustical Society of America, Express Letters (JASA-EL)
- Journal of the Audio Engineering Society
- Jornal de som e vibração (JSV)
- Journal of Vibration and Acoustics Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos
- Ultrasônicos (jornal)
Veja também
- Esboço da acústica
- Atenuação acústica
- Emissão acústica
- Engenharia acústica
- Impedância acústica
- Levitação acústica
- Localização acústica
- Fonética acústica
- Streaming acústico
- Etiquetas acústicas
- Termometria acústica
- Onda acústica
- Audiologia
- Ilusão auditiva
- Difração
- efeito Doppler
- Acústica de pesca
- Heliosismologia
- Onda de cordeiro
- Elasticidade linear
- O Pequeno Livro Vermelho da Acústica (no Reino Unido)
- Onda longitudinal
- Terapia musical
- Poluição sonora
- Phonon
- Ultra-som de picossegundo
- Onda Rayleigh
- Onda de choque
- Sismologia
- Sonificação
- Sonoquímica
- Insonorização
- Paisagem Sonora
- Explosão sônica
- Sonoluminescência
- Onda acústica de superfície
- Termoacústica
- Onda transversal
- Equação de onda
Referências
Leitura adicional
- Benade, Arthur H. (1976). Fundamentos de Acústica Musical . Nova York: Oxford University Press. OCLC 2270137 .
- Biryukov, SV; Gulyaev, YV; Krylov, VV; Plessky, VP (1995). Ondas acústicas de superfície em meios não homogêneos . Springer. ISBN 978-3-540-58460-5.
- Crocker, Malcolm J., ed. (1997). Enciclopédia de Acústica (4 volumes) . Nova York: J. Wiley & Sons. OCLC 441305164 .( Volume 4 está disponível no Internet Archive ( registro necessário ) )
- Falkovich, G. (2011). Mecânica dos Fluidos, um minicurso para físicos . Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-00575-4.
- Fahy, Frank J .; Gardonio, Paolo (2007). Som e vibração estrutural: radiação, transmissão e resposta (2ª ed.). Amsterdam: Academic Press. ISBN 978-0-08-047110-5.
- Junger, MC; Feit, D. (1986). Som, estruturas e sua interação (2ª ed.). Cambridge (Massachusetts); Londres: MIT Press. Arquivado do original em 05/06/2014.
- Kinsler, Lawrence E. (1999). Fundamentals of Acoustics (4ª ed.). Nova York: Wiley. ISBN 978-04718-4-789-2.
- Mason WP, Thurston RN Physical Acoustics (1981)
- Philip M. Morse e K. Uno Ingard, 1986. Acústica Teórica (Princeton University Press). ISBN 0-691-08425-4
- Allan D. Pierce, 1989. Acoustics: An Introduction to its Physical Principles and Applications (Acoustical Society of America). ISBN 0-88318-612-8
- DR Raichel, 2006. The Science and Applications of Acoustics, segunda edição (Springer). ISBN 0-387-30089-9
- Rayleigh, JWS (1894). A Teoria do Som . Nova York: Dover. ISBN 978-0-8446-3028-1.
- E. Skudrzyk, 1971. The Foundations of Acoustics: Basic Mathematics and Basic Acoustics (Springer).
- Stephens, RWB; Bate, AE (1966). Acoustics and Vibrational Physics (2ª ed.). Londres: Edward Arnold.
- Wilson, Charles E. (2006). Controle de ruído (edição revisada). Malabar, FL: Krieger Publishing Company. ISBN 978-1-57524-237-8. OCLC 59223706 .