Comprimento de onda, frequência e velocidade do som

Quando você toca música através de um alto-falante, a membrana do alto-falante é acionada, alternadamente entrando e saindo. Ao sair, a membrana comprime o ar bem na frente; ao retornar ao gabinete do alto-falante, deixa mais espaço para o ar na frente, fazendo com que ele se rarefaça.

Tanto a compressão quanto a rarefação são um distúrbio local, e o ar tentará encontrar equilíbrio. Quando o movimento da membrana aumenta a pressão local, as moléculas de ar bem na frente da membrana empurram as moléculas que estão um pouco mais distantes. Essas moléculas, por sua vez, empurram as moléculas ainda mais longe e assim por diante. Da mesma forma, quando a membrana se move de volta para a caixa, reduz a pressão local e as moléculas de ar seguem para preencher o espaço. Conseqüentemente, as moléculas mais distantes também devem seguir.

As próprias moléculas se movem um pouco para frente e para trás. O que realmente é transmitido de uma molécula para a próxima é a energia do movimento. A velocidade com que essa energia se propaga para longe da fonte é a velocidade do som. Como regra geral, a velocidade do som no ar é de 340 m/s, mas aumenta e diminui com a temperatura do ar:

Cair = (331 + 0.6 * T) m/s em que T é a temperatura do ar em °C.

Isso significa que um segundo depois que a membrana do alto-falante começou a se mover, um ouvinte a 340 metros de distância começará a ouvir alguma coisa.

Se durante esse segundo, a membrana do alto-falante fizer apenas um único ciclo de saída, entrada e retorno, dizemos que oscila na frequência de 1 Hz, o que equivale a um ciclo por segundo. Nesse ciclo, a pressão do ar na frente do alto-falante aumentará ao máximo antes que a membrana comece a se mover de volta para a caixa, fazendo com que a pressão diminua até atingir o mínimo e depois volte ao neutro.

Se pudéssemos parar o tempo após um segundo e caminhar 340 metros para longe do alto-falante, observaríamos a distribuição de pressão na frente do alto-falante refletindo a variação de pressão, formando assim um comprimento de onda completo.

A maioria dos humanos começa a ouvir sons a 20 Hz, ou seja, quando o alto-falante realiza 20 ciclos por segundo. O som ainda viaja na mesma velocidade da fonte e ainda leva um segundo antes que um ouvinte a uma distância de 340 metros comece a ouvir alguma coisa.

Entretanto, nesse tempo, o alto-falante já terá realizado 20 ciclos e, se pararmos novamente, teremos um padrão no ar em que a pressão varia 20 vezes entre o máximo e o mínimo. O comprimento de onda é definido como o comprimento desse padrão para um ciclo e, como podemos ajustar 20 ciclos na distância de 340 metros, o comprimento de onda para 20 Hz é 340 metros dividido por 20, que é 17 metros. Equivalentemente, para 20 kHz, que é a frequência mais alta que a maioria dos humanos pode ouvir, o comprimento de onda seria de 340 metros dividido por 20.000, ou seja, 1,7 cm.

Por que o comprimento de onda é importante?A importância do comprimento de onda é que ele nos ajuda a relacionar as dimensões dos objetos com as frequências no som. Isso é relevante para quase todas as disciplinas em acústica. Vamos apenas dar dois exemplos.

Na acústica da sala, o som se propaga em espaços confinados. Quando atingir uma parede, teto ou piso, ele será refletido novamente e interferirá com outras ondas sonoras da mesma ou de outras fontes. Se o comprimento de onda corresponder a uma ou várias dimensões da sala, essas ondas criarão os chamados 'padrões de ondas estacionárias', adicionando-se em algumas áreas (dando uma impressão crescente) e cancelando-se em outras (o som fica fraco). Portanto, o conhecimento dos comprimentos de onda para frequências relevantes pode ser utilizado com vantagem para acentuar certas frequências (por exemplo, a colocação de subwoofers em paredes ou mesmo em cantos) ou para evitar o efeito, se desejado, alterando a forma e as dimensões do quarto.

Tão importante quanto o tamanho da sala, é o tamanho dos objetos nela. Objetos significativamente menores que o comprimento de onda não refletem o som porque, se o comprimento de onda for grande, praticamente não haverá diferença de pressão no objeto, ou seja, a presença do objeto não importará. Por outro lado, se o comprimento de onda do som for comparativamente pequeno, o objeto atuará como um escudo e refletor. É por isso que mover-se atrás de uma coluna reduz fortemente as altas frequências (comprimentos de onda curtos), mas deixa o som de baixa frequência quase inalterado (comprimentos de onda longos), fazendo com que o som pareça monótono.

Comprimento de onda para 'som' no ar a 1 Hz: 340 m

Wavelength-frequency-and-speed-of-soundA: Essas moléculas já reagem ao movimento interno da membrana do alto-falante, movendo-se em direção à fonteB: 170 m = metade do comprimento de onda da membrana: as moléculas de ar estão em posição neutra e agora se movem em direção à membranaC: A frente de onda atingiu essas moléculas afastando-as da fonte

Comprimento de onda do som no ar a 20 Hz: 340 m / 20 = 17 m

Wavelength-frequency-and-speed-of-sound

Movimento da membrana

Wavelength-frequency-and-speed-of-soundA: Membrana e ar em posição neutraB: Membrana fora e ar comprimidoC: Membrana e ar rarefeitos

Velocidade do som em diferentes temperaturasPonto de congelamento 0 °C 331.6 m/sTemperatura ambiente 20 °C  343.0 m/sDeserto 45 °C 358.0 m/s

Saber como lembrar a velocidade do som no ar Você já contou o número de segundos que passaram desde o momento em que viu um relâmpago até ouvir o trovão?

Muitos saberão a regra de ouro que contar até três significa que o raio atingiu cerca de 1 km de distância. Com isso em mente, você pode calcular aproximadamente a velocidade do som: 1 km / 3 segundos ≈ 340 m/s.

Wavelength-frequency-and-speed-of-sound

Isso ocorre porque a velocidade da luz é de 300.000 km/s, então vemos o flash imediatamente, mesmo a vários quilômetros de distância. No entanto, a velocidade do som é de apenas aprox. 340 m/s, o trovão levará alguns segundos para percorrer apenas um único quilômetro.

Onda estacionária

Wavelength-frequency-and-speed-of-soundEsquerda: Corresponde à frequência mais baixa, ou seja, ao comprimento de onda mais longo: som muito forte nas paredes. Som fraco ou sem som no meio da sala

Direita: Combine com a próxima frequência mais alta, onde dois comprimentos de onda se encaixam na sala: som forte nas paredes e novamente no meio da sala, alternando com áreas de som fraco


Mais artigos sobre a física do ruído e vibração: