Acústica

Etimologia

A palavra "acústico" deriva do grego ἀκουστικός, akoustikós, que significa "da audição ou para a audição" e "pronto para ouvir", e de ἀκουστός, akoustós, "ouvido, audível", que, por sua vez, vem do verbo ἀκούω, akoúō, "ouvir".

Em inglês, o termo correspondente de origem latina é sonic. Dele veio sonics, usado primeiro como sinônimo de acústica e depois para um de seus ramos. As frequências acima e abaixo da faixa audível são chamadas, respectivamente, de ultrassônicas e infrassônicas.

Primeiros estudos

No século VI a.C., o filósofo grego Pitágoras procurou entender por que algumas combinações de sons musicais pareciam mais belas que outras. Encontrou respostas nas razões numéricas da série harmônica de uma corda. Atribui-se a ele a observação de que, quando os comprimentos de cordas vibrantes estão em razões de números inteiros, como 2 para 3 ou 3 para 4, os sons produzidos são harmoniosos. Quanto menores os inteiros, maior a harmonia entre os sons. Por exemplo, o som de uma corda harmoniza especialmente bem com o de outra que tenha o dobro de seu comprimento, mantidas as demais condições. Na terminologia musical, se uma corda dedilhada produz a nota dó, outra com o dobro do comprimento produz um dó uma oitava abaixo. Em um sistema de afinação, as notas intermediárias correspondem às razões 16:9 para ré, 8:5 para mi, 3:2 para fá, 4:3 para sol, 6:5 para lá e 16:15 para si, em ordem ascendente de altura.

Aristóteles, que viveu de 384 a 322 a.C., entendia que o som consistia em compressões e rarefações do ar, que "se lança sobre o ar que está ao seu lado e o golpeia...", uma formulação próxima da natureza do movimento ondulatório. O tratado Sobre as coisas ouvidas, geralmente atribuído a Estratão de Lâmpsaco, relaciona a altura do som à frequência das vibrações do ar e à velocidade do som.

Por volta de 20 a.C., o arquiteto e engenheiro romano Vitrúvio escreveu um tratado sobre as propriedades acústicas dos teatros, no qual discutiu interferência, eco e reverberação. Esses estudos deram início à acústica arquitetônica. No livro V de De architectura, os dez livros de arquitetura, Vitrúvio comparou o som a uma onda na água que se estende em três dimensões. Ao encontrar obstáculos, ela retornaria e perturbaria as ondas seguintes. Para ele, a disposição ascendente dos assentos nos teatros antigos evitava essa deterioração do som. Recomendou também a instalação de vasos de bronze, chamados echea, com tamanhos adequados para ressoar em intervalos de quarta, quinta e outros, até a dupla oitava, reforçando as notas mais desejáveis e harmoniosas.

Na idade de ouro islâmica, Albiruni, que viveu de 973 a 1048, teria proposto que a velocidade do som era muito menor que a da luz.

A compreensão física dos processos acústicos avançou rapidamente durante e após a Revolução Científica. Galileu Galilei, 1564–1642, e Marin Mersenne, 1588–1648, estudaram as leis das cordas vibrantes, estabelecendo relações quantitativas entre o comprimento, a tensão e a frequência de vibração das cordas. Entre 1630 e 1680, pesquisadores como Mersenne conseguiram medir experimentalmente a velocidade do som no ar. Inspirado em Harmonie universelle, "Harmonia universal", publicada por Mersenne em 1636–1637, o estudioso jesuíta Athanasius Kircher, que vivia em Roma, iniciou pesquisas em acústica. Kircher publicou duas obras extensas sobre o tema, Musurgia universalis, "A arte universal de fazer música", em 1650, e Phonurgia nova, "A nova arte de produzir sons", em 1673. Isaac Newton, 1642–1727, examinou a propagação de ondas nos fluidos e sua relação com o som nos Principia, de 1687.

Do Iluminismo em diante

No século XVIII, os trabalhos de Euler, 1707–1783, Lagrange, 1736–1813, e d'Alembert, 1717–1783, fizeram a acústica avançar com bases matemáticas e físicas mais firmes. A física dos meios contínuos, ou teoria de campos, começou a adquirir uma estrutura matemática definida. A equação de onda surgiu no estudo de fenômenos distintos, entre eles a propagação do som no ar.

No século XIX, Helmholtz, na Alemanha, consolidou a acústica fisiológica. Na Inglaterra, lorde Rayleigh reuniu o conhecimento anterior e os resultados de suas próprias pesquisas em The Theory of Sound, de 1877. Os dois estiveram entre os principais pesquisadores da acústica matemática desse século. Wheatstone, Ohm e Henry também desenvolveram a analogia entre eletricidade e acústica.

No século XX, multiplicaram-se as aplicações tecnológicas do conhecimento científico acumulado. Os trabalhos de Sabine em acústica arquitetônica abriram esse caminho, seguido por outras aplicações. A acústica subaquática foi usada para detectar submarinos na Primeira Guerra Mundial. A gravação sonora e o telefone participaram das transformações que alcançaram a sociedade em escala mundial. Com a eletrônica e a computação, a medição e a análise do som ganharam precisão e recursos. As frequências ultrassônicas permitiram aplicações inteiramente novas na medicina e na indústria. Novos tipos de transdutores, dispositivos que geram ou recebem energia acústica, foram inventados e passaram a ser usados.

A norma ANSI/ASA S1.1-2013 define acústica como "a ciência do som, incluindo sua produção, transmissão e seus efeitos, inclusive os biológicos e psicológicos". O termo também se refere às "qualidades de um recinto que, em conjunto, determinam suas características quanto aos efeitos auditivos".

O estudo da acústica se concentra na geração, propagação e recepção de ondas mecânicas e vibrações.

As etapas do diagrama ocorrem em qualquer evento ou processo acústico. As causas podem ser naturais ou resultar de ações intencionais. Processos de transdução convertem outras formas de energia em energia sonora e produzem uma onda. A propagação dessa onda é regida pela equação de onda acústica, da qual resultam fenômenos diversos e muitas vezes de difícil análise. A onda transporta energia pelo meio em que se propaga. Essa energia volta a se transformar em outras formas, por processos naturais ou provocados intencionalmente. O efeito final pode ser apenas físico ou alcançar os processos biológicos e a ação voluntária. As mesmas cinco etapas ocorrem em um terremoto, no uso do sonar por um submarino para localizar um inimigo ou na apresentação de uma banda em um show de rock.

A propagação das ondas é a etapa central do processo acústico e pertence ao campo da acústica física. Nos fluidos, o som se propaga principalmente como uma onda de pressão. Nos sólidos, as ondas mecânicas podem assumir outras formas, como ondas longitudinais, transversais e superficiais.

A acústica examina primeiro os níveis de pressão e as frequências da onda sonora, além de sua interação com o ambiente. Essa interação pode envolver difração, interferência, reflexão ou uma combinação desses fenômenos. Quando há mais de um meio de propagação, também pode ocorrer refração. Os processos de transdução são outro objeto de estudo da acústica.

Propagação das ondas e níveis de pressão

Em fluidos como o ar e a água, as ondas sonoras se propagam como perturbações da pressão ambiente. Embora em geral sejam pequenas, essas perturbações podem ser percebidas pelo ouvido humano. O som mais fraco que uma pessoa consegue ouvir, chamado de limiar de audição, varia com a frequência e com as condições auditivas do ouvinte. O volume percebido dessas perturbações está relacionado ao nível de pressão sonora, ou NPS, medido em uma escala logarítmica em decibéis. No ar, a pressão de referência dessa escala é de 20 micropascais.

Para pequenas perturbações em um fluido homogêneo, inicialmente em repouso e sem dissipação, a conservação da massa e da quantidade de movimento, combinada com a relação entre pressão e densidade, conduz à equação de onda:

Nessa expressão, é a variação de pressão, é o tempo, é a velocidade do som e é o operador laplaciano. A velocidade depende das propriedades do meio e satisfaz , em que é o módulo de compressibilidade volumétrica e é a densidade de equilíbrio.

Propagação das ondas e frequência

Físicos e engenheiros acústicos costumam analisar os níveis de pressão sonora em função da frequência, em parte porque é assim que os ouvidos interpretam o som. Os sons que percebemos como mais agudos ou mais graves são vibrações de pressão com um número maior ou menor de ciclos por segundo. Em uma técnica comum de medição acústica, os sinais são amostrados ao longo do tempo e apresentados em formas que facilitam sua interpretação, como bandas de oitava ou gráficos de tempo e frequência. Esses dois métodos são usados para analisar o som e compreender melhor os fenômenos acústicos.

O espectro inteiro pode ser dividido nas faixas audível, ultrassônica e infrassônica. A faixa audível humana é convencionalmente situada entre cerca de 20 Hz e 20.000 Hz. Seus limites variam entre as pessoas, e a capacidade de ouvir frequências altas tende a diminuir com a idade. Nela ocorrem a comunicação pela fala e a música, entre outras aplicações. A faixa ultrassônica abrange frequências muito altas, de 20.000 Hz em diante. Seus comprimentos de onda menores permitem obter melhor resolução em técnicas de formação de imagens. Aplicações médicas como a ultrassonografia e a elastografia usam essa faixa. Na outra extremidade do espectro, as frequências mais baixas formam a faixa infrassônica, que pode ser usada no estudo de fenômenos geológicos, como os terremotos.

Instrumentos como o analisador de espectro facilitam a visualização e a medição dos sinais acústicos e de suas propriedades. O espectrograma produzido por esse instrumento mostra graficamente como o nível de pressão e as frequências variam com o tempo, dando a cada sinal acústico suas características.

Transdução em acústica

Um transdutor é um dispositivo que converte uma forma de energia em outra. Na eletroacústica, isso significa converter energia sonora em elétrica ou realizar o processo inverso. Entre os transdutores eletroacústicos estão os alto-falantes, microfones, sensores de velocidade de partícula, hidrofones e projetores de sonar. Esses dispositivos convertem ondas sonoras em sinais elétricos ou sinais elétricos em ondas sonoras. Os princípios de transdução mais usados são o eletromagnetismo, a eletrostática e a piezoeletricidade.

Os transdutores dos alto-falantes mais comuns, como woofers e tweeters, são dispositivos eletromagnéticos. Neles, uma bobina móvel eletromagnética movimenta um diafragma suspenso, que emite ondas de pressão. Os microfones de eletreto e os microfones condensadores usam a eletrostática. Quando a onda sonora atinge o diafragma, ele se move e provoca uma variação de tensão elétrica. Os sistemas de ultrassonografia médica usam transdutores piezoelétricos, feitos de cerâmicas especiais nas quais as vibrações mecânicas e os campos elétricos se relacionam por uma propriedade do próprio material.

Ambientes de medição

As câmaras anecoicas permitem medir uma fonte sonora com pouca interferência das reflexões do ambiente. Suas paredes, o teto e o piso recebem materiais absorventes, frequentemente em forma de cunhas. Esses recintos são usados, por exemplo, para testar microfones e alto-falantes. As câmaras reverberantes são usadas para medir a absorção sonora de materiais empregados em edifícios.

Um acústico é um especialista na ciência do som.

Formação

Os profissionais da acústica têm formações distintas, em geral um bacharelado ou uma titulação superior. Alguns se formam em acústica, enquanto outros chegam à área por cursos como física ou engenharia. Boa parte do trabalho exige uma base sólida em matemática e ciências. Muitos cientistas da área trabalham em pesquisa e desenvolvimento. Alguns fazem pesquisa básica sobre a percepção da fala, da música e do ruído, em campos como audição, psicoacústica e neurofisiologia. Outros investigam como o som se modifica ao atravessar ambientes, na acústica subaquática, arquitetônica ou estrutural. As demais áreas de atuação são apresentadas na seção de subdisciplinas. Esses cientistas trabalham em laboratórios governamentais, universitários e de empresas privadas. Muitos seguem carreira em engenharia acústica. Certos cargos, como os de docência universitária, exigem doutorado.

No Brasil, a Universidade Federal de Santa Maria, no Rio Grande do Sul, criou o primeiro curso de graduação em Engenharia Acústica do país em 2008. As primeiras turmas ingressaram no segundo semestre de 2009. A pesquisa também é desenvolvida em universidades brasileiras, nos departamentos de engenharia mecânica, engenharia elétrica e física. Na Universidade Federal de Santa Catarina, o Laboratório de Vibrações e Acústica apoia a formação de pesquisadores no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica.

Arqueoacústica

A arqueoacústica, também chamada de arqueologia do som, investiga as propriedades acústicas de sítios arqueológicos e os possíveis usos do som no passado. Em cavernas pré-históricas, o pesquisador Iegor Reznikoff usou a voz para examinar a ressonância e os ecos e comparar sua distribuição com a localização das pinturas rupestres. Entre as hipóteses examinadas estão o uso do som para orientação dentro das cavernas e em atividades rituais. A relação entre pinturas e propriedades acústicas também foi investigada com medições instrumentais. Em cinco cavernas do norte da Espanha, a associação entre a posição das figuras, a reverberação e a ressonância foi estatisticamente fraca, embora compatível com a hipótese de que o som participasse da escolha desses locais.

Aeroacústica

A aeroacústica estuda o ruído gerado pelo movimento do ar, por exemplo pela turbulência, e a propagação do som nesse fluido. Esse conhecimento foi aplicado nas décadas de 1920 e 1930 para detectar aeronaves antes da invenção do radar. Também é usado na engenharia acústica para estudar formas de reduzir o ruído das aeronaves. A aeroacústica ajuda ainda a explicar o funcionamento dos instrumentos musicais de sopro.

Processamento de sinais acústicos

O processamento de sinais acústicos consiste na manipulação eletrônica desses sinais. Suas aplicações abrangem o controle ativo de ruído, o projeto de aparelhos auditivos e implantes cocleares, o cancelamento de eco e a recuperação de informação musical. A codificação perceptual é usada em formatos como MP3 e Opus.

Acústica arquitetônica

A acústica arquitetônica, também chamada de acústica de edificações, estuda como obter boas condições sonoras dentro de um edifício. Em geral, examina a inteligibilidade da fala, a privacidade das conversas, a qualidade da música e a redução de vibrações nos espaços construídos. Os ambientes estudados com frequência são hospitais, salas de aula, residências, espaços de apresentações e estúdios de gravação e radiodifusão. Os estudos abrangem a acústica de salas, a transmissão de sons aéreos e de ruídos de impacto pelas estruturas, o controle de ruídos transmitidos pelo ar e pelas estruturas, além do controle do ruído das instalações prediais e dos sistemas eletroacústicos.

Em uma sala, as reflexões sucessivas nas superfícies prolongam o som depois que a fonte deixa de emiti-lo. Esse prolongamento é a reverberação. O tempo de reverberação é o intervalo necessário para o nível sonoro cair 60 dB após a interrupção da fonte. A escolha dos materiais absorventes ajuda a ajustar esse tempo ao uso da sala, como a apresentação de música ou a comunicação pela fala.

Bioacústica

A bioacústica estuda a audição e as vocalizações dos animais, além dos efeitos da acústica e dos sons de seus habitats sobre eles.

Eletroacústica

A eletroacústica estuda a gravação, a manipulação e a reprodução de áudio por meios eletrônicos. Suas aplicações vão de telefones celulares a grandes sistemas de sonorização pública e sistemas de realidade virtual em laboratórios de pesquisa.

Ruído ambiental e paisagens sonoras

A acústica ambiental estuda o ruído e as vibrações, além de seus efeitos sobre estruturas, objetos, seres humanos e animais.

O principal objetivo desses estudos é reduzir os níveis de ruído e vibração no ambiente. O trabalho e a pesquisa na área envolvem o desenvolvimento de modelos para simulações, técnicas de medição, estratégias de redução de ruído, normas e regulamentos. A pesquisa também examina os usos positivos do som nos ambientes urbanos, por meio do estudo das paisagens sonoras e da tranquilidade.

Entre as fontes de ruído e vibração estão as ferrovias, o tráfego rodoviário, as aeronaves, os equipamentos industriais e as atividades recreativas.

Acústica musical

A acústica musical estuda a física dos instrumentos acústicos, o processamento de sinal de áudio usado na música eletrônica, a análise de música e composição por computador, a percepção musical e a neurociência cognitiva da música.

Psicoacústica

A relação entre a acústica e a cognição é estudada pela psicoacústica, que investiga como a percepção e os processos biológicos se combinam no que ouvimos. Nesse campo, as propriedades físicas do som são relacionadas à percepção de altura, intensidade e timbre. A música também pode despertar emoções, cuja investigação envolve o processamento dos sinais pelo sistema auditivo e pelo cérebro. A teoria da detecção de sinais permite distinguir a capacidade de perceber um estímulo sonoro do critério usado pelo ouvinte para decidir se o ouviu.

Fala

Os especialistas em acústica estudam a produção, o processamento e a percepção da fala. O reconhecimento de fala e a síntese de fala são duas das principais áreas de processamento da fala por computador. Esse campo também abrange questões da física, da fisiologia, da psicologia e da linguística.

Vibração e dinâmica estrutural

A acústica estrutural estuda os movimentos dos sistemas mecânicos e suas interações com o ambiente, além dos métodos para medi-los, analisá-los e controlá-los.

• Análise modal
• Caracterização de materiais
• Monitoração da integridade estrutural
• Acústica de metamateriais
• Acústica do atrito

Suas aplicações abrangem o estudo das vibrações do solo causadas por ferrovias, o isolamento de vibrações em salas de cirurgia, a investigação dos danos que as vibrações podem causar à saúde, como a síndrome dos dedos brancos, o controle de vibrações para proteger edifícios de terremotos e a medição da propagação do som pelas estruturas dos edifícios.

Ultrassônica

A ultrassônica estuda sons de frequências altas demais para a audição humana. Suas especialidades abrangem os ultrassons médicos, entre eles a ultrassonografia, os sensores ultrassônicos, a sonoquímica, os ensaios por ultrassom, a caracterização de materiais e a acústica subaquática, com aplicações em sonar.

Acústica subaquática

A acústica subaquática estuda os sons naturais e os produzidos pelo ser humano debaixo d'água. Suas aplicações abrangem o sonar para localizar submarinos, o estudo da comunicação subaquática das baleias e a bioacústica marinha. A medição acústica da temperatura do mar também permite acompanhar as mudanças climáticas. Entre os fenômenos estudados estão os estalos dos camarões, produzidos pelo colapso de bolhas de cavitação geradas pelo fechamento de suas pinças.

Sociedades profissionais

• Sociedade Brasileira de Acústica, Sobrac
• Sociedade Portuguesa de Acústica, SPA
• Acoustical Society of America, ASA
• Australian Acoustical Society, AAS
• European Acoustics Association, EAA
• Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos, IEEE
• Institute of Acoustics, IoA, do Reino Unido
• Audio Engineering Society, AES
• Divisão de Controle de Ruído e Acústica da Sociedade dos Engenheiros Mecânicos dos Estados Unidos, ASME-NCAD
• International Commission for Acoustics, ICA
• Área de Aeroacústica do American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA
• International Computer Music Association, ICMA

Periódicos científicos

• Acoustics, periódico de acesso aberto da MDPI
• Acoustics Today
• Acta Acustica, anteriormente Acta Acustica united with Acustica
• Advances in Acoustics and Vibration
• Applied Acoustics
• Building Acoustics
• IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control
• Journal of the Acoustical Society of America, JASA
• JASA Express Letters, JASA-EL
• Journal of the Audio Engineering Society
• Journal of Sound and Vibration, JSV
• Journal of Vibration and Acoustics, da Sociedade dos Engenheiros Mecânicos dos Estados Unidos
• Noise Control Engineering Journal
• SAE International Journal of Vehicle Dynamics, Stability and NVH
• Ultrasonics
• Ultrasonics Sonochemistry
• Wave Motion

Conferências

• Congresso e Exposição Europeus de Engenharia de Controle de Ruído, EuroNoise
• Forum Acousticum
• Simpósio Internacional de Ultrassônica do IEEE
• Conferência Internacional InterNoise
• Conferência Internacional de Engenharia de Ruído e Vibrações, ISMA
• Congresso Internacional de Som e Vibração
• Conferência Internacional de Engenharia de Controle de Ruído, NoiseCon
• Conferência e Exposição de Ruído e Vibração da SAE

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