Acústica é o ramo da mecânica dos meios contínuos que estuda as ondas mecânicas em gases, líquidos e sólidos, abrangendo fenômenos como vibração, som, ultrassom e infrassom. Um cientista que trabalha nessa área é um acústico, enquanto um profissional que desenvolve aplicações tecnológicas da acústica pode ser chamado de engenheiro acústico. A acústica tem aplicações em quase todos os setores da sociedade moderna, sobretudo nas indústrias de áudio e de controle de ruído.
A audição é um dos sentidos dos quais mais depende a sobrevivência dos animais, e a fala é uma das características que mais distinguem o desenvolvimento e a cultura humanos. A acústica abrange atividades como música, medicina, arquitetura, produção industrial e guerra. Animais como pássaros canoros e rãs também usam o som e a audição nos rituais de acasalamento e na demarcação de territórios. Como em outros campos do conhecimento, as artes, os ofícios, a ciência e a tecnologia estimulam avanços uns nos outros. A "roda da acústica", de Robert Bruce Lindsay, é um esquema amplamente aceito dos campos de estudo da área.
História
Etimologia A palavra "acústico" deriva do grego , akoustikós, que significa "da audição ou para a audição" e "pronto para ouvir", e de , akoustós, "ouvido, audível", que, por sua vez, vem do verbo , 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 miniatura|A frequência fundamental e os primeiros seis sobretons de uma corda vibrante. Os primeiros estudos desse fenômeno são atribuídos ao filósofo Pitágoras, no século VI a.C.
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.C. Boyer e U. Merzbach. A History of Mathematics. Wiley 1991, p. 55.
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...",. Citação de Treatise on Sound and Hearing, de Aristóteles. 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.Bruce Lindsay. ACOUSTICS. Dowden, Hutchinson & Ross, Inc., capítulo 3. 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.Vitruvius Pollio. Vitruvius, the Ten Books on Architecture. Tradução de Morris Hickey Morgan, 1914, livro V, seções 6–8.Ernst Mach. Introdução a The Science of Mechanics: A Critical and Historical Account of its Development, 1893, 1960. Tradução de Thomas J. McCormack.
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.
miniatura|esquerda|Os princípios da acústica são aplicados desde a Antiguidade. Na imagem, um teatro romano em Amã
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.P. Findlen, Athanasius Kircher: The Last Man who Knew Everything, Routledge, 2004, p. 8 e 23. Kircher publicou duas obras extensas sobre o tema, Musurgia universalis, "A arte universal de fazer música", em 1650,Athanasius Kircher, Musurgia universalis sive Ars magna consoni et dissoni, Roma, Ludovici Grignani, 1650 e Phonurgia nova, "A nova arte de produzir sons", em 1673.Athanasius Kircher, Phonurgia nova, sive conjugium mechanico-physicum artis & natvrae paranympha phonosophia concinnatum, Campidonae: Rudolphum Dreherr, 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.
Definição
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.
alt=Etapas fundamentais de um processo acústico|O processo acústico fundamental
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.
Conceitos fundamentais
Propagação das ondas e níveis de pressão
miniatura|Espectrograma de uma menina dizendo "oh, no", expressão inglesa equivalente a "ah, não"
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.