Acústica
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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.
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. 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. 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.
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.
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.
