As ondas sonoras e os seus atributos

O ouvido humano detecta frequências aproximadamente entre $20\ \text{Hz}$ e $20\ \text{kHz}$. O esquema mostra as três zonas do espectro sonoro:

Classifique as seguintes ondas sonoras em infrassons, sons audíveis ou ultrassons, e justifique a classificação:

1. a) $15\ \text{Hz}$ (comunicação entre elefantes).
2. b) $440\ \text{Hz}$ (a nota «lá» de um diapasão).
3. c) $45\ \text{kHz}$ (ecolocalização de um morcego).
4. d) $3\ \text{MHz}$ (ecografia médica).

Um diapasão vibra a $440\ \text{Hz}$ (velocidade do som no ar: $340\ \text{m/s}$).

1. a) Calcule o período da onda sonora gerada.
2. b) Calcule o seu comprimento de onda no ar.

Não ouvimos os ultrassons emitidos pelos morcegos ($f > 20\ \text{kHz}$) nem os infrassons com que os elefantes se comunicam ($f < 20\ \text{Hz}$).

1. a) Explique por quê, recorrendo ao conceito de faixa de audibilidade (espectro audível).
2. b) Os comprimentos de onda dos infrassons são muito grandes: deduza que vantagem isso representa para a comunicação a grandes distâncias, pensando no fenômeno da difração diante dos obstáculos do terreno.

Os três atributos fisiológicos do som são a altura, a intensidade e o timbre.

1. a) Associe cada atributo à grandeza física da onda que o determina: frequência, amplitude (energia transportada) ou forma da onda.
2. b) Dê um exemplo musical de cada um: dois sons que difiram apenas na altura, apenas na intensidade e apenas no timbre.

Um violino e uma flauta tocam a mesma nota ($440\ \text{Hz}$) com a mesma intensidade e, no entanto, distinguem-se perfeitamente.

1. a) Que qualidade do som permite isso e com que grandeza da onda ela se relaciona?
2. b) Explique o papel dos harmônicos (componentes de frequências múltiplas da fundamental) nessa diferença.
3. c) Desenhe no seu caderno, de forma qualitativa, a forma de onda esperada para cada instrumento e compare-a com a de um tom puro.

Você pode fazê-lo em papel e enviar uma foto com a sua resposta.

Um aparelho de ultrassonografia emite ultrassons de $3\ \text{MHz}$ que se propagam pelos tecidos moles a $1540\ \text{m/s}$. O esquema mostra o percurso do pulso.

1. a) Calcule o comprimento de onda do ultrassom no tecido.
2. b) O eco da parede posterior de um órgão retorna $1,3 \cdot 10^{-4}\ \text{s}$ após a emissão: calcule a que profundidade ela se encontra, lembrando o percurso de ida e volta do pulso.

Um morcego emite ultrassons de $80\ \text{kHz}$ (velocidade do som no ar: $340\ \text{m/s}$).

1. a) Calcule o comprimento de onda e expresse-o em milímetros.
2. b) O eco produzido por uma traça retorna $0,05\ \text{s}$ após a emissão: calcule a distância até a presa.
3. c) Os objetos muito menores do que o comprimento de onda quase não refletem a onda: justifique por que o morcego usa frequências tão altas para caçar insetos pequenos.

Associe cada aplicação ao tipo de onda sonora que utiliza (infrassom, som audível ou ultrassom) e justifique a escolha:

1. a) Uma ultrassonografia para observar um feto.
2. b) Um morcego localizando insetos no escuro.
3. c) Um sismógrafo registrando um terremoto distante.
4. d) Um sonar de pesca para localizar cardumes.

Em uma ultrassonografia abdominal, um mesmo impulso gera dois ecos sucessivos: o da parede anterior de um órgão retorna aos $6 \cdot 10^{-5}\ \text{s}$ e o da parede posterior aos $9 \cdot 10^{-5}\ \text{s}$ (velocidade do som no tecido: $1540\ \text{m/s}$). O esquema mostra os dois ecos.

1. a) Calcule a profundidade de cada parede, lembrando o percurso de ida e volta.
2. b) Deduza a espessura do órgão.
3. c) Explique como o aparelho de ultrassom reconstrói uma imagem bidimensional a partir de muitos impulsos e ecos como estes, varrendo diferentes direções.

As baleias se comunicam com sons de cerca de $20\ \text{Hz}$.

1. a) Calcule o comprimento de onda desse som no ar ($340\ \text{m/s}$) e na água do mar ($1500\ \text{m/s}$).
2. b) Justifique, a partir do fenômeno da difração, por que essas frequências tão baixas permitem a comunicação a centenas de quilômetros apesar dos obstáculos do fundo marinho.
3. c) A absorção da água aumenta com a frequência (dado): justifique por que as baleias não utilizam nessas comunicações a distância as frequências altas que os golfinhos empregam em distâncias curtas.

Na ultrassonografia, o tamanho mínimo de estrutura que pode ser distinguido é da ordem de grandeza de um comprimento de onda (dado: velocidade do som no tecido $1540\ \text{m/s}$).

1. a) Calcule o comprimento de onda e a resolução correspondente para uma sonda de $3\ \text{MHz}$ e para uma sonda de $10\ \text{MHz}$, em milímetros.
2. b) A absorção dos tecidos aumenta com a frequência (dado): discuta o compromisso entre resolução e profundidade de exploração.
3. c) Justifique qual sonda você escolheria para examinar um órgão profundo como o fígado e qual você escolheria para uma estrutura superficial como a tireoide.