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FFI0210 Acústica Física
Sistema auditivo
Prof. Dr. José Pedro Donoso
Universidade de São Paulo
Instituto de Física de São Carlos - IFSC
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Agradescimentos
Os docentes da disciplina gostariam de expressar o seu
agradecimento as editoras LTC (Livros Tecnicos e Científicos),
Cengage Learning e E. Blucher pelo acesso às figuras dos livros
textos: ” Fisica ” de Tipler & Mosca e “ Fundamentos de Física ” de
Halliday, Resnick e Walker (LTC), “ Principios de Física ” de Serway
& Jewett (Cengage Learning) e “ Acústica Aplicada ao Controle do
Ruído ” (Blucher).
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Anatomia da ouvido humano
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Som e Audição - Biblioteca Cientifica Life (Livraria J. Olympio, 1982)
Ouvido externo
O processo da audição começa quando as ondas sonoras
entram no conduto do ouvido externo. Este conduto condensa
as ondas a as leva ao tímpano.
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Ouvido externo
O canal auditivo tem um diâmetro médio de 7 mm e comprimento em torno de 30
mm. Se trata essencialmente, de um duto, fechado na extremidade pelo tímpano. A
frequência de ressonância para este duto é da ordem de 3400 Hz.
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Tipler & Mosca, Física (LTC, 2009), Serway & Jewett, Princípios de Física (Cengage, 2004)
Cálculo da frequência de ressonância do canal auditivo
Consideramos o canal auditivo como uma
coluna de ar aberta em uma extremidade e
fechada na outra, de comprimento L
As frequências de ressonância na faixa
audível são três: f1 = 3400 Hz, f3 = 10.1 kHz
e f5 = 16.9 kHz
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Função de transferência
O som que chega ao tímpano é afetado pela função de transferência na
entrada do canal auditivo e pela função de transferência do conduto auditivo
externo. A primeira ressonância do canal auditivo explica a maior sensibilidade
do ouvido entre 3 e 5 kHz.
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Som e Audição - Biblioteca Cientifica Life (Livraria J. Olympio, 1982)
Ouvido médio
Os ossículos (martelo, bigorna e estribo) formam uma ponte
conduzindo as vibrações do tímpano até o ouvido interno. As
ondas chegam sob a forma de energia mecânica amplificada.
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Ouvido médio
O ouvido médio consiste no tímpano e em
tres ossículos: martelo, bigorna e estribo.
Ele transfere, através dos ossículos, o
movimento vibratório do tímpano para a
janela oval da cóclea.
Na ausência dele, apenas 0.8% da
energia sonora incidente seria transmitida
para a cóclea. A função do ouvido médio é
então cassar as impedâncias e amplificar
a amplitude do som
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Urone, Physics with health science applications (Wiley 1986)
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Rossing, The Sience of Sound (Addison Wesley 1990)
Amplificação da pressão sonora
Se concentramos toda a força
que o som exerce no tímpano
sobre uma área menor, a
pressão sonora P aumentará
proporcionalmente.
Area do tímpano: 55 mm2
Area da janela oval: 3.2 mm2.
⇒ P aumenta num fator 17
Os ossículos formam um sistema de alavancas que
aumentam ainda mais a pressão (num fator de aprox. 1.4).
No total, os dois mecanismos provocam um aumento da
pressão sonora de aprox. 24 vezes
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Função de transferência do ouvido médio
A função de transferência foi obtida medindo-se a pressão sonora imediatamente
atrás da janela oval, dentro da cóclea, aplicando pressões sonoras constantes no
tímpano. O casamento de impedâncias proporcionado pelo ouvido médio resulta
numa perfeita transmissão para a cóclea, da energia sonora incidente no tímpano.
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Som e Audição - Biblioteca Cientifica Life (Livraria J. Olympio, 1982)
Ouvido interno
A força exercida pelo estribo sobre a janela oval se converte dentro do ouvido
interno cheio de líquido, em ondas de preessão. Fluindo sobre a membrana
basilar, criam ondulações que estimulam os sensíveis orgãos de Corti.
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Ouvido interno
O ouvido interno consiste no laberinto ósseo (cavidades e canais dentro do osso
temporal) e no laberinto membranáceo, composto de dutos e da cóclea .
O nervo vestibular transmite para o cérebro os sinais elétricos gerados pelo sistema
vestibular (responsável pelo equilíbrio) e o nervo coclear transmite os sinais elétricos
gerados pela cóclea (responsável pela codificação das informações sonoras)
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Bistafa, Acústica aplicada aocontrole do ruído (Blucher, 2011)
A cóclea
O movimento vibratório do tímpano é transmitido
para a cóclea através dos ossículos. A janela oval é
a região de conexão do estribo com a cóclea. O
movimento vibratório gerado pelo estribo na janela
provoca ondas de pressão na perlinfa, um líquido
semelhante ao fluido cérebro-espinal.
Num adulto, a membrana basilar tem cerca de 34
mm de comprimento. Por causa da variação
gradual da largura e da espessura, há um
decrécimo de 10 mil vezes na sua rigidez, desde a
base até o ápice, o que dá a ela a sua função
fundamental de análise de frequências.
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Corte de uma seção transversal dos dutos da cóclea em que se observa o
chamado orgão de Corti (em homenagem ao médico italiano Alfonso Corti,
1822-1876), assentado sobre a membrana basilar.
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
A rigidez determina a frequência de ressonância de uma estrutura. Como a rigidez
da membrana basilar varia entre suas extremidades, as diferentes frequências de
som excitam diferentes regiões dela: as altas freq. excitam a extremidade basal e
as baixas a extremidade apical. A excitação sempre tem início na base. A medida
que a onda se propaga, a sua amplitude chega ao maximo numa certa região.
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Corpo Humano - Biblioteca Ciência & Natureza Life Life (Abril Livros, 1995)
A cóclea registra tons de alta frequência (1500 a 20.000 Hz) em
sua base, e de baixa frequência (20 a 500 Hz) na ponta
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Bistafa, Acústica aplicada aocontrole do ruído (Blucher, 2011)
Regiões da membrana basilar que são
excitadas por tons puros de baixa (200 Hz),
média (1500 Hz) e alta frequência (8000 Hz).
Esta característica é conhecida como
codificação localizada
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
No caso de sons complexos, cada componente espectral
excita a membrana basilar no mesmo local que o faia um tom
puro. A figura mostra a codificação da membrana para um som
com picos nas frequências de 2500, 1500 e 700 Hz.
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
O orgão de Corti
Essa estrutura se assenta na membrana basilar. Basicamente ele é um
transdutor eletromecânico : transforma o movimento vibratorio da membrana
basilar em sinais elétricos. Ele é composto por 4 mil células ciliadas internas e
16 mil externas, dispostas em fileiras. Elas captam os movimentos da
membrana e passam os sinais as células nervosas (neurônios).
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Codificação do som pelos neurônios
Codificação localizada: refere-se a regîão da membrana basilar que é excitada
Codificação da intensidade: associada a taxa de descarga de sinais elétricos gerados
pelos neurônios
Codificação temporal: as células ciliadas podem, coletivamente, responder a cada ciclo
de estímulo. O processo é conhecido como chaveamento de fase (phase locking)
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Informações do som são captados,
processados e codificados pelo
ouvido, e enviadas ao cérebro pelas
fibras nervosas auditivas. No nível
psíquico, o cérebro interpreta as
informações recebidas e determina
seu significado.
O som é caracterizado por grandezas
físicas enquanto as sensações são
caracterizadas por grandezas
psicoacústicas
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Um grupo de ouvintes foi solicitado a julgar quando um tom puro se tornava audível
e desconfortável. O resultado mostra que a sensação subjetiva de intensidade
depende da frequência do som. Um tom puro de 100 Hz será subjetivamente
percebido com menor intensidade do que um tom puro de 1000 Hz
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
A fim de medir a intensidade subjetiva dos sons, foi criada uma
grandeza psicoacústica chamada nível de audibilidade , cuja referência
é o nível sonoro de um tom puro em 1000 Hz, e a unidade é o fone .
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Bistafa, Acústica aplicada ao controle do ruído (Blucher, 2011)
Para sons que competem pelas células ciliadas de uma mesma banda, o limiar
diferencial do nível de audibilidade é de aprox. 3 fones. Para medir a variação
subjetiva de intensidade ao se variar o nível de audibilidade de um tom puro, foi
criada uma grandeza: a audibilidade , cuja unidade é o sone .
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A especialização nos hemisférios cerebrais
Esquerdo: governa a linguagem e a fala (significado das palavras), a especifidade das
imagens, o ritmo e as sequências de sons melódicos
Direito: controla as funções sensoriais (entonação da fala e seu conteúdo emocional, a
altura, timbre, tonalidade e harmonia) e texto cantado
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Roederer, Introdução a Fisica e Psicofísica da Música (Edusp, 1998)
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Referências bibliográficas
• Acústica aplicada ao controle de ruído, Sylvio Bistafa (Ed. Blucher, 2011)
• A acustica musical. Flo Menezes (Atelié editorial, 2004)
• Physics and the sound of music, J.S. Rigden, 2nd edition (Wiley 1985)
• Introdução a física e psicofísica da música. J.G. Roederer (Edusp, 1998)
• Physics with health science applications. P. Urone (Wiley, 1986)
•The Science of Sound, Thomas Rossing (Addison Wesley, 1990)