E se víssemos os sons?

Você pode ver o swell, uma onda mecânica que se propaga na superfície da água; você também pode ver um terremoto; mas podemos ver uma onda sonora? E se fosse possível? Veremos que essa pergunta aparentemente simples abre cenários educacionais interessantes para usar o método de investigação com os alunos.

1. Podemos ver um som?

A experiência mostra que não podemos ver um som: quer a música seja alta ou não, quer uma nota seja aguda ou grave, a aparência visual do mundo que nos rodeia não muda de acordo com os sons que são emitidos à nossa volta. Para detetar um som parece que apenas nos esforçamos para recorrer a dois sentidos, o da audição, e, para sons muito baixos ou muito altos, o tato. Um som é criado por um objeto vibrando em um meio como o ar ou a água. Os movimentos do objeto comprimem então relaxam o meio imediato ao redor do objeto, por exemplo o ar, e essas variações de pressão se propagam progressivamente no resto do meio, que é a onda sonora. Como outras ondas mecânicas, a onda sonora não gera um deslocamento da matéria, mas uma perturbação dela. Leonardo da Vinci, o primeiro a vislumbrar o mecanismo do swell, fez esta analogia: "Vemos no mês de maio correndo pelo campo as ondulações que o vento faz no trigo, e mesmo assim o trigo não se mexeu" .

Por que não podemos ver um som? Às vezes é dito que você não pode ver um som porque o ar é transparente. Esta explicação é inadequada. Não é porque o ar é transparente que não se pode ver o som, mas porque as características de transmissão da luz no ar variam muito pouco com a pressão (aproximadamente 0,025% para o dobro da pressão atmosférica). Como a onda sonora é uma variação da pressão, não se pode ver o efeito do som no meio ao atravessá-lo, pois as características ópticas do meio não são sensivelmente afetadas por sua passagem. Seria diferente se, por exemplo, o índice de refração do ar variasse muito com a pressão, então poderíamos ver distorções dos raios de luz como vemos a quebra de uma faca em um copo d'água devido à diferença de índice de refração entre o ar e água. Nesse mundo, cada novo ruído causaria distorções visuais na forma de ondas circulares cuja fonte, frequência e intensidade dependeriam dos objetos emissores, e que interfeririam entre si... Além do índice de refração, podemos imaginar que outras características ópticas também podem ser modificadas pelas variações de pressão do meio, levando, por exemplo, a variações de cor ou luminosidade. Atravessar uma rua movimentada se tornaria uma verdadeira experiência psicodélica!

Supondo que as características de transmissão da luz no ar sejam sensíveis o suficiente à pressão, ainda poderíamos ver uma onda sonora? Para que uma onda sonora se qualifique como uma onda sonora, ela deve ter uma frequência alta o suficiente para que nossa audição seja capaz de percebê-la. Porém, para ser percebida por esse sentido, a onda sonora deve vibrar pelo menos 20 oscilações por segundo, ou 20 hertz, o que é muito mais rápido que a frequência de uma onda (cerca de uma oscilação a cada 10 segundos) ou de um terremoto (várias oscilações por segundo). A voz humana "vibra" em 250-500 oscilações por segundo. Poderíamos ver variações do meio a esta velocidade? É frequentemente mencionado que a taxa de aquisição de imagens do olho é de aproximadamente 20 imagens por segundo. De fato, pesquisadores do MIT mostraram que, quando um sujeito pode antecipar um evento, ele é capaz de reconhecer uma imagem em apenas 13 milissegundos, o que corresponde a uma frequência de aquisição de 76 imagens por segundo. Essa taxa é muito menor do que a frequência normal de um som e o que podemos detectar melhor pela visão é um movimento embaçado, muito parecido com a vibração das cordas de um violão. Devemos, portanto, concluir que mesmo que as características do meio em que a onda sonora evolui pudessem, em teoria, torná-la visível, não seria possível "vê-la" devido à rapidez do fenômeno. Provavelmente veríamos apenas um borrão mais ou menos marcado em torno das fontes.

2. Como ver um som

Diante dessas dificuldades, os cientistas desenvolveram diversos tipos de abordagens para enxergar um som e assim poder realizar suas pesquisas sobre os fenômenos acústicos.

Uma primeira tentativa vem de Galileu, que detecta o aparecimento de padrões em uma placa vibratória. Foi o físico Ernst Chladni quem formalizou o fenômeno no final do século 18, usando placas de metal, nas quais fez a areia vibrar com um arco. A matemática Sophie Germain alguns anos depois dará a primeira modelagem matemática das figuras de Chladni, trabalho pelo qual ela obtém o grande prêmio de ciências matemáticas em 1815. As figuras de Chladni permitem visualizar a localização dos nós de vibração do excitado placa por uma onda sonora e que dependem da placa e das frequências utilizadas.

Podemos estender o conceito de Galileu e Chladni estudando muitos efeitos do som, por exemplo, na água ou na tinta, um campo de pesquisa chamado "cimática". Embora o efeito seja visualmente muito impressionante, esses experimentos não permitem, a rigor, a visualização de ondas sonoras.

Para visualizar efetivamente as ondas sonoras, é necessário poder destacar as variações nas características ópticas do meio quando a onda sonora passa por ele. Vimos que o índice de refração do ar apresentava variações muito pequenas quando a pressão era modificada. Como amplificar essas variações para visualizá-las? Uma solução consiste em utilizar o efeito Schlieren que permite isolar opticamente os mínimos desvios dos raios de luz que atravessam um meio devido a mudanças em seu índice de refração. Este método foi inventado por Léon Foucault no século XIX (conhecido pela demonstração do pêndulo no Panteão) e aperfeiçoado por Auguste Toepler. Ao acoplar um dispositivo óptico usando o efeito Schlieren a uma câmera de alta frequência e emitindo sons de alta frequência e alta intensidade, podemos visualizar as variações na pressão do ar e, portanto, ver o som.

Esta solução fornece uma visão geral das perturbações criadas pela onda sonora. Outra abordagem consiste em medir as variações da pressão do ar em um determinado local com um sensor específico: o microfone. Sob o efeito da pressão, a membrana do microfone se move e gera variações de tensão em um circuito elétrico. Ao analisar essas variações com um osciloscópio, podemos ver a evolução ao longo do tempo das variações de pressão criadas pela onda sonora, no local do microfone. Ao contrário do método anterior, não temos uma visão global da onda num instante t, mas sim a sua evolução ao longo do tempo num ponto específico. Até pouco tempo atrás era necessário ir a um laboratório para fazer essas medições com um osciloscópio, mas com o avanço da tecnologia, basta um celular ou tablet para ver o som.

3. Veja um som com FizziQ

Vamos primeiro gerar uma onda sonora regular com um gerador de frequência ou mais simplesmente com o sintetizador de som do aplicativo FizziQ. Pressione na guia Ferramentas, no banner inferior, depois Sintetizador e selecione uma frequência, por exemplo 600 Hz. A tecla Reproduzir é usada para reproduzir o som. Ajuste o volume para que fique alto o suficiente, mas não tão alto que o incomode.

Se você possui um dispositivo Android, poderá analisar esse som diretamente com o mesmo smartphone no aplicativo FizziQ. Se você possui um dispositivo iOS, precisará de um segundo smartphone no qual o FizziQ será instalado, pois os dispositivos Apple não podem emitir som e analisá-lo.

No aparelho que irá analisar o som, aperte a aba Measurements, depois no círculo central para selecionar o instrumento Microphone, depois Amplitude. Esta medição mostra um oscilograma do som captado na frequência de 44.000 Hertz, ou seja, capta os movimentos da membrana do microfone a cada 22 microssegundos! Com o oscilograma, teremos, portanto, uma imagem muito precisa da pressão do ar ao longo do tempo no local do microfone.

Vamos visualizar esta onda sonora e estudá-la pressionando o botão vermelho de captura de medição, então no notebook podemos estudar a curva. Vemos que obtemos um belo corte sinusoidal, típico de um som puro que faz ressoar harmoniosamente o nosso tímpano.

4. Formas de uma onda sonora

Muitas vezes falamos sobre a forma de uma onda sonora, mas o que realmente medimos é a curva que descreve a pressão em função do tempo, como veríamos o swell em uma seção vertical. Cada onda sonora tem diferentes formas e características que podem ser estudadas usando o osciloscópio FizziQ. Alguns sons apresentam belas curvas senoidais, e outros curvas não senoidais, mas periódicas, outras curvas finalmente são totalmente irregulares.

Com os sons da biblioteca de sons, é fácil visualizar todos os tipos de sons diferentes. Por exemplo, vamos comparar as curvas produzidas por três sons:

O som de um diapasão

A nota Lá de uma flauta

O barulho de uma rua movimentada

Assim como o som do sintetizador, o som do diapasão também produz uma curva senoidal. É um som puro, ou seja, composto por uma única frequência.

O som da flauta também é periódico, ou seja, o padrão se repete, mas não é mais uma sinusóide. Na verdade este som é composto por várias frequências que se somam e criam uma curva mais complexa. Este som é chamado de som harmônico complexo. Harmônico porque seu padrão se repete. Podemos estudar os harmônicos em detalhes com a análise de espectro, outra ferramenta FizziQ.

Finalmente, vamos estudar o barulho da rua movimentada. Esse som não é periódico, a curva não se repete e os picos parecem acontecer aleatoriamente. Esse som é chamado de ruído para indicar que não é periódico e que as frequências que o compõem são aleatórias.

5. Encerramento

Não é possível ver o som, mas é justamente isso que o torna um campo de estudo interessante para os alunos. Invisível, muito rápido, o fenômeno só pode ser estudado com o sentido da audição, um instrumento natural muito sofisticado, ou um instrumento científico. É, portanto, sempre um estudo particular para os alunos que tem grande valor pedagógico para a aprendizagem do método científico. Até agora, esses fenômenos só podiam ser estudados em laboratório, mas graças a aplicativos como FizziQ, você pode realizar procedimentos investigativos de maneira muito simples e rápida em qualquer smartphone ou tablet, em sala de aula ou fora dela. Mais um motivo para realizar atividades no som!