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FFI0210 Acústica Física
História da Acústica
Prof. Dr. José Pedro Donoso
Universidade de São Paulo
Instituto de Física de São Carlos - IFSC
Agradescimentos
O docente da disciplina, Jose Pedro Donoso, gostaria de
expressar o seu agradecimento as editoras LTC (livros Tecnicos e
Científicos) e Cengage Learning pelo acesso às figuras dos livros
textos: ” Fisica ” de Tipler & Mosca e “ Fundamentos de Física ” de
Halliday, Resnick e Walker (LTC) e “ Principios de Física ” de
Serway & Jewett (Cengage Learning).
A.D. Pierce, Acoustics(AIP & Acoustic Soc America, 1981)
O.J. Abdounur, Matemática e Música(Escrituras editora, SP, 1999)
Marin Mersenne (1588-1648) Motivado pelo seu interesse em música, dedicoumuito tempo a pesquisa em acústica e as medidasda velocidade de propagação do som no ar. Em1627 publicou L'harmonie universelle cuja abordagem teórico-prática contém relatos de experimentos engenhosos, estudos sobre o som e reflexões concernentes à relação entre matemática e música, pelo qual é considerado o pai da acústica. Ele foi o primeiro a determinar a freqüência de uma nota musical e descobriu que a relação da freqüência entre uma nota e sua oitava era respectivamente de 1 para 2. Ele explicou as características de colunas vibrantes de ar, bem como os fenômenos do eco e da ressonância. Estabaleceu a relação da frequência de uma cordatensionada:
µT
Lf
2
1=
No século XVII se estabelecem as fundações da filosofia moderna e das ciências.
Aparecem as academias e sociedades científicas
1657 : Accademia del Cimento (Florencia)
1662 : Royal Society of London (Londres)
1666 : Académie des Sciences (Paris)
Medidas da velocidade de propagação do som no ar
1636, Mersenne, utilizando instrumentos musicais e canhões: 316 m/s
1658, Gassendi, estabeler que vs independe do timbre e da intensidade do som
1666, Borelli a Viviane (discípulo de Galileo): 361 m/s
1687, Newton determina teoricamente 295 m/s a partir da Lei de Boyle
1708, o reverendo William Derham, com disparos da torre de sua igreja em Upminster,
numa distância de 20 km, encontra o valor médio de 348 m/s
1738, Cassini, Römer, Picard e Huygens, disparos de canhão em 28 km: 347 m/s
1822 Prony, Arago, Bouyard, Mathieu, Gay-Lussac e Humboldt: 340.9 m/s
1905, Hebb (USA) utilizando a tecnica de Michelson: 331.41 m/s para o ar seco.
M.E. Delany, Acustica 38 (1977) 201
Medidas da velocidade do som na água
Jean-Daniel Colladon (1802-1893) e Charles Sturn (1803-1855)
R.T. Beyer. Sounds of Our Times (Springer & AIP, 1999)A. Fischetti. Initiation à l´ Acoustique (Editions Belin, Paris, 2003)
Lago de Genebra (1826, 1827).
Velocidade do som na água
A fonte do som era um sino
que era golpeado debaixo da
água ao mesmo tempo que
explodiam uma pequena
quantidade de pólvora. O valor
encontrado: 1438 m/s
(valor aceito atualmente, 1482
m/s, a 20 oC)
R.T. Beyer. Sounds of Our Times (Springer & AIP, 1999)
Hermann von Helmholtz (1821 – 1894)
Cientista particularmente versátil, fez importantes contribuições no campos da medicina
(transmissão de impulsos nervosos, fisiologia da visão, o mecanismo de audição,
invenção do oftalmoscópio), da física (princípio de conservação da energia, mecânica
dos fluidos e teoria eletrodinâmica) e da acústica (vibração de colunas de ar,
freqüências de ressonância de cavidades)
R.T. Beyer. Sounds of Our Times(Springer & AIP, 1999)
John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919)
Com uma experiência simples realizada no gramado da Universidade de Cambridge, demonstrou que a localização biaural (audição dos dois ouvidos) era muito precisa e formulou uma hipótese sobre o funcionamento do sistema de localização. Rayleigh sugiriu que a diferença de fase e de intensidade fornecem a informação para a localização biaural. Em 1871 publica The theory of sounds, onde organiza a teoria de vibrações, generaliza a lei de reprocidade formulada por Helmholtz, introduz o conceito de impedância acústica, e estuda o problema da propagação das ondas de som e o limite de audição.
J. Tyndall (1820–1893) pesquisas sobre canto e ondas visualizadas
com chamas
K.R. Koening (1839–1901) desenvolveu um aparelho tonométrico
contendo 600 diapasões
Sir Charles Wheatstone (1802 – 1875) experimentos sobre audição
R.W.B. Stephens, A.E. Bates, Acoustics and Vibrational Physics (E. Arnold, London, 1966)
Tyndall
Wheatstone (em.wikipedia.org)
Aparelho de Koeningpara visualizar vocais(Beyer, Sound of ourTimes)
W. Thomson, Lord Kelvin (1824-1907) desenvolve o primeiro
sintetizador harmônico
J. Fourier (1768-1830) desenvolveu a técnica para análise das
funções periódicas e mostrou que ela pode ser decomposta numa
série de funções harmônicas simples.
G.S. Ohm (1789-1854) estabelece que os soms musicais são
funções periódicas e que o ouvido é capaz de analisar qualquer
som em suas componentes separadas
J. Henry (1799-1878) pesquisas sobre a propagação do som na
neblina e sobre acustica de edificações
M. Faraday (1791-1867) e E.F. Chladni (1756 – 1827) utilizam pó
(areia) para visualizar os modos de vibração de tampos
R.W.B. Stephens, A.E. BatesAcoustics and Vibrational Physics
(E. Arnold, London, 1966)
Lord Kelvin
Fourier
Ernst Heinrich Weber (1795-1878) foi um dos pioneiros a estudar a resposta humana a estímulos físicos. Experimentando com pesos, ele decubriu que a resposta do indivíduoera proporcional ao aumento relativo da carga. Matematicamente, a relação entre o estínulo (E) e a sensação humana (S) é logaritmica . As descobertas de Weber forammais tarde popularizadas por Gustav T. Feschner (1801-1887), daí o nome Lei de Feschner – Weber:
Em 1920, a unidade de transmissão em telefonia, desenvolvida pelos engenheiros daBell Telephone passou a ser medida em “bel” (símbolo, dB), em homenagem a Alexander Graham Bell (1847-1922). Harvey Fletchner (1884-1981) verificou que 1 dB era a mínima variação da potência sonora (W) detectável pelo sistema auditivo. A Lei de Fechner – Weber pode ser reescrita na forma:
0
logE
ES ∝
( )0
log10W
WdBS =
S.R. Bistafa, Acústica Aplicada ao Controle do Ruído (Editora Blücher, 2006 e 2011)
Grandes salas de concerto
Scala de Milão (1778) considerada um marco na acústica de salas
Teatro Principal de Valencia (Espanha, 1832)
Liceu de Barcelona (1847) e Teatro Real de Madrid (1850)
Grosser Musikverein (Viena, 1869)
Royal Albert Hall (Londres, 1871)
Teatro de Bayreuth (Alemanha, 1876)
Revistas científicas dedicadas a acústica
Journal of the Acoustical Society (EUA, 1929)
Revue d` Acoustique (Paris, 1932)
Akustiche Zeitschrift (Alemanha, 1936)
Acustica (international journal)
Journal of Acoustics of the Academy of Science of the USSR (english traslation)
Journal of Sound and Vibration (Británico)
M.E. Delany, Acustica 38 (1977) 201; A. Fischetti. Initiation à l´ Acoustique (Paris, 2003)
F.A. White, Our Acoustic Environment (Wiley,1975)
Duas salas de concerto inaguradas no século XX mostraram aos especialistas que, emacústica, as coisas podem falhar
Royal Festival Hall (Londres, 1951): O tempo de reverberação da sala era muito curto. O problema foi corrigido por P.H. Parkin e K. Morgan em 1970.
R.T. Beyer. Sounds of Our Times (Springer & AIP, 1999)
Philharmonic Hall (New York, 1962) com projeto acústico de Leo Beranek. A controvérsia sobre a qualidade do somdurou 30 anos e foi resolvida com umareforma conduzida pelo Prof Cyril M. Harris. A sala foi reaberta em 1976 com o nome de Avery Fisher Hall .
Wallace Clement Sabine (1868-1919)
Paul Earls Sabine (1879-1958), primo
Hale Johnson Sabine (1909-1981), filho
Professor de Harvard, considerado o pai da acústica
aplicada a arquitetura. Estudou o problema acústico
do auditório Fogg Lecture Hall inagurada em 1894 e,
depois de muitas experiências estabelece uma
equação empírica que permite calcular o tempo de
reverberação do som em função das dimensões do
local e do coeficiente de absorção acústica dos
materiais. A figura mostra os tempos medidos em
função da localização no auditório. Seu filho Hale,
dedicou-se ao estudo do controle de ruido em
industrias e instituições.
Raichel, The Sience & Applications of Acoustics (Springer, 2006)Perez Miñana. Compendio práctico de acústica (Ed. Labor, 1969)
Beyer. Sounds of Our Times (Springer & AIP, 1999)
W.C. Sabine
Sala da orquestra Filarmónica de Berlín (1963). Projeto de Hans Scharoum e Palau de Música de Barcelona (1908) de Luis D. Montaner.
Revista Tectonica, vol. 14 (ATC Ediciones, 1995)
Referências Bibliograficas
D.R. Raichel, The Science and applications of acoustics (2nd ed. Springer, 2006)Ian Johnston, Measured Tones (Ed. Taylor & Francis, 2002)J. Perez Miñana. Compendio práctico de acústica (Ed. Labor, Barcelona, 1969) L.J. Arizmendi, Tratado Fundamental de Acústica en la Edificación (Univ Navarra, 1980)O.J. Abdounur, Matemática e Música (Escrituras editora, SP, 1999)R.T. Beyer. Sounds of Our Times (Springer & AIP, 1999)R.W.B. Stephens, A.E. Bates, Acoustics and Vibrational Physics (E. Arnold, London, 1966) W.F. Magie, A Source Book in Physics (Mc Graw Hill, 1935)M. Barron, Auditorium acoustics and architectural design (E&FN Spon, 1993)
ArtigosM.E. Delany, Sound propagation in the atmosphere. Acustica 38 201 (1977).S. Shen, Acoustics of Ancient Chinese Bells. Scientific American 256 (4) 94 (1987)S.L. Vassilantonopoulos, J.N. Mourjopoulos, A Study of Ancient Greek and Roman Theater Acoustics, Acta Acustica & Acustica 89, 123 (2003)R.S. Shankland, Acoustics of Greek Theatres. Physics Today, October 1973G. Assayag, JP. Cholleton, Musique, nombres et ordinateurs. La Recherche 26, 804 (1995)