Overview
Fonte: Arianna Brown, Asantha Cooray, PhD, Departamento de Física & Astronomia, Escola de Ciências Físicas, Universidade da Califórnia, Irvine, CA
Ondas são perturbações que se propagam através de um espaço médio ou vazio material. Ondas de luz podem viajar através de um vácuo e algumas formas de matéria, e são transversais na natureza, o que significa que as oscilações são perpendiculares à direção da propagação. No entanto, ondas sonoras são ondas de pressão que viajam através de um meio elástico como o ar, e são longitudinais na natureza, o que significa que as oscilações são paralelas à direção da propagação. Quando o som é introduzido a um meio por um objeto vibratório, como as cordas vocais de uma pessoa ou cordas em um piano, as partículas no ar experimentam movimento para frente e para trás à medida que o objeto vibratório se move para frente e para trás. Isso resulta em regiões no ar onde as partículas de ar são compactadas juntas, chamadas compressões, e outras regiões onde estão espalhadas, chamadas de rarefações. A energia criada por uma onda sonora oscila entre a energia potencial criada pelas compressões e a energia cinética dos pequenos movimentos e velocidades das partículas do meio.
Compressões e rarefações podem ser usadas para definir a relação entre velocidade de onda sonora e frequência. O objetivo deste experimento é medir a velocidade do som no ar e explorar a aparente mudança de frequência para um objeto que emite ondas sonoras enquanto estiver em movimento, chamado efeito Doppler.
Principles
À medida que uma onda sonora se propaga, ela periodicamente comprime e rareficifica (espalha- se) as moléculas de ar em qualquer local. Uma vez que a relação entre pressão e densidade depende da temperatura, a velocidade do som viajando pelo ar também depende da temperatura e definiu como:
(Equação 1)
onde TC é a temperatura do ar em graus Celsius (°C) e v é a velocidade da onda sonora medida em metros por segundo (m/s). Classicamente, a velocidade de uma onda é definida como:
(Equação 2)
onde λ é o comprimento de onda (m), ou a distância entre as ondas de pressão, e f é a frequência (Hz), ou o número de ondas por tempo unitário. A equação 1 é uma estimativa para o ar que está parado; se o meio da onda sonora estiver viajando, a velocidade do som mudará dependendo da direção do movimento. Por exemplo, ondas sonoras movendo-se em direção a ventos fortes provavelmente terão sua velocidade diminuída pela velocidade do vento. Neste experimento, esse efeito é insignificante.
Quando a fonte do som está mudando de velocidade ou direção e o meio geralmente está parado, não há mudança na velocidade da onda sonora. No entanto, um observador pode ouvir um falso aumento ou diminuição de frequência devido ao efeito Doppler. À medida que a fonte das ondas se aproxima do observador, as ondas são emitidas em posições que estão mais próximas. Eles ainda são emitidos na mesma frequência, mas devido às suas posições relativas à medida que a fonte se move, eles alcançam o observador agrupados e aparentemente em uma frequência mais alta. Pela mesma lógica, quando a fonte está se afastando do observador, o observador ouve o som em frequências mais baixas. A maneira mais fácil de entender esse efeito é imaginar um carro da polícia com uma sirene dirigindo em direção a um pedestre: à medida que ele dirige em direção ao pedestre, a frequência com o pedestre parece ficar cada vez maior até que finalmente o carro passa pelo pedestre, e o pedestre começa a ouvir frequências que diminuem à medida que o carro se afasta. A relação entre a frequência observada f e a frequência emitida f0 é definida por:
onde c é a velocidade das ondas sonoras no ar, vr é a velocidade do receptor em relação ao médio e (= 0 se o receptor está em repouso), e vs é a velocidade da fonte em relação ao médio.
Neste experimento, calcularemos a velocidade do som usando várias frequências e comprimentos de onda, e compararemos essa velocidade com a velocidade teórica. Também observaremos o efeito Doppler nas frequências emitidas por um garfo de ajuste.
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Procedure
1. Medindo a velocidade do som
- Configuração: dois alto-falantes voltados um para o outro em um banco óptico. Um alto-falante deve ser conectado a um gerador de função (sinal) em um lado de um tee BNC, com o outro lado do tee BNC conectado ao canal A no osciloscópio. O segundo alto-falante deve ser conectado ao canal B no osciloscópio.
- Ligue o gerador de sinal e o osciloscópio e ajuste o mostrador no gerador para produzir uma onda de 5 kHz. O alto-falante conectado ao gerador de função deve produzir um tom constante que soe como um alarme e duas ondas devem aparecer no osciloscópio.
- Deslize o alto-falante conectado ao canal B ao longo do banco até que as duas ondas estejam em fase. Regissuas distâncias entre os dois alto-falantes.
- Deslize lentamente o alto-falante do canal B para trás para que as ondas estejam fora de fase. Continue deslizando para trás até que as ondas estejam em fase novamente. Regisso a nova distância entre os alto-falantes.
- Subtraia a distância final da inicial para encontrar o comprimento de onda do som. Use este valor e a frequência para calcular a velocidade observada do som usando a Equação 2.
- Repetir passos 1.3-1.5 para frequências de 8 kHz e 3 kHz. Observe a relação inversamente proporcional entre comprimento de onda e frequência.
- Compare as velocidades experimentais com a velocidade esperada usando a temperatura da sala de aula.
2. Efeito Doppler com um aparato de garfo/doppler de sintonia
O vídeo demonstra um experimento usando um aparelho Doppler, mas este mesmo experimento poderia ser realizado usando um garfo de ajuste. O protocolo usando um garfo de ajuste é descrito aqui:
- Amarre um pedaço de corda de 1 m de comprimento até o final de um garfo de ajuste. Quando segurado no comprimento da cintura, o garfo de ajuste deve chegar perto, mas não tocar no chão.
- Conecte um microfone a um canal de osciloscópio e coloque o microfone a uma distância fixa (aproximadamente 1,5 m).
- Aperte o garfo de sintonia para criar um som e mantenha no lugar a 1,5 m do microfone. Observe quantas ondas aparecem na tela.
- Bata novamente o garfo de sintonia e comece a balançar o garfo em círculos a uma velocidade constante.
- Aqueles que observam o garfo de ajuste de balanço notarão que à medida que o garfo balança em direção a eles, a frequência, ou tom, fica mais alta. Simultaneamente, o osciloscópio deve mostrar um pouco mais de ondas na tela. À medida que ele balança para longe deles, o tom fica mais baixo e o osciloscópio deve mostrar um pouco menos ondas na tela. Consulte a Figura 1 abaixo para um exemplo de uma exibição de osciloscópio.
Figura 1: Representação das ondas sonoras de um garfo de ajuste submetidas ao Efeito Doppler como capturado por um osciloscópio. À medida que o garfo gira em direção ao microfone, as ondas sonoras são emitidas a distâncias mais próximas e criam a ilusão de um tom mais alto. Nota: A mudança na frequência das ondas traçadas no monitor do osciloscópio pode ser sutil, e a amplitude das ondas também mudará em relação à posição do garfo de ajuste, pois a amplitude da onda sonora é proporcional ao volume (ou 'sonoridade').
Ao contrário das ondas de luz, as ondas sonoras são perturbações que se propagam através de um meio, que poderia ser sólido, gás ou líquido.
Ondas de luz são ondas transversais que têm oscilações perpendiculares à direção dapropagação. Considerando que ondas sonoras são ondas de pressão longitudinais cujas oscilações são paralelas à direção da propagação.
Neste vídeo, exploraremos várias propriedades das ondas sonorase aprenderemos sobre o Efeito Doppler , um fenômeno descoberto pelo físico austríaco Christian Doppler. Em seguida, aprenderemos como medir a velocidade do som que sai dos alto-falantes, e como visualizar o efeito Doppler no laboratório. Finalmente, veremos alguns exemplos em que esses conceitos são aplicáveis.
Vamos começar discutindo as propriedades das ondas sonoras e o fenômeno DopplerShift. Quando o som é introduzido através da vibração de um objeto, como uma corda de guitarra, as partículas no ar experimentam movimento para frente e para trás.
Isso cria regiões no ar onde as partículas são compactadas, chamadas compressões, ou se espalham, chamadas de rarefações. Essas características podem ser usadas para definir a relação entre a velocidade das ondas sonoras e a frequência.
A distância entre as compressões é o comprimento de onda, ou lambda, que tem a unidade demetros. Frequência é o número de ciclos de comprimento de onda por segundo e é expressa em Hertz. A velocidade do som é o produto dessas duas qualidades.
Uma vez que as ondas sonoras viajam devido à compressão das partículas no meio, a densidade das moléculas de ar tem um efeito na velocidade do som. A densidade do ar depende da temperatura circundante, então a velocidade da onda sonora também depende da temperatura.
Supondo que o ar esteja parado, a velocidade da onda sonora através do ar pode ser calculada usando a seguinte equação, onde Tc é a temperatura do ar em Celsius.
Se o ar estiver se movendo, a velocidade do som mudará dependendo da direção do movimento do ar. Por exemplo, se a onda sonora está se movendo na direção oposta de um vento forte, a velocidade das ondas é diminuída pela velocidade do vento.
Agora, vamos ver o que acontece quando a fonte do som está se movendo. Por exemplo, uma ambulância emitindo uma sirene em uma frequência fixa, ft. À medida que a ambulância se aproxima, o tom percebido da sirene, fr, aumenta até chegar até chegar até você. Isso ocorre porque à medida que a sirene se move em sua direção, as posições relativas das ondas sonoras se juntam, e o som parece ter uma frequência maior do que a frequência transmitida.
Pela mesma lógica, quando a ambulância vai embora, você ouve a sirene em um tom mais baixo e mais baixo, à medida que as ondas sonoras se espalham e o som parece ter uma frequência menor do que a frequência transmitida. A diferença entre as frequências emitidas e percebidas a qualquer momento é chamada de efeito Doppler, ou a mudança do Doppler.
Agora que discutimos o básico das ondas sonoras e a mudança do Doppler, vamos primeiro dar uma olhada em como medir a velocidade do som em diferentes frequências. Então, vamos demonstrar como visualizar o efeito Doppler usando um aparelho em movimento.
Primeiro, configure dois alto-falantes voltados um para o outro em um banco óptico. Conecte um alto-falante a um gerador de função usando um tee BNC, com o outro lado do tee BNC conectado ao canal 1 ou A em um osciloscópio
Em seguida, conecte o segundo alto-falante ao canal 2 ou B no osciloscópio.
Ligue o gerador de função e o osciloscópio e ajuste o mostrador no gerador de função para produzir uma onda com frequência de 5 kHz. O alto-falante conectado ao gerador de função deve produzir um tom constante que soe como um alarme. Duas ondas de 5kHz que estão fora de fase umas com as outras, uma para o alto-falante emissor e outra para o alto-falante receptor devem aparecer em cores diferentes no osciloscópio.
Deslize lentamente o alto-falante conectado ao canal B ao longo do banco até que as duas ondas estejam em fase. Em seguida, regissuem a distância entre os dois alto-falantes.
Em seguida, deslize lentamente o alto-falante do canal B para longe do alto-falante emissor para que as ondas estejam fora de fase. Continue deslizando o alto-falante para trás até que as ondas estejam em fase novamente. Regisso a nova distância entre os alto-falantes. Repita o experimento para frequências de 8 kHz e 3 kHz
Para calcular a velocidade da onda sonora, primeiro subtraia a distância final da inicial para dar o comprimento de onda da onda sonora. Em seguida, use este valor e a frequência para obter a velocidade. Observe a relação inversamente proporcional entre comprimento de onda e frequência.
Compare as velocidades experimentais com a velocidade esperada usando a temperatura da sala. Os valores experimentais para diferentes frequências parecem ser aproximadamente os mesmos, e a diferença entre eles e o valor esperado é igual ou inferior a um por cento.
Primeiro, amarre um pedaço de corda de um metro de comprimento no final de um aparelho Doppler. Quando segurado na altura da cintura, o aparelho deve se aproximar, mas não tocar no chão.
Em seguida, conecte um microfone a um canal de osciloscópio e coloque o microfone a uma distância fixa --1,5 m -- de onde você está.
Ligue o aparelho Doppler e segure-o no lugar a 1,5 m do microfone. Observe a onda no osciloscópio.
Comece a balançar o aparelho em círculos a uma velocidade constante. Aqueles que observam o aparelho oscilante notarão que o tom, ou frequência, fica mais alto à medida que ele gira mais perto deles, e mais baixo à medida que ele balança para longe.
Simultaneamente, o osciloscópio mostrará mais ondas, ou uma frequência maior, quando o aparelho estiver perto do microfone. Quando o aparelho está longe do microfone, a frequência diminui.
Ondas sonoras e sonoras são encontradas no cotidiano e são usadas em muitas áreas de artes, ciência e medicina.
Quando alguém usa um instrumento de coluna de ar aberto, como a trombeta, as ondas sonoras produzidas dentro do tubo criam música. À medida que o ar é empurrado para dentro do instrumento, ocorre uma vibração no interior que faz com que as ondas de pressão reflitam o interior do tubo.
Apenas ondas de pressão de certos comprimentos de onda e frequências se encaixam dentro do tubo e ressoam, criando som. Todos os outros comprimentos de onda e frequências são perdidos.
O efeito Doppler é a base do instrumento de ultrassom Doppler, que é usado para avaliação vascular. O dispositivo Doppler portátil consiste em uma sonda que é colocada na pele do paciente. A sonda emite ondas de ultrassom em uma frequência específica, que refletem fora das células sanguíneas e são detectadas pelo elemento receptor na sonda. A velocidade do fluxo sanguíneo é evidente pela mudança na frequência da onda refletida.
Você acabou de assistir a introdução de JoVE o efeito Doppler. Agora você deve entender os princípios básicos do efeito Doppler, como medir a velocidade das ondas sonoras em laboratório, e algumas aplicações da técnica no mundo real. Obrigado por assistir!
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Results
Temperatura da sala: 20 °C
Velocidade esperada: v = 331,4 + 0,6(20) = 343,4 m/s
| Frequência | Distância inicial em fase | Distância final em fase | Comprimento de onda | Velocidade calculada | % erro |
| 5 kHz | 27,4 cm | 34,3 cm | 6,90 cm | 345 m/s | 0.5% |
| 8 kHz | 25,5 cm | 29,75 cm | 4,25 cm | 340 m/s | 1.0% |
| 3 kHz | 22,8 cm | 34,2 cm | 11,40 cm | 342 m/s | 0.4% |
Usando a Equação 2,a velocidade do som pode ser calculada a um valor bastante preciso. Por exemplo, para a primeira frequência, f = 5 kHz = 5.000 Hz e λ = 6,90 cm = 0,069 m, então velocidade = λf = 5.000 x 0,069 = 345 m/s. Para determinar o erro entre a velocidade esperada e a velocidade observada, empregamos o seguinte:
O efeito Doppler será evidente pelo balanço do garfo de ajuste, ou qualquer outro objeto emissor de som. À medida que o garfo de sintonia gira em direção ao microfone, as ondas sonoras se agrupam produzindo uma frequência maior, como evidente pelo agrupamento de ondas sonoras no osciloscópio. À medida que o garfo se afasta, as ondas se espalham mais e as ondas no osciloscópio também se espalham.
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Applications and Summary
Neste experimento, as propriedades de onda do som são definidas e exploradas. Especificamente, a relação entre frequência de onda sonora, comprimento de onda e velocidade foi confirmada. Os garfos de ajuste são projetados para emitir apenas uma frequência, tornando-os dispositivos ideais para demonstrar o efeito Doppler. À medida que o garfo de sintonia se move cada vez mais longe do observador, a frequência aparece cada vez mais baixa, respectivamente. Tanto o efeito Doppler quanto a Equação 2 podem ser estendidos a outras formas de ondas, como a luz.
Como humanos, usamos ondas sonoras para nos comunicarmos todos os dias. No entanto, uma dessas formas de comunicação realmente representa como nossa espécie primeiro aproveitou a física do som: música, particularmente instrumentos que requerem respiração. Instrumentos de coluna de ar aberto, como trompete, tuba ou flauta, consistem em uma coluna de ar dentro de um tubo oco que às vezes é curvado. À medida que o ar é empurrado para dentro do instrumento, ocorre uma vibração no interior que faz com que as ondas de pressão reflitam o interior do tubo. No entanto, apenas ondas de pressão de certos comprimentos de onda e frequências refletem de tal forma que começam a interferir com as ondas incidentes, criando assim ondas de pressão em pé. Cada instrumento musical tem um conjunto de frequências naturais em que vibra, ou ressoa. Estes são chamados de harmônicos e cada harmônico está associado a um padrão de onda permanente específico definido por seus pontos finais, comprimento de onda e frequência. Em uma flauta, os orifícios podem ser abertos ao longo da flauta para reduzir o comprimento efetivo dos limites, reduzindo assim o comprimento de onda e aumentando a frequência. Em uma trombeta, as válvulas fazem o ar viajar através de diferentes partes da trombeta que são de tamanhos diferentes, resultando novamente em mudanças no comprimento de onda e frequência.
Uma aplicação notável do efeito Doppler é o radar Doppler, usado por meteorologistas para ler eventos climáticos. Normalmente, um transmissor emite ondas de rádio em uma frequência específica em direção ao céu a partir de uma estação meteorológica. As ondas de rádio saltam das nuvens e da precipitação e depois voltam para a estação meteorológica. A frequência das ondas refletidas de volta à estação parece diminuir se as nuvens ou precipitação estão se afastando da estação, enquanto a frequência de rádio parece aumentar se os objetos atmosféricos estão se movendo em direção à estação. Esta tecnologia também pode ser aplicada para determinar a velocidade e a direção do vento.
O efeito Doppler também tem aplicações em física médica. Em um ecocardiograma Doppler, ondas sonoras de uma certa frequência são canalizadas para o coração e refletem as células sanguíneas que se movem através do coração e vasos sanguíneos. Semelhante ao radar Doppler, os cardiologistas podem entender a velocidade e a direção do fluxo sanguíneo no coração devido à mudança nas frequências recebidas após o reflexo. Isso pode ajudá-los a identificar áreas de obstrução no coração.
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