Física

Física

O ouvido humano tem um alcance e uma sensibilidade tremendos. Ele pode nos dar uma riqueza de informações simples – como o tom, o som e a direção. E a partir da sua entrada podemos detectar qualidade musical e nuances de emoção vocal. Como a nossa audição está relacionada com as qualidades físicas do som, e como funciona o mecanismo de audição?

Ouvir é a percepção do som. (A percepção é normalmente definida como sendo a consciência através dos sentidos, uma definição tipicamente circular de processos de nível superior nos organismos vivos). A audição humana normal engloba frequências de 20 a 20.000 Hz, uma gama impressionante. Os sons abaixo de 20 Hz são chamados de infra-som, enquanto os acima de 20.000 Hz são de ultra-som. Nenhum deles é percebido pelo ouvido, embora o infra-som possa, por vezes, ser sentido como vibração. Quando ouvimos vibrações de baixa frequência, tais como os sons de uma prancha de mergulho, ouvimos as vibrações individuais apenas porque há sons de maior frequência em cada uma delas. Os outros animais têm amplitudes auditivas diferentes das dos humanos. Os cães podem ouvir sons tão altos como 30.000 Hz, enquanto os morcegos e golfinhos podem ouvir sons até 100.000 Hz. Você deve ter notado que os cães respondem ao som de um apito de cão que produz sons fora do alcance da audição humana. Os elefantes são conhecidos por responderem a frequências abaixo de 20 Hz.

A percepção da frequência é chamada de pitch. A maioria de nós tem um excelente tom relativo, o que significa que podemos dizer se um som tem uma frequência diferente de outro. Tipicamente, podemos discriminar entre dois sons se as suas frequências diferem em 0,3% ou mais. Por exemplo, 500,0 e 501,5 Hz são visivelmente diferentes. A percepção do tom está directamente relacionada com a frequência e não é muito afectada por outras grandezas físicas, como a intensidade. As notas musicais são sons particulares que podem ser produzidos pela maioria dos instrumentos e na música ocidental têm nomes particulares. Combinações de notas constituem música. Algumas pessoas podem identificar notas musicais, tais como A afiado, Dó, ou E-plat, apenas ouvindo-as. Esta habilidade incomum é chamada de tom perfeito.

O ouvido é notavelmente sensível a sons de baixa intensidade. A intensidade ou limiar audível mais baixo é de cerca de 10-12 W/m2 ou 0 dB. Sons tão intensos quanto 1012 mais intensos podem ser brevemente tolerados. Muito poucos dispositivos de medição são capazes de observações num alcance de um trilião. A percepção da intensidade é chamada de sonoridade. A uma dada frequência, é possível discernir diferenças de cerca de 1 dB, e uma mudança de 3 dB é facilmente notada. Mas a sonoridade não está relacionada apenas com a intensidade. A frequência tem um grande efeito sobre o quão alto um som parece. O ouvido tem a sua sensibilidade máxima às frequências na faixa de 2000 a 5000 Hz, de modo que os sons nesta faixa são percebidos como sendo mais altos do que, digamos, aqueles a 500 ou 10.000 Hz, mesmo quando todos eles têm a mesma intensidade. Sons próximos aos extremos de alta e baixa frequência da faixa auditiva parecem ainda menos altos, porque o ouvido é ainda menos sensível a essas frequências. A tabela 1 mostra a dependência de certas percepções auditivas humanas em quantidades físicas.

Tabela 1. Percepções Sonoras
Percepção	Quantidade Física
Linha	Frequência
Altura	Intensidade e Frequência
Timbre	Número e intensidade relativa de frequências múltiplas. Artesão subtil leva a efeitos não lineares e mais detalhes.
Nota	Unidade básica de música com nomes específicos, combinados para gerar músicas
Tom	Número e intensidade relativa de múltiplas frequências.

Quando um violino toca Dó do meio, não há como confundi-lo com um piano tocando a mesma nota. A razão é que cada instrumento produz um conjunto distinto de frequências e intensidades. Nós chamamos a nossa percepção destas combinações de frequências e intensidades de qualidade de som, ou mais comumente o timbre do som. É mais difícil correlacionar a percepção do timbre com as quantidades físicas do que com a percepção da altura ou do tom. O timbre é mais subjetivo. Termos como monótono, brilhante, quente, frio, puro e rico são empregados para descrever o timbre de um som. Assim, a consideração do timbre nos leva ao reino da psicologia perceptiva, onde os processos de nível mais elevado no cérebro são dominantes. Isto é verdade para outras percepções do som, tais como música e ruído. Não nos aprofundaremos mais nelas; pelo contrário, concentrar-nos-emos na questão da percepção da sonoridade.

Uma unidade chamada fono é usada para expressar numericamente a sonoridade. Os fonos diferem dos decibéis porque o fono é uma unidade de percepção da sonoridade, enquanto o decibel é uma unidade de intensidade física. A Figura 2 mostra a relação da sonoridade com a intensidade (ou nível de intensidade) e frequência para pessoas com audição normal. As linhas curvas são curvas de igual intensidade. Cada curva é rotulada com seu nível de audibilidade em fones. Qualquer som ao longo de uma determinada curva será percebido como igualmente alto por uma pessoa comum. As curvas foram determinadas por um grande número de pessoas compararem a sonoridade de sons em diferentes frequências e níveis de intensidade sonora. A uma frequência de 1000 Hz, os fonos são considerados numericamente iguais a decibéis. O exemplo seguinte ajuda a ilustrar como usar o gráfico:

Outra análise do gráfico na Figura 2 revela alguns fatos interessantes sobre a audição humana. Primeiro, sons abaixo da curva de 0-fon não são percebidos pela maioria das pessoas. Assim, por exemplo, um som de 60 Hz a 40 dB é inaudível. A curva 0-fon representa o limiar da audição normal. Podemos ouvir alguns sons a níveis de intensidade abaixo de 0 dB. Por exemplo, um som de 3-dB, 5000-Hz é audível, porque está acima da curva de 0-fon. As curvas de sonoridade têm todas imersões entre cerca de 2000 e 5000 Hz. Estes mergulhos significam que o ouvido é mais sensível a frequências nessa faixa. Por exemplo, um som de 15-dB a 4000 Hz tem uma sonoridade de 20 fonos, o mesmo que um som de 20-dB a 1000 Hz. As curvas sobem em ambos os extremos da gama de frequências, indicando que é necessário um som de maior intensidade nessas frequências para ser percebido como sendo tão alto como nas frequências médias. Por exemplo, um som a 10.000 Hz deve ter um nível de intensidade de 30 dB para parecer tão alto como um som de 20 dB a 1000 Hz. Sons acima de 120 fones são dolorosos e prejudiciais.

Não utilizamos frequentemente a nossa gama completa de audição. Isto é particularmente verdadeiro para frequências acima de 8000 Hz, que são raras no ambiente e são desnecessárias para entender conversas ou apreciar música. Na verdade, as pessoas que perderam a capacidade de ouvir frequências tão altas geralmente não estão cientes de sua perda até que sejam testadas. A região sombreada na Figura 3 é a região de frequência e intensidade onde caem a maioria dos sons de conversação. As linhas curvas indicam o efeito que as perdas auditivas de 40 e 60 fones terão. Uma perda auditiva de 40fon em todas as frequências ainda permite que a pessoa entenda a conversação, embora pareça muito silenciosa. Uma pessoa com uma perda auditiva de 60fon em todas as frequências ouvirá apenas as frequências mais baixas e não será capaz de compreender a fala, a menos que seja muito mais alto do que o normal. Mesmo assim, a fala pode parecer indistinta, porque as frequências mais altas não são tão bem percebidas. A região da fala conversacional também tem uma componente de gênero, na medida em que as vozes femininas são normalmente caracterizadas por freqüências mais altas. Assim, a pessoa com um impedimento auditivo de 60-fon pode ter dificuldade em compreender a conversação normal de uma mulher.

Testes de audição são realizados em uma faixa de frequências, geralmente de 250 a 8000 Hz, e podem ser exibidos graficamente em um audiograma como o da Figura 4. O limiar auditivo é medido em dB em relação ao limiar normal, de modo que a audição normal é registrada como 0 dB em todas as freqüências. A perda auditiva causada pelo ruído normalmente mostra um mergulho próximo à freqüência de 4000 Hz, independentemente da freqüência que causou a perda e muitas vezes afeta ambos os ouvidos. A forma mais comum de perda auditiva vem com a idade e é chamada de orelha presbycusis-literalmente mais velha. Tal perda é cada vez mais grave em frequências mais altas e interfere na apreciação musical e no reconhecimento da fala.

O ouvido externo, ou canal auditivo, transporta o som para o tímpano protegido encastrado. A coluna de ar no canal auditivo ressoa e é parcialmente responsável pela sensibilidade do ouvido aos sons na faixa de 2000 a 5000 Hz. O ouvido médio converte o som em vibrações mecânicas e aplica estas vibrações na cóclea. O sistema de alavanca do ouvido médio toma a força exercida sobre o tímpano pelas variações de pressão sonora, amplifica-o e transmite-o ao ouvido interno através da janela oval, criando ondas de pressão na cóclea aproximadamente 40 vezes maiores do que as que incidem sobre o tímpano. (Veja Figura 6.) Dois músculos do ouvido médio (não mostrados) protegem o ouvido interno de sons muito intensos. Eles reagem a sons intensos em alguns milissegundos e reduzem a força transmitida à cóclea. Esta reacção protectora também pode ser desencadeada pela sua própria voz, de modo que o zumbido ao disparar uma arma, por exemplo, pode reduzir os danos causados pelo ruído.

Figure 7 mostra o ouvido médio e interno com mais detalhes. As ondas de pressão que se movem através da cóclea causam a vibração da membrana tectorial, esfregando cílios (chamados células capilares), que estimulam os nervos que enviam sinais eléctricos para o cérebro. A membrana ressoa em diferentes posições para diferentes frequências, com frequências altas estimulando os nervos na extremidade próxima e frequências baixas na extremidade distante. O funcionamento completo da cóclea ainda não é compreendido, mas sabe-se que vários mecanismos de envio de informação para o cérebro estão envolvidos. Para sons abaixo de cerca de 1000 Hz, os nervos enviam sinais com a mesma frequência que o som. Para frequências superiores a cerca de 1000 Hz, os nervos sinalizam a frequência por posição. Há uma estrutura para os cílios, e há conexões entre as células nervosas que realizam o processamento do sinal antes que a informação seja enviada para o cérebro. A informação da intensidade é parcialmente indicada pelo número de sinais nervosos e por voles de sinais. O cérebro processa os sinais nervosos cocleares para fornecer informações adicionais como a direção da fonte (baseado em comparações de tempo e intensidade dos sons de ambos os ouvidos). O processamento de nível superior produz muitas nuances, como a apreciação musical.

Perdas de audição podem ocorrer devido a problemas no ouvido médio ou interno. Perdas condutivas no ouvido médio podem ser parcialmente superadas pelo envio de vibrações sonoras para a cóclea através do crânio. Os aparelhos auditivos para este fim geralmente pressionam contra o osso atrás do ouvido, em vez de simplesmente amplificar o som enviado para o canal auditivo, como muitos aparelhos auditivos fazem. Os danos aos nervos da cóclea não são reparáveis, mas a amplificação pode compensar parcialmente. Existe o risco de que a amplificação produza mais danos. Outra falha comum na cóclea é dano ou perda dos cílios, mas com os nervos permanecendo funcionais. Os implantes cocleares que estimulam diretamente os nervos estão agora disponíveis e são amplamente aceitos. Mais de 100.000 implantes estão em uso, em aproximadamente igual número de adultos e crianças.

O implante coclear foi pioneiro em Melbourne, Austrália, por Graeme Clark nos anos 70 para o seu pai surdo. O implante consiste em três componentes externos e dois componentes internos. Os componentes externos são um microfone para captar o som e convertê-lo em um sinal elétrico, um processador de fala para selecionar certas freqüências e um transmissor para transferir o sinal para os componentes internos através de indução eletromagnética. Os componentes internos consistem em um receptor/transmissor fixado no osso sob a pele, que converte os sinais em impulsos elétricos e os envia através de um cabo interno para a cóclea e um conjunto de cerca de 24 eletrodos enrolados através da cóclea. Estes eléctrodos, por sua vez, enviam os impulsos directamente para o cérebro. Os eletrodos basicamente imitam os cílios.

Secção Resumo

• A gama de frequências audíveis é de 20 a 20.000 Hz.
• Os sons acima de 20.000 Hz são de ultra-som, enquanto que os abaixo de 20 Hz são de infra-som.
• A percepção de frequência é de tom.
• A percepção de intensidade é de alto nível.
• A percepção de intensidade é de alto nível.
• A intensidade tem unidades de fones.

Glossary

loudness: a percepção da intensidade sonora

timbre: número e intensidade relativa de múltiplas frequências sonoras

nota: unidade básica de música com nomes específicos, combinada para gerar melodias

tone: número e intensidade relativa de múltiplas frequências sonoras

fon: a unidade numérica de sonoridade

ultrasom: sons acima de 20.000 Hz

infrasom: sons abaixo de 20 Hz

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