Ondas sonoras (III)

dez 05, 2016 | por Sandra Merlo | Física acústica

Perturbação

Este é o terceiro e último texto que analisa as condições que precisam ser satisfeitas para a ocorrência de ondas sonoras. A primeira condição é que haja matéria (ver aqui), de forma que, na ausência de matéria, as ondas sonoras não iniciam e não se propagam. A segunda condição é que a matéria seja elástica: quanto mais elástica, mais facilmente ela propaga variações de pressão (ver aqui). Por isso, as ondas sonoras se propagam mais facilmente nos gases em comparação a líquidos e sólidos. A terceira condição é que ocorra uma perturbação no meio elástico. Ou seja, pode haver matéria e a matéria pode apresentar grau de elasticidade favorável à propagação de ondas sonoras, mas, se não houver alguma perturbação que inicie as ondas sonoras, nada acontece [1].

Mas o que é uma perturbação? Este é um termo genérico que faz referência a algo que muda o estado de um sistema físico [2]. Muitos acontecimentos do cotidiano funcionam como perturbações que iniciam ondas sonoras. Um objeto que cai pode ser uma perturbação que gera ondas sonoras. O chacoalhar de uma folha de papel pode ser uma perturbação que gera ondas sonoras. No caso da fala, há somente dois tipos de perturbações que geram ondas sonoras:

  • A primeira perturbação é a vibração das pregas vocais, que vai produzir ondas sonoras complexas quase periódicas. A vibração das pregas vocais é a única perturbação presente nas vogais. No caso do português brasileiro, são doze vogais plenas e três vogais reduzidas.
  • A segunda perturbação são gestos produzidos pelos lábios ou pela língua, que geram ondas sem periodicidade. No caso do português brasileiro, pode haver gestos de fechamento total em diferentes regiões do trato vocal, que irão originar as três consoantes oclusivas não vozeadas [p, t, k]. Também pode haver gestos de quase fechamento em diferentes regiões do trato vocal, que irão originar as três consoantes fricativas não vozeadas [f, s, ʃ].
  • Essas duas perturbações também podem estar associadas, que é o caso de todas as outras consoantes do português brasileiro: as três oclusivas vozeadas [b, d, g], as quatro fricativas vozeadas [v, z, ʒ, ɣ], a vibrante simples [ɾ], as três nasais [m, n, ɲ] e as duas laterais [l, ʎ]. Todas essas consoantes apresentam vibração de pregas vocais associada a gestos de fechamento ou quase fechamento do trato produzidos pelos lábios ou pela língua.

As figuras a seguir ilustram os dois tipos de perturbações presentes na fala humana.

A primeira figura abaixo ilustra as consoantes [p] e [b] na palavra “PIB” (frase-veículo: “Diga PIB baixinho”). Localizando a segmentação do [p], pode-se ver que essa consoante é acusticamente caracterizada por duas fases. A primeira fase é um silêncio, chamado de oclusão, que corresponde ao gesto de oclusão bilabial (número 1 na figura). A segunda fase é um ruído, chamado de soltura, que corresponde à saída do ar durante a abertura bilabial (número 2 na figura). No [p], o gesto de soltura bilabial é a única perturbação que dá início às ondas sonoras.

Localizando a segmentação do [b], vê-se que essa consoante apresenta as mesmas fases acústicas de oclusão e de soltura que caracterizam a oclusiva [p] (números 1 e 2 na figura). Mas o [b] também apresenta vozeamento produzido pela vibração das pregas vocais, concomitante à oclusão: a concentração de energia em baixa frequência e o cálculo da frequência fundamental exibido pela linha azul explicitam bem o vozeamento. Ou seja, no [b], há duas perturbações sequenciais: vozeamento e gesto de soltura bilabial.

p-b

Exemplificação das perturbações que dão origem aos fones [p] e [b].

A próxima figura ilustra as consoantes [f] e [v] na palavra “FAVA” (frase-veículo: “Diga FAVA baixinho”). Localizando a segmentação do [f], vê-se que a consoante é acusticamente caracterizada por um longo ruído, que corresponde à turbulência gerada pela passagem do ar em um tubo muito estreito produzido entre o lábio inferior e os dentes incisivos superiores. Na camada referente à representação gráfica das ondas sonoras, fica clara a ausência de periodicidade da consoante. No [f], o gesto labial é a única perturbação que dá início às ondas sonoras.

Localizando a segmentação do [v], vê-se que essa consoante apresenta a mesma característica acústica de ruído turbulento do [f]. Mas também apresenta vozeamento produzido pelas pregas vocais, concomitante ao ruído: novamente, a concentração de energia em baixa frequência e o cálculo da frequência fundamental exibido pela linha azul explicitam bem o vozeamento. Ou seja, no [v], as duas perturbações são simultâneas e não sequenciais como no [b].

f-v

Exemplificação das perturbações que dão origem aos fones [f e [v].

O inventário fonético combina essas duas perturbações para produzir as 59 consoantes e as 28 vogais das línguas naturais (ver aqui).

A ocorrência de uma perturbação em um meio elástico tem um efeito muito específico: ela fornece ENERGIA. Inicialmente, o meio está em equilíbrio. A perturbação provê um aumento de energia ao meio. Como o meio apresenta propriedades elásticas e pode ser deformado, ele sucessivamente transmite a energia fornecida pela perturbação para outros pontos.

 

Transporte de energia

E aqui chegamos à outra característica comum a todos os tipos de ondas: elas sempre transmitem ENERGIA [1]. A primeira característica comum a todos os tipos de ondas é o fato de elas sempre estarem relacionadas com a oscilação de uma ou mais variáveis físicas (ver aqui).

O transporte de energia é consequência do fato de o material ser elástico e poder ser deformado [1]. A elasticidade resulta da energia cinética intrínseca das moléculas que compõem o material. É pelo movimento que uma molécula transmite a energia para outra molécula. Meios gasosos (como o ar) são bastante elásticos por apresentarem elevada energia cinética em suas moléculas e, consequentemente, forças fracas de ligação entre moléculas. Por isso, as moléculas dos gases podem se movimentar com pouca resistência, transmitindo energia facilmente. Por outro lado, corpos sólidos são muito menos elásticos por apresentarem energia cinética baixa em suas moléculas e, consequentemente, forças intensas de ligação entre moléculas. A redução da elasticidade implica maior resistência à transmissão da energia fornecida pela perturbação. Para que um corpo sólido transmita energia sucessivamente entre suas moléculas, é necessário fornecer mais energia do que seria necessário a um gás, por exemplo, e, mesmo assim, o sólido vai amortecer o transporte de energia mais rapidamente. Mas, se a energia for excessiva, o corpo pode se romper, porque a oscilação das moléculas pode ser incompatível com a manutenção da forma e do volume do sólido. Ainda, se um material for totalmente rígido, ou seja, se ele não admitir qualquer mudança na posição espacial de suas moléculas, ele não será capaz de transmitir a energia fornecida pela perturbação. Neste caso, a energia será totalmente amortecida e não será transmitida.

A compreensão da menor resistência dos gases para a propagação da energia sonora torna fácil compreender por que a maior parte do sistema fonador é sobreposta ao sistema respiratório (uma pequena parte é sobreposta ao sistema digestivo).

Todos os órgãos diretamente envolvidos na produção das ondas sonoras de fala contém gás em seu interior: os pulmões, os brônquios, a traqueia, a laringe, a faringe, a cavidade oral, a cavidade nasal e os seios paranasais. Todos são preenchidos por ar. Pouco importa que o ar utilizado na fala apresente alta concentração de gás carbônico e baixa concentração de oxigênio: o importa é que o meio seja gasoso. Sabendo que os gases apresentam baixa densidade e que impõem pouca resistência para a propagação do som, faz sentido que haja total sobreposição entre sistema respiratório e sistema fonador.

Todos os órgãos do sistema fonador também apresentam um discreto meio aquoso, que é o muco presente nas paredes desses órgãos. O muco é secretado pelas células epiteliais de cada órgão. No caso específico da produção da fala, a função do muco é lubrificar as estruturas a fim de reduzir o atrito causado pelos movimentos. O muco também apresenta outras funções biológicas, como evitar a desidratação e prevenir infecções (porque contém anticorpos).

Todos os órgãos do sistema fonador recebem suporte de tecido ósseo e cartilaginoso. A caixa torácica e as vértebras torácicas no caso dos pulmões. As vértebras cervicais no caso da traqueia, da laringe e da faringe. Os ossos da face no caso da boca e do nariz. Mas esses tecidos rígidos não participam diretamente da produção das ondas sonoras de fala: eles fornecem suporte, viabilizando a manutenção do formato tubular do sistema fonador.

Portanto, é o meio gasoso do sistema fonador que permite que a energia inicialmente fornecida pelas perturbações geradas pelas pregas vocais, pelos lábios e/ou pela língua seja transmitida para o ambiente.

Entretanto, ao mesmo tempo em que a energia é transmitida, ela também é perdida. A perturbação fornece uma quantidade finita de energia. Cada partícula do meio que oscila em torno da sua posição de equilíbrio usa uma parcela da quantidade inicial de energia fornecida pela perturbação. Assim, à medida que as partículas do meio oscilam, produzindo ondas sonoras, a energia vai sendo dissipada e as ondas sonoras vão sendo amortecidas [1]. A perda de energia sempre ocorre em meios elásticos, porque a própria oscilação das partículas consome energia. Por outro lado, no vácuo, como não há partículas a oscilar, a perda de energia não ocorre (no caso de ondas eletromagnéticas e gravitacionais) [1].

(Atenção: não confundir dissipação da energia com dispersão da onda. “Dissipação” se refere à transferência ou à perda de energia que ocorre durante a propagação da onda [1, 2]. “Dispersão” se refere à mudança de velocidade de propagação da onda de acordo com o meio [1]. Falaremos mais sobre dispersão ao falarmos sobre velocidade de propagação das ondas).

 

Referências

[1] Okuno, E.; Caldas, I. L. & Chow, C. (1982). Ondas. In: Física para ciências biológicas e biomédicas (pp. 206-221). São Paulo: Harper & Row do Brasil.

[2] Roditi, Y. (2005). Dicionário Houaiss de Física. Rio de Janeiro: Objetiva.

 

 

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