Música: ondas sonoras que se transformam em arte

O que a física tem a ver com a música? Tudo! Uma música não passa de uma composição de ondas sonoras.

Ondas sonoras, por sua vez, são um tipo de onda um mecânica (que depende de um meio material para se propagar) e longitudinal (a vibração individual das partículas ocorre na mesma direção de propagação da onda como um todo).

Não lembra direito o que isso tudo quer dizer? Confira nosso blog post: Ondas: As Principais Diferenças entre Som e Luz. Aproveite-o para revisar as principais características de um onda antes de embarcar nessa nova aventura!

Ruído vs Música

A queda de um objeto, o bater das asas de um pássaro, a passagem do vento... Todos esses eventos geram ondas sonoras que chegam até nossos ouvidos. O que diferencia uma música de todos esses ruídos?

Primeiramente, para que um som seja classificado como música, as ondas sonoras que o compõe devem ser organizadas. Usualmente, uma música possui alta frequência e mudanças de amplitude e de comprimento de onda em um padrão reconhecível pelo ouvinte.

Todas essas características tornam a música um som prazeroso para o ouvinte.

Em contrapartida, os ruídos costumam possuir uma composição aleatória, sem qualquer ordem particular ou ritmo. Além disso, eles costumam possuir baixa frequência, comprimentos de onda irregulares, além de conter mudanças bruscas de comprimento de onda e amplitude.

Essas características aleatórias tornam os ruídos irritantes para os ouvintes.

Ondas estacionárias

Antes de falarmos das características específicas da musicas, precisamos entender o padrão das ondas que as formam.

Imagine uma corda ligada a uma superfície fixa, como uma parede, por exemplo. Sobre essa corda é exercida uma sequência de ondas com frequência constante. Quando essas ondas atingirem a superfície fixa, elas serão refletidas sobre as ondas incidentes, formando um padrão de interferência muito interessante. Esse padrão é conhecido como onda estacionária:

Como pode ser visto na imagem acima, esse tipo de onda, como um todo, parece nunca estar se propagando. Alguns pontos permanecem estacionários, já outros ficam alternando entre máximos e mínimos:

• Um Nó ou Nodo é um ponto de uma onda estacionária onde não há vibração e a energia é mínima.

• Em contrapartida, um Ventre ou Antinodo é um ponto de uma onda estacionária onde deslocamento e energia são máximos.

Instrumentos musicais

É classificado como instrumento musical, todo objeto construído com o objetivo de produzir música. As ondas geradas nesses instrumentos, independente do tipo, são as nossas já conhecidas ondas estacionárias.

Eles são divididos em três tipos: instrumentos de sopro, instrumentos de cordas, e instrumentos de percussão:

Nos instrumentos de sopro, o som é produzido pela vibração de colunas de ar no interior do instrumento:

Já nos instrumentos de cordas, a vibração das cordas é transferida para um tampo vibrante, e depois para o ar, gerando ondas sonoras:

Por fim, os instrumentos de percussão geram som a partir da vibração de uma membrana bidimensional:

Tá, mas qual a causa da vibração desses objetos?

As frequências da música

Todo objeto elástico, no qual é exercida uma força externa, tende a vibrar em um conjunto de frequências bem especificas, que variam de objeto para objeto. Essas frequências são chamadas de frequências naturais do objeto.

Dentre essas frequências, a menor é conhecida como frequência fundamental do objeto. Além disso, todo múltiplo inteiro da frequência fundamental também tem um nome especial: Harmônico.

Dessa forma, o primeiro harmônico é equivalente à frequência fundamental. Já o segundo harmônico é equivalente ao dobro da frequência do primeiro, e assim por diante.

Notas musicais

Todos já ouvimos falar das notas musicais: Dó, Ré, Mi, Fá, Sol, Lá e Si. Mas você sabe qual o significado físico delas? Essas notas representam ondas estacionárias!

O que diferencia as notas são as suas frequências: ondas com frequências diferentes representam notas musicais diferentes. Nós usamos uma escala de 7 notas.

Vale lembrar que toda frequência múltipla de uma nota é também essa nota. Por exemplo, uma onda sonora com frequência 264 Hz é um dó. Então, uma onda com 528 Hz (2 x 264) ou 792 Hz (3 x 264) também são Dós e assim por diante.

Tá, mas por que conseguimos notar diferenças em uma mesma nota musical produzida por dois instrumentos musicais diferentes?

Timbre de uma música

Isso é possível pois, apesar de possuírem a mesma frequência, uma onda (de mesmo nota musical) produzida por instrumentos diferentes possui diversas características distintas. Esse conjunto de características é o que chamamos de timbre.

Em geral, diferentes timbres possuem formatos de onda diferentes:

Tá, mas e quais outras características diferenciam diferentes ondas sonoras?

Altura vs Volume

Uma confusão comum das pessoas é pensar que a altura e o volume representam uma mesma característica sonora.

A Altura do som esta associada à sua frequência. Quanto maior a frequência, mais agudo (alto) o som e quanto menor a frequência, mais grave (baixo).

Em contrapartida, o volume é chamado na física de intensidade ou I. Essa grandeza não tem nada a ver com a frequência. Ele correspondente à potência (P) por área (A) de uma onda sonora. Matematicamente, temos:

I = P / A

Vale lembrar que as ondas de som se espalham esfericamente no espaço:

Sendo assim, podemos substituir o A da fórmula acima pela área de uma esfera de raio R (4 π R²). Logo:

I = P / (4 π R²)

A unidade no Sistema Internacional de Unidades (SI) para intensidade sonora é o W/m² (Watt por metro quadrado).

Tá, mas então o que é a unidade decibel que tanto ouvimos falar?

Nível de intensidade sonora

O ouvido humano reage a intensidades que abrangem uma faixa enorme:

Na figura acima, o limite inferior é também conhecido como nível de referência.

Por ser uma faixa tão abrangente, costumamos usar outra grandeza baseada em potências de dez.

Essa grandeza é chamada de nível de intensidade sonora (β) e é calculada da seguinte forma:

β = log(I / Io)

Onde I é a intensidade sonora e Io é nível de referência.

A unidade para nível de intensidade sonora é o bel. Um décimo dessa unidade equivale ao nosso famoso decibel (dB)!

• 0 bel equivale ao nível de referência
• 1 bel (10 dB) é 10 vezes maior que o nível de referência
• 2 bel (20 dB) é 100 vezes maior que o nível de referência
• 3 bel (30 dB) é 1000 vezes maior que o nível de referência
• e assim por diante...

Confira na tabela a seguir algumas fontes sonoras e suas respectivas intensidades sonoras:

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