AL 2.1 Características do som

 

Vamos realizar uma atividade no laboratório que permita responder à seguinte questão:

Qual é a base das tecnologias de reconhecimento de voz usadas, por exemplo, em telemóveis ou tablets?

 

 

Como se indica no Programa, o equipamento de base para a concretização desta atividade é o osciloscópio. No entanto, quando eles não estão em número suficiente podem e devem usar-se outros dispositivos e tecnologias. Mas mesmo que eles existam em número suficiente é enriquecedor o uso dessas outras tecnologias.

Um recurso sempre disponível são os osciloscópios virtuais (http://www.sciencesedu.net/physique/oscillo/oscillo.html; http://www.virtual-oscilloscope.com/ ou https://academo.org/demos/virtual-oscilloscope/) e os geradores de sinais virtuais (http://onlinetonegenerator.com/ …).

Com computadores em número suficiente, estes recursos podem mesmo servir para realizar parte da atividade laboratorial.

Aqui daremos algumas indicações que consideramos relevantes para uma melhor concretização do que se pretende.

Em primeiro lugar, lembra-se que a energia de uma onda depende da amplitude e da frequência.

Em geral, a intensidade também depende da amplitude e da frequência. Entende-se aqui por amplitude, para ondas mecânicas, a amplitude de deslocamento dos pontos do meio. Contudo, para as ondas sonoras o que se mede e se considera normalmente é amplitude de pressão. Pode mostrar- -se que a amplitude de pressão contém quer a amplitude de deslocamento (devida a oscilação das camadas de ar) quer a frequência. Assim, para as ondas sonoras, a intensidade depende apenas da amplitude de pressão.

Um dos requisitos para uma boa realização desta atividade, para além do osciloscópio, de altifalantes e microfones, é a existência de cabos em número suficiente e com os contactos em bom estado.

O uso de auscultadores é útil por limitar eventual ruído e interferência no trabalho de cada grupo, mas também para a identificação de capacidades auditivas e limites de audição. Note-se que para realizar um teste auditivo se requerem outras condições, mas, com a atividade, poderá até detetarse algum problema de audição.

No entanto, por vezes acontece que os osciloscópios aparentemente deixam de funcionar ou então os sinais desaparecem do ecrã. Neste caso, será sempre conveniente verificar todas as ligações e acionamento de comandos.

Normalmente alguém terá acionado um comando inadvertidamente. Não estando disponíveis manuais de utilização e requerendo a situação resposta rápida, recomenda-se que, sem qualquer receio, se verifiquem os diferentes comandos até que se detete a origem do problema.

Os osciloscópios analógicos são um ótimo recurso, mas têm algumas limitações que os digitais podem ultrapassar. Por exemplo, com um osciloscópio digital pode parar-se uma imagem no ecrã, registar-se e gravar-se os dados ou imagens em formato digital.

 

Questões pré-laboratoriais

Num osciloscópio visualizam-se sinais elétricos. Recorrendo às escalas do ecrã de um osciloscópio podemos medir a amplitude e o período de um sinal.

A amplitude do sinal é dada pelo valor máximo de diferença de potencial elétrico, Umax, que se lê na escala vertical. Esta escala é variável e pode ser regulada no comutador com a indicação VOLTS/DIV: este indica o valor da maior divisão da escala vertical.

Por exemplo, se o comutador indicar 10 mV e a amplitude corresponder a 3 divisões mais 2/5 da divisão, ou seja, a 3,4 divisões, teremos:

Umax = número de divisões na escala Vertical X tensão/divisão

Umax = 3,4 x 10 mV = 34 mV

O período do sinal mede-se na escala horizontal, regulada no comutador com a indicação BASE DE TEMPO (ou TIME/DIV, ou SEC/DIV): este indica o valor da maior divisão da escala horizontal (este tempo pode ser expresso em s, ms ou μs). O tempo mede-se da seguinte forma:

t = número de divisões na escala horizontal x tempo/divisão

Por exemplo, se a dois ciclos completos do sinal corresponderem 5 divisões na escala horizontal e a base de tempo for 2 ms/DIV, o tempo será:

t = 5 x 2 ms = 10 ms

Como este é o tempo de dois ciclos completos, então T = 10 ms/2 = 5 ms e a frequência será f = 1/T = 200 Hz.

Observe os dois sinais elétricos: a BASE DE TEMPO está selecionada para 0,5 ms/DIV e os comutadores VOLTS/DIV marcam 2 mV/DIV.

 

             

a) O que têm em comum os sinais representados? Justifique.

b) Indique o período, a frequência e a amplitude do sinal de maior amplitude.

 

Trabalho laboratorial

 

Nesta atividade estudam-se sinais elétricos que se visualizam num osciloscópio. Alguns foram produzidos por sinais sonoros e permitem investigar características como o período, a frequência, o comprimento de onda, a intensidade e o timbre dos sons.

Utilize o seguinte material:

• osciloscópio de dois canais (ou computador, tablet ou smartphone com software de edição de som ou outro sistema de aquisição de dados);

• gerador de sinais;

• dois microfones;

• altifalante;

• cabos de ligação;

• diapasão e martelo;

• régua.

Tal como nas televisões antigas, nos osciloscópios analógicos mais comuns há um feixe de eletrões emitido por um filamento aquecido dentro de um tubo (sem ar).

Esse feixe é acelerado e embate num ecrã fluorescente, produzindo aí uma cintilação.

Nos osciloscópios digitais o tratamento dos sinais é semelhante ao que fazem os computadores. Os osciloscópios analógicos e digitais têm algumas funções iguais.

Para obter uma imagem nítida e estável num osciloscópio, é necessário explorar alguns botões de controlo e comutadores existentes no seu painel que descrevemos a seguir.

 

• Liga-se o osciloscópio. Se o comutador BASE DE TEMPO estiver desligado (por estar ativa a função NORM em vez de AT ou AUTO (automático) ou o modo XY) aparece apenas um ponto brilhante no ecrã. Após estar ativo o varrimento, para ajustar a velocidade com que esse ponto luminoso se desloca no ecrã acerta-se a escala na BASE DE TEMPO até obter um traço contínuo. No centro deste comutador há um botão que deve estar na posição CAL (calibrado).

• A estabilização do sinal é feita no comutador TRIGGER (disparador), que deve estar em AUTO.

• Para definir a linha de referência de O V coloca-se o comutador AC-GND-DC na posição GND e, ajustando com o controlo da posição vertical, faz-se coincidir o traço com uma linha horizontal da escala, centrando-o no ecrã. Coloca-se depois o comutador na posição AC.

• Com o comutador VOLT/ DIV pode-se atenuar ou amplificar o sinal.

No centro deste comutador há um botão que deve estar na posição CAL (calibrado). O osciloscópio tem dois canais (permite a visualização simultânea de dois sinais elétricos), havendo um comutador VOLT/ DIV para cada um.

• Para obter uma imagem nítida usam-se os comutadores de focagem (FOCUS) e de intensidade (INTENS); note-se que uma imagem muito cintilante pode queimar o ecrã!

 

 

1. Medição de períodos e frequências.

Um gerador de sinais é um aparelho que produz sinais elétricos com formas e frequências variadas. Ligue um gerador de sinais ao canal 1 do osciloscópio.

  • Selecione no gerador um sinal sinusoidal com determinada frequência (por exemplo, 1 kHz) e registe-a. Regule a amplitude do sinal no gerador para cerca de metade do valor máximo que ele pode fornecer.
  • Regule a base de tempo de modo a obter um ou dois ciclos no ecrã, o que facilitará a leitura da medida do período. Registe o valor da maior divisão da escala horizontal.
  • Registe o período do sinal.

 

 

 

2. Audição e limites de audição.

Ligue um altifalante (ou auscultador) à saída do gerador de sinais (com um «T»), de modo a ouvir sons com as frequências selecionadas no gerador. Registe numa tabela o valor da menor divisão da escala horizontal e todas as medidas que efetuar.

a) Para três frequências, de um som mais grave, outro agudo e um intermédio, varie a amplitude do sinal no gerador.

Relacione as intensidades dos sons escutados com as amplitudes dos sinais visualizados no osciloscópio. Meça os períodos, calcule as frequências e compare-as com as selecionadas no gerador.

b) Para um sinal de 1 kHz, regule a intensidade no gerador de modo que o som seja ouvido em toda a sala (se usar auscultadores, regule a intensidade de modo a conseguir ouvir o som). Sem alterar esta intensidade e a partir de 1 kHz, selecione frequências cada vez menores e, em seguida, frequências cada vez maiores. Registe a frequência mínima e a frequência máxima que consegue ouvir, que são os seus limiares de audição. Faça o mesmo registo para outro aluno e para uma pessoa mais velha.

3. Tipos de sinais.

Desligue o gerador de sinais do osciloscópio e ligue um microfone ao canal 1 do osciloscópio.

a) Produza um sinal sonoro com um diapasão, em frente ao microfone.

Visualize as características do sinal elétrico correspondente.

Varie a intensidade do som percutindo o diapasão com mais ou menos força e veja como variam as amplitudes do sinal elétrico.

Registe a frequência indicada no diapasão. Determine o período do sinal elétrico e calcule a sua frequência.

 

b) Emita sons direcionados para o microfone, por exemplo letras, palavras, assobios, e visualize os respetivos sinais elétricos.

Compare os sinais produzidos por diferentes alunos que emitem sons semelhantes.

4. Medição direta do comprimento de onda.

Desligue o gerador de sinais do osciloscópio e ligue um microfone ao canal 1 do osciloscópio.

Volte a usar o gerador de sinais ligado apenas ao altifalante. Ligue um segundo microfone ao osciloscópio no canal 2.

Produza um sinal no gerador, por exemplo de 1 kHz. Coloque os microfones lado a lado, junto a uma régua, em frente ao altifalante e à mesma distância dele, como na Figura. Observe que os dois sinais no osciloscópio ficam sobrepostos (se isso não acontecer, ajuste as posições dos microfones até que haja sobreposição).

Fixe um dos microfones e, em seguida, afaste o outro ao longo da régua, até que os sinais voltem a ficar sobrepostos. Meça a distância percorrida pelo microfone ao longo da régua. Esta é a distância a que a onda sonora se propagou num período; por isso é igual ao comprimento de onda da onda sonora.

 

 

Questões pós-laboratoriais

1. Apresente o resultado da medição do período que obteve no ponto 1 do trabalho laboratorial.

2. Como variou a intensidade do som emitido pelo altifalante quando aumentou a amplitude do sinal no gerador? Como justifica essa relação?

3. Apresente a tabela de dados experimentais relativa aos sinais elétricos visualizados no osciloscópio e produzidos pelo gerador de sinais (ponto 2 do trabalho laboratorial).

A partir do valor experimental da frequência de cada sinal, avalie a respetiva exatidão tomando como referência o valor marcado no gerador de sinais.

4. Quais foram os limiares de audição relativamente aos sons escutados pelas várias pessoas? Que conclui com base nesses valores?

5. Apresente o resultado da medição do período do diapasão. Determine a sua frequência e calcule o respetivo erro percentual, tomando como referência a frequência inscrita no diapasão.

6. Dos sinais observados no osciloscópio, quais corresponderam a sons puros? E a sons complexos?

7. Apresente o resultado da medição do comprimento de onda do som que se propagou do altifalante até ao microfone.

Qual seria o módulo da velocidade de propagação do som no ar, calculado com base neste procedimento?

8. Os sinais elétricos correspondentes à voz dos vários alunos foram iguais? Indique um atributo do som que os distingue, permitindo identificar os sons emitidos.

9. A tecnologia de reconhecimento de voz pode não funcionar se a pessoa estiver num ambiente ruidoso. Por que será? Que outras limitações tem esta tecnologia?

 

Questões Complementares

1. Ligaram-se dois microfones idênticos, 1 e 2, a um osciloscópio, com ambos os canais regulados para 5 mV/div. De seguida, dois diapasões foram percutidos. Um deles indicava 384 Hz e o outro 512 Hz. Os microfones foram colocados de forma que cada um apenas captava o som emitido por um dos diapasões. A figura seguinte representa o ecrã do osciloscópio.

a) Qual dos microfones captou o som emitido pelo diapasão de 512 Hz?

b) O som captado pelo microfone 1 é…

(A) mais agudo e menos intenso do que o captado pelo microfone 2.

(B) mais agudo e mais intenso do que o captado pelo microfone 2.

(C) mais grave e menos intenso do que o captado pelo microfone 2.

(D) mais grave e mais intenso do que o captado pelo microfone 2.

c) Os sons emitidos pelos diapasões propagam-se no ar.

Selecione a opção que indica corretamente o que se pode concluir, relativamente aos comprimentos de onda e velocidades de cada um dos sons.

(A)  ʎ1 > ʎ2 e v1 > v2

(B) ʎ1 > ʎ2 e v1 = v2

(C) ʎ1 < ʎ2 e v1 < v2

(D) ʎ1 < ʎ2 e v1 = v2

d) Da figura do ecrã apresentada em cima pode concluir-se que a base de tempo estava regulada para…

(A) 0,5 ms/div.

(B) 1,0 ms/div.

(C) 2,0 ms/div.

(D) 5,0 ms/div.

e) Determine a amplitude do sinal do canal 1 afetada da respetiva incerteza absoluta.

f) Determine, com base na figura, a relação quantitativa entre a frequência do sinal 2 e a do sinal 1, comparando o resultado obtido com a proporção expectável.

2. Um gerador de sinais regulado para uma determinada frequência foi ligado a um osciloscópio.

Na figura seguinte reproduz-se o ecrã do osciloscópio quando a base de tempo era de 1 ms/div e o comutador da escala vertical estava na posição de 2 mV/div.

a) Determine o período do sinal afetado da respetiva incerteza absoluta.

b) A função matemática que traduz a tensão, U, em função do tempo, t, correspondente ao sinal visualizado no ecrã, expressa em unidades SI, é…

(A) U = 2,8 × 10-3 sin(976 πt)

(B) U = 2,8 × 10-3 sin(4,1 x 10-3 πt)

(C) U = 5,6 × 10-3 sin(976 πt)

(D) U = 5,6 × 10-3 sin(4,1 x 10-3 πt)

c) Determine o erro relativo, expresso em percentagem, da frequência medida no osciloscópio, tomando como referência o valor fornecido pelo gerador de sinais, 500 Hz.

d) Considere que se altera a base de tempo para 0,5 ms/div e o comutador da escala vertical para 1 mV/div.

O mesmo sinal no ecrã no osciloscópio é

Contactos

© Triplex