Como o volume do som é medido? O que significam decibéis (dB)?

Os sons que ouvimos todos os dias podem ser suaves ou muito altos, mas como podemos medir o quão alto é um som? É aqui que entram em jogo os decibéis (dB), que é uma escala que usamos para medir a intensidade do som, mas o que exatamente esses números significam?

Se você já se fez pelo menos uma destas perguntas:

• Como o som é medido?
• O que significam decibéis?
• Por que a escala de ruído não é linear e a diferença entre um ruído suave e um ruído irritante é muito pequena?

Este artigo é para você.

Mas antes de tudo:

O que é som?

O som é uma forma de energia que se move através do ar (e de outros meios) em ondas. Quando algo vibra, como as cordas de um violão ou o topo de um tambor, cria ondas sonoras que se espalham em todas as direções. Essas ondas fazem vibrar o ar ao seu redor e, ao chegarem aos nossos ouvidos, fazem vibrar pequenas partes de seu interior, permitindo-nos ouvir.

Tecnicamente, o som é caracterizado por sua frequência, medida em hertz (Hz), que determina o tom (alto ou baixo), e sua intensidade, medida em decibéis (dB), que determina o quão alto o ouvimos.

A velocidade do som varia dependendo do meio pelo qual ele se propaga. Aqui estão alguns exemplos da velocidade do som em diferentes mídias:

• Ar: A 20°C (temperatura ambiente), o som viaja a cerca de 343 metros por segundo.
• Água: Na água doce à temperatura ambiente, o som viaja a aproximadamente 1.482 metros por segundo.
• Aço: No aço, o som pode se mover muito mais rápido, atingindo velocidades de cerca de 5.960 metros por segundo.
• Vidro: O som viaja através do vidro a uma velocidade de cerca de 5.600 metros por segundo.

Essas velocidades podem variar dependendo de fatores como temperatura e densidade do meio. Em geral, o som viaja mais rápido em meios mais densos e rígidos, como os metais, do que em meios menos densos, como o ar ou a água.

Como o som é medido?

O som é medido principalmente em decibéis (dB), que é uma unidade que descreve a intensidade ou nível de pressão do som. Aqui explico como funciona:

Pressão Sonora : O som é produzido por variações de pressão no ar ou em outros meios. Essas variações são medidas em pascais (Pa).

Decibéis : Os decibéis usam uma escala logarítmica, o que significa que um pequeno aumento em dB representa um grande aumento na intensidade do som. Por exemplo, um som de 10 dB é 10 vezes mais alto que um som de 0 dB, e um som de 20 dB é 100 vezes mais alto que um som de 0 dB.

Medição : Para medir o som, são utilizados dispositivos chamados medidores de nível sonoro. Esses dispositivos capturam o som e calculam seu nível em decibéis com base na pressão sonora que detectam.

Usamos uma escala logarítmica para medir o som porque esta escala reflete com mais precisão a forma como o ouvido humano responde às mudanças na intensidade do som.

• O ouvido humano possui uma faixa dinâmica muito ampla para detectar sons de intensidades muito diferentes, desde o sussurro mais fraco até o rugido mais ensurdecedor. Essa faixa inclui variações de intensidade de até um milhão de vezes em termos de pressão sonora, o que é impraticável de ser manuseado em uma escala linear.

• Experimentalmente, observou-se que a percepção da intensidade sonora pelo ouvido humano não é linear, mas sim logarítmica. Isto significa que um aumento linear da energia acústica não se traduz num aumento linear da percepção da sua intensidade.

• A escala de decibéis, sendo uma escala logarítmica, converte a ampla gama de intensidades em uma escala mais compacta e manejável. Um aumento de 10 dB é sempre percebido como aproximadamente o dobro da intensidade sonora, independentemente do ponto de partida. Isto simplifica a quantificação e comparação dos níveis de ruído em termos práticos e técnicos.

A medição em decibéis representa uma relação logarítmica em relação a uma intensidade de referência predeterminada. Essa intensidade de referência é 20 $\mu \text{Pa}$ (micropascais), que é a pressão sonora mais baixa que o ouvido humano pode detectar em condições ideais, conhecida como limiar auditivo.

Portanto, os decibéis expressam a razão entre a intensidade de um som comparada a ele de forma logarítmica. Por exemplo, um som que mede 20 dB é 100 vezes mais alto que o nível de referência porque ${10}^{20/10}=100$. Esta abordagem logarítmica ajuda a gerenciar e comparar de forma mais eficaz a ampla gama de intensidades sonoras que o ouvido humano pode perceber.

Além de usar pascais para medir a pressão sonora, a medição de watts por metro quadrado $(W/m^2)$ também pode ser usada para representar a intensidade sonora. A pressão sonora é uma medida direta da variação de pressão no ar ou outro meio devido à propagação das ondas sonoras. É medido em pascal (Pa) e reflete a força com que as moléculas do meio são comprimidas e descomprimidas pela onda sonora. A intensidade do som é uma medida da potência acústica transmitida através de uma unidade de área. É expresso em watts por metro quadrado $(W/m^2)$. Esta medição considera tanto a pressão sonora como a velocidade das partículas no meio, fornecendo uma indicação de quanta energia está sendo transportada pela onda sonora através do meio.

A relação entre intensidade sonora e pressão sonora é definida pela equação $I=p^2/(c\rho )$, onde p é a pressão sonora, c é a velocidade do som no meio, e $rho$ é a densidade do meio. Esta equação mostra como a energia (intensidade) depende da pressão sonora e das propriedades do meio.

Fórmulas para calcular decibéis (db)

Fórmula usando Pascal

$L_p=20{\log }_{10}\left(\frac{p}{p_{\text{ref}}}\right)$

Onde:

• $L_p$ é o nível de pressão sonora em decibéis (dB).
• $p$ é a pressão sonora medida em pascal (Pa).
• $p_{\text{ref}}$ é a pressão sonora de referência, comumente $20\mu \text{Pa}$ para o ar.

Fórmula usando watts por metro quadrado

$L_I=10{\log }_{10}\left(\frac{I}{I_{\text{ref}}}\right)$

Onde:

• $L_I$ é o nível de intensidade sonora em decibéis.
• $I$ é a intensidade do som em watts por metro quadrado $(W/m^2)$.
• $I_{\text{ref}}$ é a intensidade de referência, comumente $1\times {10}^{-12}W/m^2$ para o ar.

Exemplos de intensidades sonoras na escala logarítmica de decibéis (dB)

• 0 dB : Limiar de audição humana, o som mais suave que uma pessoa pode perceber em condições ideais.
• 10-20 dB : Sussurros suaves, folhas em movimento.
• 30 dB : Biblioteca silenciosa, sussurros a um metro de distância.
• 40 dB : Sala silenciosa de uma casa, o zumbido de uma geladeira.
• 50 dB : Chuva moderada, conversa em casa.
• 60 dB : Conversa normal, ar condicionado a três metros de distância.
• 70 dB : Aspirador, trânsito automóvel a distância moderada.
• 80 dB : Trânsito intenso, telefone tocando, despertador.
• 90 dB : Cortador de grama, caminhão de lixo.
• 100 dB : Motocicleta, show de rock em uma pequena sala.
• 110 dB : Concertos de rock, serras elétricas.
• 120 dB : Sirene de ambulância próxima, decolagem de avião a curta distância.
• 130 dB : Limiar de dor, britadeira, show de fogos de artifício.
• 140 dB : Disparo de arma de fogo, lançamento de foguete.

Curiosidades:

• O som viaja quase 5 vezes mais rápido na água do que no ar, mas também atenua muito mais rápido.

• O limiar de audição humana é a intensidade mínima necessária para que o ouvido médio detecte um som. Está definido em 0 decibéis (dB), mas isso não significa ausência total de som, mas sim o som mais suave que uma pessoa pode perceber em condições ideais.

• Acima de 130 dB, o som torna-se fisicamente doloroso para os ouvidos humanos. Essa intensidade pode causar danos auditivos imediatos e é comum ao ouvir tiros e explosões de perto.

• Ainda existem sons abaixo de 0 dB, mas estão fora da faixa normal da audição humana. Esses sons são considerados subaudíveis.

• O ouvido humano pode detectar frequências de aproximadamente 20 Hz a 20.000 Hz. No entanto, somos mais sensíveis a frequências entre 2.000 e 5.000 Hz, que é a faixa de frequência da voz humana.

• O som mais alto que pode ser medido com segurança é de aproximadamente 194 dB, uma vez que em níveis mais elevados, a pressão sonora torna-se uma onda de choque (uma mudança abrupta e extremamente rápida na pressão), que é mais um fenômeno de impacto do que um som audível. Essa onda é semelhante à emitida pelas aeronaves supersônicas quando ultrapassam a velocidade do som.

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