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

¿Cómo se mide el volumen del sonido? ¿Qué significan los decibelios (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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