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Início/Ondas e som/Tubo sonoro

Tubo sonoro

Ondas estacionárias numa coluna de ar: tubo aberto f_n = n v/(2L) e fechado f_n = (2n−1) v/(4L); forma da pressão e série harmônica.

Tubo sonoro (coluna de ar 1D)

2.6 m
343 m/s
1

Aberto–aberto: todos os harmônicos inteiros f_n = n v/(2L). No tubo com uma ponta fechada, só os ímpares f_n = (2n−1) v/(4L). As séries reais misturam acoplamento, geometria da boca e perdas — aqui o modelo unidimensional do livro.

Grandezas medidas

Tipo de tuboAberto–aberto (flauta)
f (modo escolhido)65.96 Hz
λ (modo)5.20 m

Série harmônica (mesmos L, v)

nRótulof (Hz)
1Fundamental (todos os harmônicos)65.96
22º harmônico131.92
33º harmônico197.88
44º harmônico263.85
55º harmônico329.81
66º harmônico395.77
77º harmônico461.73
88º harmônico527.69

Sobre o modelo

Um tubo sonoro é uma coluna de ar com ondas sonoras estacionárias. No tubo aberto as duas pontas são nós de pressão (ventres de deslocamento); cabe um número inteiro de semiondas: f_n = n v/(2L), n = 1, 2, 3, … — a série harmônica completa. No tubo fechado uma ponta é ventre de pressão e a outra é nó: cabem quartos de onda ímpares, f_n = (2n−1) v/(4L), só os harmônicos ímpares. No gráfico, a amplitude de pressão ao longo do tubo no modo escolhido e a tabela de frequências com os mesmos L e v. Simplificações: paredes rígidas e lisas, sem perdas, velocidade do som constante, tubo fino (a correção de extremidade aberta não entra). Comprimento, v e o número do modo podem mudar; o tom do modo, se quiser, ouve-se.

Para quem: Ensino médio e início da graduação: ondas estacionárias num tubo, harmônicos dos instrumentos de sopro.

Conceitos-chave

  • tubo sonoro
  • onda estacionária
  • série harmônica
  • fundamental
  • nó de pressão
  • ventre de pressão
  • tubo aberto
  • tubo fechado

Como funciona

As condições nas pontas do tubo selecionam as ondas estacionárias de pressão. Aberto nas duas: f_n = n v/(2L), todos os harmônicos. Uma ponta fechada: f_n = (2n−1) v/(4L), só os ímpares. Na tela, a forma da pressão ao longo do tubo, a tabela da série e o tom do modo escolhido.

Fórmulas principais

Aberto–aberto: f_n = n v/(2L), n = 1,2,3,…

Tampão (aberto–fechado): f_n = (2n−1) v/(4L) — só harmônicos ímpares em relação ao fundamental do tubo aberto.

Perguntas frequentes

Por que o tubo fechado só dá harmônicos ímpares?
A ponta fechada é ventre de pressão; a aberta, nó. A onda estacionária mais simples é um quarto de λ. Os comprimentos seguintes que cabem são 3/4, 5/4, … de λ, isto é, os harmônicos ímpares.
O tubo fechado parece mesmo um clarinete?
É o modelo de primeira ordem do clarinete e da garrafa em que se sopra. Orifícios, correção de extremidade e perdas deslocam as frequências, mas a falta dos harmônicos pares fixa o timbre característico.
De que depende a velocidade do som, e para que ela serve aqui?
No ar v cresce com a temperatura (cerca de v ≈ 331 + 0,6 T °C m/s). As frequências são proporcionais a v, por isso um tubo quente do mesmo comprimento soa mais alto.
Por que no gráfico está a pressão, e não o deslocamento?
Pressão e deslocamento estão defasados de um quarto de período: ventre de pressão é nó de deslocamento, e o contrário. A ponta fechada lê-se bem como ventre de pressão, por isso se desenha p(x).