O som é a propagação de uma onda mecânica; esta onda propaga-se de forma circuncêntrica, apenas em meios materiais, como os sólidos, líquidos ou gasosos.
Os sons audíveis pelo ouvido humano têm uma frequência entre 20 Hz e 20.000 Hz. Acima e abaixo desta faixa estão ultra-som e infra-som, respectivamente.
Seres humanos e vários animais percebem sons com o sentido da audição, com os seus dois ouvidos, o que permite saber a distância e a posição da fonte sonora.
Os sons são usados de várias maneiras, muito especialmente para comunicação através da fala. A percepção do som também pode ser usada para adquirir informações sobre o ambiente, como as propriedades, características espaciais e presença de outros animais ou objectos. Por exemplo, morcegos, baleias e golfinhos usam a ecolocalização para voar, nadar por entre obstáculos e caçar as suas presas. Navios e submarinos usam o sonar e os seres humanos recebem e usam as informações espaciais percebidas em sons.
Esquema representando a audição humana. (Azul: ondas sonoras; Vermelho: tímpano; Amarelo: cóclea; Verde: Células receptoras de som; Púrpura: espectro de frequências da resposta da audição; Laranja: Potencial de ação do nervo.)
O eco é uma reflexão de som que chega ao ouvinte pouco tempo depois do som directo. Exemplo típico é o eco produzido no fundo de uma escadaria, por um edifício, ou numa sala, pelas paredes. Um eco verdadeiro é uma única reflexão da fonte de som. O intervalo de tempo é a distância extra dividida pela velocidade do som.
É necessário existir um obstáculo que esteja a mais do que 17 metros de distância da pessoa que emite o som; o obstáculo tem que ser feito de um material polido e denso que não absorva o som, por exemplo, metais, rochas e betão.
O ser humano detecta dois sons que estejam separados por 0,1 segundos, ou seja, para a velocidade do som no ar (340 m/s), esse tempo representa 34 metros. Como a velocidade é a distância sobre o tempo e o que nós queremos saber é a distância temos de ter d=v*t, assim vamos obter uma distância de 34 metros, no entanto essa é a distância de ida e volta ao obstáculo, logo temos de a dividir por dois para nos dá uma distância de 17 metros, distância ao obstáculo.
Assim, se o obstáculo estiver a menos de 17 metros não detectamos a diferença entre o som que emitimos e o som que recebemos, e desse modo, o eco não acontece apesar da onda ter sido reflectida.
Ecolocalização é um sentido, uma sofisticada capacidade biológica de detectar a posição e/ou distância de objectos ou animais através de emissão de ondas ultra-sónicas, no ar ou na água, e análise ou cronometragem do tempo gasto para essas ondas serem emitidas, reflectirem no alvo e voltarem à fonte sobre a forma de eco. Para diversos mamíferos, morcegos, golfinhos e baleias, essa capacidade é de importância crucial em condições onde a visão é insuficiente, de noite no caso dos morcegos ou em águas escuras ou turvas para os golfinhos, seja para locomoção ou para captura de presas. Alguns pássaros também utilizam a ecolocalização para voarem em cavernas. Baseado nessa capacidade natural os seres humanos desenvolveram a “ecolocalização artificial” com o radar, o sonare aparelhos de ultra-sonografia.
Ecolocalização nos morcegos
Os morcegos são animais mamíferos muito diferente dos demais, principalmente por serem os únicos adaptados ao voo, habilidade que compartilham com as aves e os insectos. Alimentam-se principalmente de insectos, frutos e também néctar de algumas flores.
A maioria dos morcegos possui um sentido adicional, aliado aos cinco sentidos com que os humanos estão acostumados: a ecolocalização, trata-se de um poderoso e importante recurso para a orientação à noite ou em ambientes escuros como cavernas e para captura de presas.
O morcego emite ondas ultra-sónicas, isso é, com frequência muito alta, na faixa de 20 a 215 kHz, pelas narinas ou pela boca, dependendo da espécie. Essas ondas atingem obstáculos no ambiente e voltam na forma de ecos com frequência menor. Esses ecos são recebidos pelo morcego e com base no tempo em que os ecos demoraram a voltar, nas direcções de onde vieram e nas direcções de onde nenhum eco veio, os morcegos percebem se há obstáculos no caminho, as distâncias, as formas e as velocidades relativas entre eles, no caso de insectos voadores que servem de alimento, por exemplo.
A eficiência da ecolocalização varia entre as espécies, sendo que os de hábito alimentar insectívoro, ou predadores de insectos em geral, possuem esse sistema mais desenvolvido. Mesmo na escuridão total, o morcego consegue capturar sua presa em pleno voo.
Segue-se um pequeno video-clip sobre a ecolocaliazação dos morcegos.
Ecolocalização nos golfinhos
Os golfinhos são animais mamíferos pertencentes à família Delphinidae. São perfeitamente adaptados para viver no ambiente aquático, existem 37 espécies conhecidas de golfinhos, dentre os de água salgada e água doce.
O golfinho possui um extraordinário sistema acústico de ecolocalização que lhe permite obter informações sobre outros animais e o ambiente, pois consegue produzir sons de alta frequência ou ultra-sónicos, na faixa de 150 kHz, sob a forma de “click’s” ou estalidos. Esses sons são gerados pelo ar inspirado e expirado através de um órgão existente no alto da cabeça, os sacos nasais ou aéreos. Os sons provavelmente são controlados, amplificados e enviados à frente através de uma ampola cheia de óleo situada na nuca ou testa, o Espermatócito, que dirige as ondas sonoras em feixe à frente, para o ambiente aquático. Esse ambiente favorece muito esse sentido, pois o som se propaga na água cinco vezes mais rápido do que no ar. A frequência desses estalidos é mais alta que a dos sons usados para comunicações e é diferente para cada espécie.
Quando o som atinge um objecto ou presa, parte é reflectida de volta na forma de eco e é captado por um grande órgão adiposo ou tecido especial no seu maxilar inferior, sendo os sons transmitidos ao ouvido interno ou médio e daí para o cérebro. Grande parte do cérebro está envolvida no processamento e na interpretação dessas informações acústicas geradas pela ecolocalização.
Assim que o eco é recebido, o golfinho gera outro estalido. Quanto mais perto está do objecto que examina, mais rápido é o eco e com mais frequência os estalidos são emitidos. O lapso temporal entre os estalidos permite ao golfinho identificar a distância que o separa do objecto ou presa em movimento. Pela continuidade deste processo, o golfinho consegue segui-los, sendo capaz de o fazer num ambiente com ruídos.
A ecolocalização dos golfinhos, além de permitir saber a distancia do objecto e se o mesmo está em movimento ou não, permite saber a textura, a densidade e o tamanho do objecto ou presa. Segue-se outro video, mas agora relativamente aos golfinhos.
Ecolocalização artificial
Foi a partir do estudo da ecolocalização que os seres humanos desenvolveram a “ecolocalização artificial”, de grande importância na aeronáutica, navegação e medicina, como o radar, o sonar e os aparelhos de ultra-sonografia.
O radar é encontrado em aviões e aeroportos e utiliza ondas eletromagnéticas.
O radar é composto por uma antena transmissora receptora de sinais para Super Alta Frequência (SHF), a transmissão é um pulso electromagnético de alta potência, curto período e feixe muito estreito. Durante a propagação pelo espaço, o feixe alarga-se em forma de cone, até atingir ao alvo que está a ser monitorizado, sendo então reflectido, e retornando para a antena, que nesse momento é receptora de sinais.
Como se sabe a velocidade de propagação do pulso, e pelo tempo de chegada do eco, pode-se facilmente calcular a distância do objecto. É possível também, saber se o alvo se está a afastar, ou a aproximar da estação.
O sonar, presente em navios e submarinos, faz uso de ondas ultra-sónicas para orientação da navegação.
Este sistema inicialmente era empregado na localização de submarinos (em guerras), mas hoje em dia é também usado no estudo e pesquisa dos oceanos (determinação de profundidades ou de depressões) e na pesca, para a localização de cardumes.
O princípio básico de funcionamento do sonar é a emissão de ultra-sons por um aparelho colocado nos navios, acoplado a um receptor de som. O som emitido propaga-se na água, reflecte-se no fundo dos oceanos ou nos objectos (peixes), retorna e é captado pelo receptor, que regista a variação de tempo entre a emissão e a recepção do som, fazendo cálculos ele determina a distância e a velocidade do objecto.
Na segunda década do século XX foram construídos navios com equipamentos de recolha do eco do fundo oceânico - sonares. Estes emitem ultra-sons que chocam com o fundo oceânico e regressam ao navio permitindo saber a profundidade e a forma do fundo oceânico. Mais tarde foram construídos os side-scan, sonar que permitem produzir imagens a preto e branco dos fundos oceânicos, seguiram-se os multibeam sonar que permitem a construção de mapas detalhados do fundo oceânico e actualmente utilizam-se os satélites para desenhar mapas representativos dos fundos oceânicos e também para definir a topografia das zonas inacessíveis aos navios.
A Ultra-sonografia contribui como auxílio no diagnóstico médico e veterinário, sendo sua aplicação mais ampla em seres humanos, particularmente durante a gravidez com a ecografia.
A ultra-sonografia é um método diagnóstico que aproveita o eco produzido pelo som para ver em tempo real as reflexões produzidas pelas estruturas e órgãos do organismo. Os aparelhos de ultra-som em geral utilizam uma frequência variada dependendo do tipo de transdutor, desde 2 até 14 MHz, emitindo através de uma fonte de cristal piezoeléctrico que fica em contacto com a pele e recebe os ecos gerados, que são interpretados através da computação gráfica. Quanto maior a frequência maior a resolução obtida. Conforme a densidade e composição das estruturas a atenuação e mudança de fase dos sinais emitidos varia, sendo possível a tradução em uma escala de cinza, que formará a imagem dos órgãos internos.
A ultra-sonografia é um dos métodos de diagnóstico por imagem mais versáteis e ubíquos, de aplicação relativamente simples e com baixo custo operacional. A partir dos últimos vinte anos do século XX, o desenvolvimento tecnológico transformou esse método em um instrumento poderoso de investigação médica dirigida, exigindo uma conduta participativa do usuário. Segue-se mais um filme, desta vez de um ecografia com a explicação do médico.
Deixo o link de um outro blog que tem um noticia sobre um adolescente que ficou cego com apenas dois anos de idade e conseguiu desenvolver mecanismos de ecolocalização.
Nota: O video presente no blog é bastante interessante, no entanto pode causar uma ligeira impressão no início, dado que o adolescente em questão aparece sem olhos e mais tarde a colocá-los.
