¡Descarga BF. Tema 3: Voz y audición y más Apuntes en PDF de Biofísica solo en Docsity!
3. BIOFÍSICA DE LA PRODUCCIÓN DE LA VOZ
Y LA AUDICIÓN
3.1. Ondas sonoras
El sonido es un tipo de onda electromagnética de presión, una perturbación de la presión que se transmite como una onda longitudinal a través de la vibración de las partículas de un medio elástico. Las ondas transportan energía, no materia.
Una onda es una perturbación que se propaga en el espacio, y una onda mecánica es una perturbación que se propaga en un medio.
Oscilograma
Las vibraciones , no las moléculas, se transmiten longitudinalmente (como un muelle), mediante la compresión y descompresión de las moléculas locales del aire. La compresión y la descompresión generan alteraciones muy sutiles de la presión del entorno y esto es lo que se representa con el oscilograma : la evolución de las oscilaciones de la presión a lo largo del tiempo.
Ondas sinusoidales
Con tal de poder aplicar métodos de análisis sobre las ondas, necesitamos definirlas matemáticamente:
Hablamos entonces de ondas sinusoidales :
A: Amplitud
F: Frecuencia, oscilaciones completas que se producen por unidad de tiempo
Hay diversos tipos de ondas sonoras:
Ondas simples : periódicas, sinusoidales: o Descritas matemáticamente por una única función sinusoidal o Sonidos simples (ej. Diapasón) o Cada uno de los componentes de un sonido complejo harmónico está formado por ondas simples Ondas complejas harmónicas : periódicas, no sinusoidales o NO se pueden describir matemáticamente con una única función sinusoidal: son la suma de diferentes funciones sinusoidales. Se generan por interferencia de ondas sinusoidales. o Notas de los instrumentos musicales o Sonidos sonoros de la voz humana Ondas complejas no periódicas o = ruido o Ej. Sonidos consonánticos sordos
Análisis de Fourier
Mediante el Análisis de Fourier podemos analizar los componentes de las ondas complejas. Para ello es necesario describir matemáticamente las ondas para poder aplicar el método de análisis.
Según el Teorema de Fourier , cualquier onda periódica compleja se puede descomponer en una serie de ondas sinusoidales:
El primer harmónico tendrá la misma frecuencia de onda que la de la onda compleja (frecuencia fundamental, f0) El resto de harmónicos tendrán una frecuencia múltiple entera de la fundamental Cada componente ajustará en el cálculo su amplitud, según la frecuencia
Ejemplos del análisis de Fourier:
Ejemplo 1:
Ejemplo 2: Onda compleja harmónica
Ejemplo 3: Onda compleja no periódica (ruido)
Percepción de la intensidad: Weber-Fechner
La percepción de la intensidad no es directamente proporcional. Según Weber - Fechner:
Multiplicar por 10 la intensidad no nos lleva a percibirla 10 veces mayor, sino solo 2 veces mayor (x2). Más concretamente, la relación entre el estímulo y su percepción es logarítmica. La variación percibida será proporcional a la variación relativa en el estímulo, no a la absoluta:
Rangos de intensidades sonoras audibles
Intensidad. Escala en belios
La variación de la intensidad percibida es proporcional a la variación relativa del estímulo
Más concretamente, la relación entre el estímulo y su percepción es logarítmica
Utilizamos siempre el valor 10-12^ Wm-2^ si no se dice lo contrario, porque es el mínimo audible 0 belios NO es silencio, es p. ej. El sonido de un mosquito a 3 metros de distancia 120 dB es el lindar del daño, por encima significa destrucción La variación mínima discernible son 0,1 B o 1 dB. La escala en dB está referenciada y es logarítmica. Son posibles valores inferiores a 0 dB, ejemplo:
Lindar del daño a corto plazo = 120 dB Lindar del dolor = 120 – 130 dB
Lindar del daño a largo plazo = 85 dB
Los rangos de las frecuencias audibles son:
Los valores lindares se modifican de la siguiente manera según la frecuencia:
El tono
El tono de un sonido simple viene determinado por la frecuencia de la onda sonora, por lo tanto, el tono es la percepción de la frecuencia de un sonido.
El tono de un sonido complejo harmónico viene dado por su frecuencia fundamental:
Ej. de sonidos complejos harmónicos: sonidos vocálicos, sonidos consonánticos sonoros, mayoría de sonidos musicales, etc.
El timbre
El timbre es la cualidad que confiere al sonido la relación de harmónicos que acompañan a la frecuencia fundamental. Nos permite identificar la fuente del sonido, por ejemplo reconocer la voz de una persona conocida entre una multitud que habla.
También nos permite diferenciar instrumentos musicales:
Lindares auditivos patológicos
La hipoacusia
Una hipoacusia producida por exposición habitual a sonidos mayores de 85 dB produciría una destrucción de las células ciliadas de la región de máxima sensibilidad. Normalmente es bilateral simétrica:
La presbiacusia
Es una hipoacusia progresiva en las personas mayores de 50 años. Se produce por una muerte de las células ciliadas desde las frecuencias más altas. Por tanto los audífonos modernos pueden solucionarlo amplificando diferentes intensidades a diferentes frecuencias.
La presbiacusia acaba eliminando regiones que codifican información del habla, como son las consonantes ricas en sonidos de alta frecuencia y las vocales con parte de la información definitoria a frecuencia alta.
Hay diferentes grados de presbiacusia:
3.3. Producción de la voz
Con el fin de producir sonidos empleamos múltiples partes de nuestro cuerpo, como son:
Fuente de energía
La fuente de energía en la producción de la voz es:
El aire expirado mediante los músculos de la respiración (diafragma), por este motivo modificamos los tiempos de inspiración y expiración según estemos hablando o en silencio: o En reposo sin hablar:
Oído normal Presbiacusia moderada
Presbiacusia severa
Cuando la velocidad del paso de un fluido aumenta, la presión disminuye, por lo que: La acción muscular se impone transitoriamente a la presión sub-glotal
El sonido glotal
El sonido que se produce en este primer momento no es la voz tal y como la conocemos, es el sonido glotal , que sufre múltiples modificaciones hasta convertirse en lo que conocemos como voz. La onda del sonido glotal se produce en los momentos en los que la glotis empieza a abrirse hasta que se cierra:
Se trata de un tren de ondas triangulares, que como veremos más adelante es el resultado de la interferencia de una serie harmónica exponencial decreciente.
Teoría aerodinámica-mioelástica
La generación de la onda glotal se produce por la teoría aerodinámica-mioelástica, mediante la resonancia de cuerdas (los pliegues vocales se comportan como cuerdas):
La resonancia es la aplicación de una fuerza externa periódica. Cuando la frecuencia externa coincide con la frecuencia resonante la oscilación tiene la máxima amplitud (Antinodo). Se trata de una onda estacionaria.
El sonido complejo está constituido por una serie harmónica:
Un componente con la f 0 y un conjunto de harmónicos con f múltiple natural de la f 0
Un ejemplo de espectro de frecuencias del sonido glotal producido por la vibración de los pliegues vocales:
La frecuencia fundamental se encuentra normalmente entre los 100 y los 300 Hz, sin embargo algunas sopranos son capaces de tensar los pliegues hasta conseguir una frecuencia fundamental de 1.500 Hz. En este ejemplo es de 100 Hz.
Los harmónicos pueden llegar a ser de 4000 a 5000 Hz, aunque el número de harmónicos depende de la frecuencia fundamental:
Abuso de la voz
Con la inflamación lo cual provoca un tono de voz más grave de lo normal (voz ronca)
También se produce cierta rigidez que conlleva:
Entonación limitada (f 0 máxima baja) No llegan a intensidades elevadas ( I máxima baja) La serie harmónica se ve acortada Se necesita hacer un mayor esfuerzo, con lo cual se fatiga la voz Afonía se puede susurrar, ya que se puede resonar y articular el aire expirado sin fonación
Sistema resonante
El espectro de frecuencias del sonido glotal no da una onda muy informativa. Si solo modificáramos la frecuencia hablaríamos como un instrumento musical, cambiando el tono (la f 0 ).
El tracto vocal constituye un sistema resonador variable que modifica el sonido glotal. Nuestro sistema resonante es un tubo cerrado por un extremo y abierto por el otro extremo:
Al igual que una cuerda, la columna de gas contenida dentro de un tubo puede vibrar de diferentes formas o modos, generando sonidos de distinta frecuencia. Se generan muchas
frecuencias diferentes que dependen de la velocidad a la que va el aire. De todas las frecuencias solo resuenan correctamente en el tubo las que corresponden a ondas estacionarias que se acomoden a las condiciones de los bordes y los extremos: Los harmónicos del sonido glotal con frecuencias próximas a las de resonancia, estableces ondas estacionarias y su amplitud aumenta. Sin embargo, los harmónicos con frecuencias alejadas a las de resonancia experimentan interferencias destructivas y su amplitud disminuye.
Un ejemplo sería:
