Tema 1 de fónico y fonética (los espacios en blanco corresponden a dibujos que añado para aclararme, Apuntes de Lingüística. Universidad Complutense de Madrid (UCM)
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Tema 1 de fónico y fonética (los espacios en blanco corresponden a dibujos que añado para aclararme, Apuntes de Lingüística. Universidad Complutense de Madrid (UCM)

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Asignatura: Laboratorio de Fonética Acústica, Profesor: Bautista Horcajada Diezma, Carrera: Lingüística y Lenguas Aplicadas, Universidad: UCM
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TEMA 1: LOS FUNDAMENTOS DEL SONIDO Y SU MODULACIÓN

1. LAS ONDAS SONORAS

Los sonidos del habla no son más que un pequeño grupo dentro del conjunto enorme de sonidos que el oído humano es capaz de percibir. Todos ellos tienen una última causa común: el movimiento. Evidentemente, este movimiento puede ser de muchos tipos según sea producido por una fuente de sonido o por otra. En estos casos el impulso motriz que hemos transmitido a la fuente del sonido ha causado una perturbación considerable en la masa de aire circundante. Esta alteración se irá propagando desde las zonas más cercanas a la fuente hasta las más lejanas, para alcanzar finalmente nuestro tímpano. Así pues, desde el momento en que se ha producido el movimiento original hasta que nosotros percibimos el sonido a que da lugar transcurre un cierto periodo de tiempo, en la mayor parte de las ocasiones tan breve que nos resulta imperceptible.

La velocidad de transmisión de esta perturbación es, en efecto, muy elevada y depende del medio a través del cual se produzca. Es sabido que el agua es mejor transmisor que el aire.

Para estudiar y explicar el sonido, la acústica, intentar entender su estructura… utilizamos la teoría ondulatoria. Esta teoría explica fenómenos físicos muy dispares, es decir, sin aparente relación entre sí. Todas las teorías ondulatorias tratan de eventos periódicos, es decir, que se repiten a intervalos regulares de tiempo.

Las ondas transportan energía, no materia. La energía es la que obliga a las moléculas que se pongan en esa posición. Algunas poseen un movimiento periódico: se repite en intervalos regulares. Las cuerdas vocales, por ejemplo, vibran a una frecuencia regular. El movimiento se repite con regularidad, si no sería ruido. Un sonido tiene una determinada frecuencia, de esta forma las identificamos después. Por ejemplo, el sonido [∫]. La forma más básica es el movimiento pendular, un tipo de movimiento periódico.

Para que se produzca una onda se necesita:

• Aplicar una fuerza o fuente. Por ejemplo, si un muelle está en reposo no habrá movimiento y onda.

• Desplazamiento de las partículas por el medio.

• El movimiento varía dependiendo de la cantidad de energía aplicada. Cuanto más, mayor desplazamiento de las partículas.

Hay que destacar que las ondas sonoras son mecánicas, necesitan un medio para propagarse.

1. TIPOS DE ONDAS

1.1.1. Ondas transversales.

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Las partículas se desplazan perpendicularmente a la dirección en que se mueve la onda.

1.1.2. Ondas longitudinales.

Las partículas se desplazan paralelamente a la dirección en que se mueve la onda. Si yo muevo la primera, choca con la segunda, lo que provoca que la primera vuelva, etc. Siempre que el medio sea elástico.

La dirección en que se mueven las partículas individualmente es la misma en que se produce la vibración de la fuente.

1.2. ANATOMÍA DE UNA ONDA

1.2.1. Ondas simples

Una onda es una sucesión de cimas y valles que se desplazan por un medio hasta encontrar el final. Las ondas son dos sinusoides, es decir, dos movimientos oscilatorios sumamente simples.

Una onda es sinuosa y se trata de una perturbación que se desplaza a través de un medio desde un lugar a otro. Es una propagación de una perturbación a través de un medio material como es el aire, en forma de una serie sucesiva de compresiones y rarefacciones alternas que afectan a cada una de las partículas componentes de ese medio. Cuando las partículas están más próximas entre sí de lo normal, decimos que existe un estado de compresión. Por el contrario, cuando se encuentran más distantes entre sí de lo habitual, hablamos de un estado de rarefacción. Por lo tanto, podemos decir que a un aumento de la presión le sucede un descenso de ésta, o lo que es lo

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mismo, a la fase de compresión le sucede la de rarefacción. Cuando por fin alcance nuestro oído, serán estos cambios de presión los que nos harán percibir la sensación de sonido.

No se puede medir el desplazamiento de las partículas que debe ser mínimo. Se mide el grado de compresión, punto en un medio a través del cual se está desplazando una onda longitudinal que tiene la máxima densidad. No se mide el desplazamiento, si no el aumento de la presión donde las partículas se amontonan. Las cimas es donde hay mayor presión de la normal. Valle donde menos.

En la compresión se aumenta la presión y en la rarefacción (punto en un medio a través del cual se está desplazando una onda longitudinal que tiene la mínima densidad) disminuye.

La suma de estos dos momentos es lo que denominamos ciclo. En otras palabras, un ciclo es una vibración completa o la variación completa desde la cresta de la onda (máxima comprensión) hasta el valle de la onda (máxima rarefacción) y nuevamente a la cresta.

1.2.2. Conceptos básicos.

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Amplitud: máximo desplazamiento de una partícula desde su posición de reposo si estamos hablando de las ondas transversales y máxima presión si es una onda longitudinal.

Longitud de onda: longitud de un ciclo completo de la onda. Distancia que hay entre dos puntos equivalentes. Puede medirse como la distancia de cima a cima o de valle a valle.

Frecuencia (f): número de ciclos de vibración de un medio por unidad de tiempo. La unidad de frecuencia es el Hertzio (Hz).

• 1Hz=1 ciclo por segundo (Cuanto tiempo tarda una onda en completar su ciclo).

• Por ejemplo, una voz de 90Hz tiene una frecuencia de 90 ciclos por segundo.

Periodo (T): tiempo que una partícula de un medio emplea en completar un ciclo. La frecuencia habla de ciclos por segundo, el periodo de segundos por ciclo.

Por ejemplo, 10Hz=10 ciclos por segundo (f) 1 seg./100Hz=0,01 seg. por ciclo.

La frecuencia de una onda no debe confundirse con su velocidad. La velocidad de una onda es la distancia recorrida por un punto dado de la misma en un determinado periodo de tiempo. La frecuencia se refiere al número de ciclos por segundo; la velocidad al número de metros por segundo.

1.2.3. Ondas complejas.

La creación de ondas periódicas complejas es la superposición de las ondas. Una onda compleja es la suma de cada una de las ondas simples que se producen. La voz, por ejemplo, implica ondas complejas.

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Cuando se produce una interferencia de ondas, esta puede ser:

Constructiva: cima encuentra cima o valle encuentra valle, por tanto la intensidad sube, se refuerza cada vez más.

Destructiva: cima encuentra valle y se neutralizan.

Cuando dos ondas se interfieren, el desplazamiento resultante del medio en cualquier punto será la suma algebraica de los desplazamientos de las ondas individuales en ese mismo punto.

Tabla de interferencia de ondas Desplazamiento onda 1 Onda 2 Resultado

+1 (Cima) +1 (Cima) +2 -1 (Valle) -1 (Valle) -2 +1 (Cima) -1 (Valle) 0 +1 (Cima) -2 (Valle) -1 +2 (Cima) -1 (Valle) +1

1.2.4. Estructura de ondas estacionarias.

Una estructura de onda estacionaria es una estructura vibratoria creada en el interior de un medio cuando la frecuencia de vibración de la fuente provoca ondas reflejadas desde un extremo del medio que interfieren con ondas incidentes de la fuente, de tal manera que hay puntos específicos a lo largo del medio que no presentan ningún desplazamiento.

Una estructura de ondas estacionarias es un fenómeno de interferencia. No son ondas, sino estructuras que resultan de las presencia de dos o más ondas de la misma frecuencia que viajan en direcciones opuestas.

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La onda está confinada en un sitio de forma que se refleja en los dos extremos. Esto es importante. Tanto, como que es parte de la propia definición de onda estacionaria. Cuando hablamos de ondas estacionarias, no son unas ondas especiales, sino que es una estructura donde las ondas interfieren de tal forma que ocurre esto. Que sí, ondas hay, pero están ahí confinadas.

Como mínimo tendremos dos nodos (los dos extremos). Y como los dos extremos son nodos siempre y los antinodos están entre medias de dos nodos, siempre tenemos un nodo más que antinodos haya. Además, está claro que la longitud de la estructura es un múltiplo de la mitad de la longitud de onda de la onda estacionaria.

• Cada frecuencia de vibración está asociada con una estructura de onda estacionaria.

• Esas frecuencias y sus estructuras de ondas estacionarias se denominan armónicos: primer armónico, tercer armónico, etc.

• La frecuencia de cada armónico está relacionada matemáticamente con la frecuencia del primer armónico y es, por tanto, predecible. Por tanto, el primer armónico se da cuando la longitud de onda de la misma es el doble que la longitud de la estructura (si la estructura mide 12, ese es el primer armónico, los demás armónicos son todos múltiplos de 12).

Tabla de frecuencias armónicas Armónico Nodos Antinodos Configuración

1 2 1

2 3 2

3 4 3

4 5 4

5 6 5

N ésimo n+1 n

En el cuerpo humano, las frecuencias más bajas de voz vibran más en el pecho, y las frecuencias más altas vibran en la cabeza. La vibración más baja de las cuerdas vocales son unos 100Hz.

1.2.5. Detección de una onda sonora.

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El sonido es una onda de presión. La representación de un sonido mediante una onda sinusoidal es un recurso para ilustrar la naturaleza sinusoidal de las fluctuaciones presión-tiempo. Tenemos una sucesión de compresiones y rarefacciones en el aire, que es la que produce la onda de presión.

Los detectores (como por ejemplo el oído) captan las diferencias de presión que pasan sucesivamente por el punto donde se instalan.

En el tímpano se reciben las ondas de presión. Como internamente tiene una presión, digamos que constante, cuando le llega un punto de compresión, empuja el tímpano hacia adentro para igualar las presiones dentro de fuera del oído. Si hay un punto de rarefacción, el tímpano saldrá hacia afuera por la misma razón. Este movimiento se repite una y otra vez. Es el primer paso para percibir los sonidos. Cuando el tímpano está estático quiere decir que la presión es la misma tanto dentro como fuera del oído. Hay una membrana, el caracol, que los almacena por zonas de frecuencia hasta producir la sensación en la cabeza.

2. SONIDO

2.1. PROPIEDADES GENERALES

El sonido es una onda longitudinal y mecánica. Esto último quiere decir que no se transmite en el vacío porque necesita partículas que tengan entre sí choques elásticos. La perturbación se desplaza paralelamente a la dirección a la que se desplazan las partículas.

Del tímpano pasa a la cadena de huesecillos: donde cada parte del oído registra una frecuencia distinta y de ahí se envía al cerebro la señal que se convierte en una señal acústica.

La onda sonora consiste en una estructura repetida de altas presiones y bajas presiones que se desplazan por el medio. Es una onda de presión. El oído en realidad percibe ondas de presión en el medio.

El sonido en sí, no existe. Es una sensación que tiene nuestro cerebro, su interpretación de estas ondas de presión en el aire.

2.2. PROPIEDADES DEL SONIDO Y SU PERCEPCIÓN

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Por lo general, el oído humano es capaz de detectar ondas sonoras con un rango de frecuencias de 20-20.000Hz. Aunque es normal que a partir de 17-18KHz no se llegue a apreciar porque el tímpano no es lo suficientemente elástico.

• Los infrasonidos son aquellos sonidos con frecuencias inferiores a 20Hz. En este tipo de sonidos la frecuencia es tan baja que no escuchamos nada porque el tímpano no lo percibe y, por tanto, permanece estático (no se mueve).

• Los ultrasonidos con aquellos con frecuencias superiores a 20.000Hz. En este tipo de sonidos la frecuencia es muy alta y no escuchamos nada porque el tímpano no es lo suficientemente elástico y, por lo tanto, no puede expandirse a esa velocidad.

Con la edad, la flexibilidad del tímpano disminuye y por tanto alcanza un menor rango y más difícil percibir sonidos de más baja y alta frecuencia.

1. Frecuencia y tono.

La frecuencia de una onda sonora tiene un correlato perceptivo denominado tono (pitch). Un hecho físico como la frecuencia de una onda, a nosotros nos produce una percepción, vía cerebro, que se denomina tono. Tiene un poco que ver con las notas musicales, según cambia la frecuencia cambia la “nota” y si se duplica su frecuencia, se escucha como si fuera la misma nota pero más aguda (en la octava siguiente).

Cuando se tiene un sonido a una frecuencia, por razones de resonancia y varios, también se tienen sonidos a las frecuencias armónicas, entonces, pasar de una octava a la siguiente es como comerse un armónico. La fundamental pasa a ser la que era antes el primer armónico, y es por eso lo que nos suena “como la misma nota, pero aguda”.

Un tono alto corresponde a una frecuencia alta, un tono bajo a una frecuencia baja.

2. Velocidad del sonido.

La velocidad de una onda depende del medio por el que se propaga. La onda sonora tiene una velocidad que está relacionada con la longitud de onda y la frecuencia: V=f*λ

La velocidad de una onda sonora no depende de la frecuencia ni de la longitud de onda sino de las propiedades del medio por el que se desplaza.

Cuando la velocidad del avión se va aproximando a la velocidad del sonido, las partículas se van comprimiendo cada vez más porque no les da tiempo a desplazarse fuera de la fuente, y por tanto no les da tiempo a realizar su movimiento normal.

3. Frecuencia fundamental y armónica.

Cada objeto tiene un conjunto de frecuencias naturales (frecuencias armónicas) a las que puede vibrar cuando es perturbado. La frecuencia más baja producida por un objeto se denomina frecuencia fundamental o primer armónico. La frecuencia más baja a la que un cuerpo puede vibrar.

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La frecuencia de cualquier armónico, “f” será igual a “n” veces la frecuencia de la primera.

• Las ondas que poseen esta mezcla de armónicos son ondas complejas.

• Los cuerpos vibran a muchas frecuencias simultáneamente.

• La frecuencia más baja al hablar es de unos 100Hz más o menos.

4. Intensidad.

Cuanta mayor es la amplitud de las vibraciones de las partículas del medio, mayor es la cantidad de energía transportada y la intensidad de la onda (en este caso, intensidad de sonido).

La intensidad es la relación existente entre:

• La energía transportada.

• Tiempo de inversión de esa energía.

• Superficie a la que se aplica, cuanto mayor sea la superficie, mayor será la intensidad en cada punto afectado.

La intensidad de una onda sonora se expresa en decibelios (dB). La décima parte de un belio. Al umbral de audición se le asigna un sonido de 0 dB correspondiente a una onda de 1.000Hz de 20 n pascales de presión. No es que se le asigne el 0 a ese valor, lo que ocurre es que el belio es una unidad logarítmica que como es obvio necesita un punto de referencia, y en ese punto tenemos el logaritmo de 1, que es 0. La escala de medidas utilizada es por tanto la logarítmica.

• Un sonido 10 veces más intenso será de una intensidad de 10 dB.

• Un sonido 100 veces (10*10) más intenso, será de 20 dB.

• Un sonido 1.000 veces (10*10*10) más intenso, será de 30 dB.

5. Volumen.

La intensidad de un sonido es una cantidad objetiva medible. El volumen es a veces una respuesta subjetiva que varía. Depende de cada persona.

Un único sonido puede parecer de distinto volumen según quien lo oiga. Dos sonidos con la misma intensidad pero diferentes frecuencias se perciben como emisiones de distinto volumen.

El oído humano tiende a amplificar los sonidos con frecuencias del rango de 1.000-5.000Hz.

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6. Resonancia.

La resonancia es una vibración inducida o forzada. Se produce cuando un cuerpo (B) que posee la misma frecuencia natural de otro (A) recibe las ondas transmitidas por las vibraciones de este. El cuerpo A será la fuente, el cuerpo B el resonador. Al resonador se le llama también filtro, porque solo deja pasar y refuerza determinadas frecuencias. De todas las ondas que le llegan, solo actúa con las que van a determinada frecuencia.

7. Tono y timbre.

Las voces de dos personas pueden ser distintas por el tono (frecuencia fundamental). Pero lo normal es que sean distintas por cualidades de resonancia, que producen un timbre diverso. Esto es lo que hace que un “la” de guitarra a 440Hz, suene distinto que un “la” de flauta a la misma frecuencia.

El timbre es una cualidad perceptiva de la onda, no una cualidad física. Recordamos que el tono y el volumen también lo eran.

Lo que hace distinto el timbre de voz de las personas es que la energía de las ondas complejas se concentre en frecuencias distintas (armónicas) según la acción de los resonadores.

El timbre de la voz humana es muy rico en armónicos, hasta 35 distintos. Si las voces humanas sólo se distinguieran por el tono, en realidad casi todos hablamos igual (puesto que el armónico principal está en torno a los 100-200Hz en todo el mundo).

Sin embargo, es la resonancia la que nos produce las voces distintas de cada persona y no el tono. Hay muchas cosas que producen resonancia: la cabeza, el tronco, la zona alveolar, los pulmones, dientes, nariz. Cada persona tiene una conformación de resonadores distinta, y basta que la bóveda del paladar esté un poco más baja, para que la voz cambie. Cuando decimos las cinco vocales, en realidad las cuerdas vocales se mueven igual, lo que cambian son los resonadores: lengua, boca…

Si tocamos una guitarra, en realidad no oímos las cuerdas, sino el resonador, la caja de resonancia de la guitarra. La caja responde de una manera o de otra según la frecuencia que le llega, según el material, el grosor, el tamaño y forma de la caja. Y esto que oímos es lo mismo para las personas que para los instrumentos musicales.

8. Correlatos perceptivos.

• Intensidad sonora Volumen

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• Frecuencia fundamental Tono pos frecuencias (en realidad, un rango) pueden producir la percepción del mismo tono en una persona.

• Resonancia (distribución de las frecuencias en el espectro sonoro) Timbre.

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