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Esta sección es una presentación preliminar de los conceptos básicos de acústica tal como se usan en la investigación fonética.

Ondas

1.0 Definición


    1.1. Tipos de Ondas


        1.1.1. Onda sinusoidal


        1.1.2. Compuesta o compleja


            1.1.2.1. Periódica compuesta


            1.1.2.2. Aperiódica


    1.2. Características de las ondas


        1.2.1. Período


        1.2.2. Frecuencia


        1.2.3. Amplitud


    1.3 Gráficos para la representación del sonido


        1.3.1 Oscilograma


        1.3.2. Espectro


        1.3.3. Espectrograma


        1.3.4. Gráficos de f0


        1.3.5 Gráficos de intensidad


1. Ondas

Este es el tema central en fonética acústica. Es imprescindible una buena comprensión de las nociones básicas relacionadas con el concepto físico de onda
.



1.0. Definición
Puedes revisar los enlaces en Wikipedia referidos a onda y, específicamente, a onda sonora. Recomiendo leer detenidamente, en cada caso, el párrafo inicial, que corresponde propiamente a la definición.


Onda


Onda sonora



1.1.1. Onda sinusoidal

En primer lugar, recomiendo ver este interesante enlace.

En este enlace de Zona Land, aparece un gráfico con una onda a la que le puedes modificar la amplitud, la longitud de la onda [wavelength] y la fase (dado que la fase de una onda no es demasiado relevante para la percepción del habla, puedes no considerar este aspecto). El efecto es puramente gráfico, y sirve para ver cómo cambia la forma de la onda en la medida en que modificas alguna de sus propiedades.

El gráfico que muestra la forma de la onda se llama oscilograma y equivale a lo que en inglés se denomina waveform.


       Ejercicio: Practica cambiar la amplitud y la longitud hasta que te resulte previsible el gráfico resultante.

A partir de este ejercicio, debes ser capaz de responder preguntas como las siguientes:
Dada una onda,
a. ¿cómo se modificará su oscilograma si aumenta al doble su amplitud?
b. ¿cómo se modificará el oscilograma si la frecuencia disminuye a la mitad?
 
Para profundizar en esta materia, puedes revisar este enlace
 
En el siguiente enlace (creado por Walter Fendt y traducido por J. Muñoz) puedes ver una simulación de un resorte que oscila. Tienes la posibilidad de manipular muchas variables que afectan la forma de la onda resultante.


Selecciona Elongación para observar el movimiento del resorte. Lo importante de la observación de esta página es que veas la relación causal entre el movimiento vertical del peso sostenido por el resorte y el dibujo de la forma de la onda.
                           Enlace
 
Audición de ondas

Ejercicio de audición de ondas Nº 1. Aquí puedes escuchar ondas de diferentes Hz, todas de la misma amplitud:

200Hz
300Hz
400Hz
500Hz
600Hz
700Hz
800Hz
900Hz
1000Hz

Ejercicio de audición de ondas Nº 2. Aquí tienes varias ondas de 500 Hz pero de diferente amplitud (la segunda es la mitad de la primera; la tercera es la mitad de la segunda y la cuarta es la la mitad de la tecera.
1
1/2
1/4
1/8
 
     
Términos que debes manejar: onda, Hz, ciclo, período, amplitud, frecuencia, oscilograma.


1.1.2. Onda compuesta o compleja
Una onda compleja es el resultado de la suma de dos o más ondas simples.
 
Las ondas simples son ondas sinusoidales, como las que has revisado y escuchado en los puntos anteriores y el oscilograma que las representa tiene la forma típica como esta:

 Figura: onda simple o sinusoidal (un ciclo)


 

1.1.2.1. Onda periódica compuesta
Una onda compuesta es periódica si el resultado de la suma de sus componentes produce un ciclo que se repite.
 
Ondas simples y onda resultante
 
 En estos casos, la frecuencia de los componentes simples mantienen entre sí una relación matemática.
 

 Puedes escuchar una onda periódica compuesta cuyos componentes tienen todos diferente amplitud y sus frecuencias son:

 250 Hz
500 Hz
750 Hz
1000 Hz
 
Escuchar los cuatro componentes en forma sucesiva
 
Escuchar la onda compuesta
 
En la animación siguiente se muestra este proceso:
 
 
Ciclo de la onda resultante (En negro e intermitente la onda resultante y en colores los componentes sinusoidales).

¿Cómo se suman las ondas simples?
Se toma un punto temporal común a todas las ondas simples que vas a sumar y simplemente sumas los valores de amplitud que en ese punto tiene cada una. En ese punto, algunas ondas tendrán valores positivos, otras tendrán valores negativos. El resultado de la suma es el valor de amplitud de la onda resultante.
 
Los componentes de una onda periódica compuesta se denominan "armónicos".
 
La diferencia en Hz que hay entre los armónicos de una onda periódica compuesta se denomina frecuencia fundamental o f0. Muchas veces coincide con el primer componente.
 
 
Términos que debes manejar : onda períodica, onda compleja o compuesta, armónicos, frecuencia fundamental.
 
 
1.1.2.2. Onda aperiódica

 
Una onda aperiódica es una onda compuesta cuyos componentes no tienen relación matemática entre sí. Por lo mismo, no presentan ciclos regulares en su forma.
 
Este es un ejemplo de la forma de una onda aperiódica.
 
 
Sonido y ruido. Técnicamente hablando, solo las ondas periódicas constituyen sonido. Las ondas aperiódicas constituyen ruidos.
 
Debes ser capaz de diferenciar a simple vista los oscilogramas de ruidos y sonidos

Debes ser capaz de identificar al oído ruidos y sonidos.
 
Audición Nº 3
Escucha los casos siguientes e identifica cuáles son ruidos (señales aperiódicas) y cuáles son sonidos (señales periódicas).
Caso 1
Caso 2
Caso 3
Caso 4
Caso 5

1.2. Características de las ondas
1.2.1. Período
 Entre el inicio y el fin de un ciclo en una onda hay una porción de tiempo que se denomina período.
 El período se mide en unidades de tiempo y su símbolo es T.
Observa la definición que se da en Wikipedia (en el primer párrafo) y estudia la animación con que se ejemplifica este concepto.
 Fíjate en un ciclo y en la medición del T.
 
1.2.2. Frecuencia
La frecuencia es el número de ciclos que se producen en un segundo. El símbolo Hz (hercio) significa justamente eso, ciclos en un segundo.
 
1.2.3 Amplitud
Es el valor que tiene la oscilación de una onda. En el oscilograma, corresponde a la dimensión vertical.
 
Observa el siguiente gráfico de una onda sinusoidal en el que la flecha roja señala el valor de amplitud en un punto de máxima elongación.
 
 
¿Cómo se obtiene la frecuencia a partir del período?
Se aplica la fórmula frecuencia = 1/T; en otras palabras, si sabes la duración de T siempre puedes calcular la frecuencia.
 
Ejercicios
Determina la frecuencia para los siguientes períodos:
0,025 s
0,015 s
0,005 s
 
1.3 Gráficos de representación del sonido
1.3.1. Oscilograma
Es una representación de la amplitud de la señal y del tiempo.


Oscilograma (tiempo y amplitud)

Un error bastante corriente consiste en señalar que el oscilograma muestra tiempo e intensidad. En realidad, la intensidad es un cálculo que se hace a partir de los valores de amplitud, que son los que muestra el oscilograma.


1.3.2 Espectro
Es una representación del análisis frecuencial de un momento de la señal. Para construir un espectro se toma una porción de la señal y se la analiza.
Este análisis se puede hacer principalmente de dos maneras:
 
  • Con bastante precisión frecuencial
  • Con poca definición frecuencial
 
Si se observan los dos gráficos de espectro superpuestos, se puede ver la relación entre los componentes finos y las más gruesas concentraciones de energía en la señal.
Evidentemente, solo en el de mayor definición frecuencial se pueden apreciar los armónicos de un sonido periódico.
 
1.3.3. Espectrograma
Es una representación espectral que incluye la dimensión temporal. O sea, una serie de espectros sucesivos dispuestos a través del eje temporal.
 
En este interesantísimo tutorial de fonética del Laboratorio de fonética de la Universidad de los Andes, hay que seguir la secuencia de páginas desde Definición general hasta Espectrogramas usados en el análisis del habla inclusive.
 
El espectrograma de banda ancha es uno que está hecho en base a espectros de poca precisión frecuencial, por lo mismo, permite apreciar mejor las relativamente amplias zonas de frecuencias que tienen mayor energía.
 
El espectrograma de banda estrecha, al contrario, tiene mejor definición frecuencial y por lo mismo, permite apreciar los detalles de los componentes, por ejemplo, los armónicos en una señal periódica.
 
Figura. Espectrogramas de banda ancha y de banda estrecha del mismo sonido, una vocal [a] pronunciada muy larga.
 
El tipo de espectrograma que más se utiliza en el análisis del habla es el llamado de banda ancha.

1.3.4. Gráfico de f0
 
Un tipo particular de análisis permite seguir la frecuencia fundamental (correlato acústico de la melodía del habla) a lo largo de una señal.
 
Figura. Gráfico de frecuencia fundamental.
 
1.3.5. Gráfico de intensidad
 
El seguimiento de la amplitud de la señal se puede convertir en un gráfico de intensidad del sonido al convertir la medida de presión en decibeles.

Figura: Oscilograma y gráfico de intensidad

Continúe con Acción de las cuerdas vocales
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