Fonética y Fonología. Tema 3. Fonética acústica
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3.4. Ondas sonoras simples: elementos y propiedades de las ondas sonoras
En los sonidos del habla no existen ondas sonoras simples. Las ondas sonoras simples son siempre periódicas. También reciben el nombre de movimiento armónico o sinusoidal. Se pueden describir matemáticamente mediante las funciones de seno y coseno. El diapasón es un cuerpo elástico que genera ondas de este tipo. La ondas sonoras simples nos sirven para estudiar las cualidades físicas de las ondas sonoras: elementos y propiedades.
3.4.1. Movimiento vibratorio simple. La vibración que da lugar a una onda sonora simple y periódica consta de las siguientes fases (Llisterri 1996):
Estado de reposo (A). o Representa la situación de una molécula en el medio antes de verse afectada por la acción de otro Representación esquematizada del movimiento vibratorio de una partícula de aire (Llisterri 1996:92) cuerpo. Máx. desplazamiento positivo (B). o Representa la situación de máximo alejamiento de una molécula de su estado de reposo A. o Depende de la fuerza aplicada. o Cuando un cuerpo elástico empieza a vibrar produce una fuerza que desplaza a la primera molécula del medio y la pone en movimiento hasta que alcanza la posición B. Estado de reposo (C). o Una vez alcanzado el máximo desplazamiento, la molécula desplazada tiende a volver a su posición inicial debido a: Elasticidad del medio Inercia Máx. desplaz. negativo (D). o En el movimiento de regreso a la posición de reposo, la molécula no se detiene en esta posición (C) debido a: Fuerza inicial aplicada Velocidad adquirida o Sobrepasa la posición C y se desplaza en sentido contrario hasta llegar a la situación de máximo alejamiento negativo D. Estado de reposo (E). o Alcanzada la posición D, la molécula comienza su camino de regreso a la posición de reposo debido a la misma fuerza de inercia.
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3.4.2. Onda sonora simple y periódica El movimiento de vaivén así descrito se repite varias veces a lo largo del tiempo, dando lugar a una onda sonora simple y periódica desde el momento en que dicha vibración se propaga por el medio. El desplazamiento respecto de la posición de reposo va disminuyendo progresivamente a medida que cesa el efecto de la fuerza inicial, debido al roce del aire, la gravedad, etc. Dicha onda se caracteriza por la repetición del mismo patrón de movimiento o vibración: ciclo.
Representación esquematizada del movimiento vibratorio de una molécula de aire a lo largo del tiempo (Llisterri 1996:93)
3.4.3. Elementos de una onda sonora Tomando como referencia esta representación esquematizada, se pueden distinguir los siguientes elementos en una onda sonora: o Eje o Elongación o Compresión o Rarefacción o Ciclo o Semiciclo
Eje o o o
Recta geométrica e imaginaria que secciona longitudinalmente y además simétricamente la representación de una onda sonora. Sirve para representar el estado de reposo o equilibrio. Los puntos de la onda situados: en la parte superior del eje adquieren valores positivos; en la parte inferior adquieren valores negativos.
Elongación o Distancia que media entre cualquier punto de una onda y el eje. Compresión o Representa el punto del medio que muestra la máxima cantidad de desplazamiento en sentido positivo desde la posición de reposo: elongación máxima positiva. o En ese punto las moléculas del medio están muy juntas: máxima densidad de las moléculas. o Punto del medio a través del cual está propagándose una onda longitudinal que tiene la máxima densidad.
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Rarefacción o Representa el punto del medio que muestra la máxima cantidad de desplazamiento en sentido negativo desde la posición de reposo: elongación máxima negativa. o En ese punto las moléculas del medio están muy separadas: mínima densidad de las moléculas. o Punto del medio a través del cual está propagándose una onda longitudinal que tiene la mínima densidad. Ciclo o Vibración completa descrita por una molécula. o Comprende un momento ascendente o de compresión y otro descendente o de rarefacción. o Geométricamente se suele definir como el espacio lineal que queda comprendido entre dos puntos de la vibración que se caracterizan por tener una misma elongación, dirección y sentido. Semiciclo o Fase ascendente o descendente del movimiento vibratorio. A-C: semiciclo C-E: semiciclo
3.4.4. Propiedades Estos elementos nos permiten describir las propiedades que sirven para caracterizar una onda sonora 4 : o Longitud de onda o Tiempo o Período o Frecuencia o Amplitud
Longitud de onda (λ) o Es la distancia del medio que recorre una molécula para realizar un ciclo o vibración completa. o También se define como el segmento de eje que corresponde a una vibración completa. o Se mide en centímetros. o En el caso de las ondas longitudinales, se mide como la distancia entre una compresión y otra, o entre una rarefacción y otra.
4
En la siguiente página se pueden observar los elementos http://id.mind.net/~zona/mstm/physics/waves/partsOfAWave/waveParts.htm Milka Villayandre Llamazares, Universidad de León
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y
propiedades
de
una
onda:
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http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Ondasbachillerato/movOndArmonico/movOndulArmonico.htm
Tiempo (T) o Duración del movimiento vibratorio. o Depende de la fuerza aplicada inicialmente y de la resistencia que ofrezca el medio en el que se produce la vibración. o Se mide en unidades de tiempo. o El habla transcurre de forma muy rápida: una media de 7 segmentos por segundo. o Para medir la duración de los segmentos se utiliza como unidad el milisegundo: 1 ms = 0’001 s Período (P) o Tiempo empleado por una molécula en realizar un ciclo o vibración. o Se expresa también en unidades de tiempo: segundos por ciclo. Frecuencia (F) o Es el número de ciclos realizados por unidad de tiempo por una molécula: ciclos por segundo. o Se mide en Hercios (Hz) o ciclos por segundo (cps): 1 Hz = 1 cps o Es una de las propiedades de las ondas sonoras más importante a la hora de caracterizar los sonidos del habla. o El oído humano, a través del tímpano, puede captar ondas sonoras de una amplia gama de frecuencias: entre 20-20 000 Hz. Umbral de la audición o Las ondas sonoras con una frecuencia inferior a 20 Hz se denominan infrasonidos: existen pero el oído humano no las capta. o Las ondas sonoras con una frecuencia superior a 20 000 Hz se denominan ultrasonidos: existen pero el oído humano no las capta. o Algunos animales con capacidad para detectar ultrasonidos: Perros: 50-45 000 Hz Gatos: 45-85 000 Hz Murciélagos: hasta 120 000 Hz Delfines: hasta 200 000 Hz o Algunos animales con capacidad para detectar infrasonidos: Elefantes: 5-10 000 Hz
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Período y Frecuencia o Son propiedades relacionadas entre sí. o La relación es inversamente proporcional: F=1/P P=1/F o Cuando la frecuencia aumenta, el período disminuye, y viceversa. o A mayor número de ciclos por segundo, mayor es la frecuencia, pero menor es el período o duración de cada ciclo. o A mayor período o mayor duración de cada ciclo, menor es la frecuencia o número de ciclos por segundo.
http://www.physicsclassroom.com/Class/sound/u11l2a.html
Amplitud (A) o Es la elongación máxima o punto de la onda más distante del eje, es decir, distancia desde la posición de reposo hasta el punto de máximo alejamiento alcanzado por una molécula del medio. o Se mide en unidades de presión (unidades físicas, como los W/m2) o de intensidad (unidades de percepción, como los decibelios, dB). o En realidad es una medida de la fuerza de la onda. o Su valor dependerá de la fuerza inicial que se haya aplicado para desplazar la molécula. A mayor fuerza, mayor amplitud. o La amplitud es otra de las propiedades más importantes para caracterizar los sonidos del habla.
http://id.mind.net/~zona/mstm/physics/waves/partsOfAWave/waveParts.htm#pictureOfAWave
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Amplitud y energía o Puesto que la amplitud depende de la fuerza aplicada, amplitud y energía transportada son variables relacionadas: Una onda con mucha energía se caracteriza por una amplitud elevada. Una onda con poca energía se caracteriza por una amplitud baja.
http://www.glenbrook.k12.il.us/gbssci/phys/Class/waves/u10l2c.html
Imagen tomada de E. Martínez Celdrán (1996:55)
La lógica de la relación entre energía y amplitud 5 es la siguiente: o Para que se produzca una onda sonora, es necesaria una perturbación en el medio que desplace la primera molécula. o Ese desplazamiento dependerá de la fuerza aplicada. o Mientras más fuerza se aplique, mayor será la energía. o Mientras mayor sea la energía, mayor será el desplazamiento. o A mayor desplazamiento, mayor amplitud. La relación entre la energía transportada por una onda es directamente proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda: o Cuando la amplitud aumenta, la energía también lo hace. o Cuando la amplitud disminuye, la energía también. Por lo tanto, cuando la amplitud se eleva un factor dado, la energía se incrementa el mismo factor, pero elevado al cuadrado. Esto quiere decir que si se dobla la amplitud de una onda es porque se ha cuadruplicado la energía transportada por la misma, etc.
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En la siguiente página se puede observar la relación energía-onda: http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Ondasbachillerato/energia/ActividEn ergia.htm Milka Villayandre Llamazares, Universidad de León
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La siguiente tabla expresa la relación energía-amplitud (E = 2 x A2):
Amplitud 1 unidad 2 unidades 3 unidades 4 unidades 5 unidades
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Energía 2 unidades 8 unidades 18 unidades 32 unidades 50 unidades
Amplitud y medio o Hay que señalar, además, que la amplitud de una onda sonora depende de dos tipos de factores relacionados con el medio: La inercia La elasticidad Inercia o Dos medios o materias diferentes tienen densidades de masa distintas. o Los medios con más masa tienen mayor inercia y, por lo tanto, tienden a resistir la fuerza. Oponen más resistencia. o Esta resistencia incrementada por la mayor masa tiende a causar una reducción en la amplitud. La elasticidad o Dos medios o materias diferentes también tienen distintos grados de elasticidad. o Un medio más elástico tiende a ofrecer menos resistencia a la fuerza y permite una mayor amplitud de la onda que se propaga a través de él.
Amplitud, energía y medio o Por lo tanto, con la misma energía resultará la misma amplitud a igualdad de factores. o Pero si las condiciones del medio cambian, la amplitud puede variar en función de la inercia y la elasticidad del medio.
En general las ondas sonoras se definen por sus propiedades en cuanto a: o Amplitud o Frecuencia o Tiempo o duración
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