3. Fonética acústica

3.1 La física de los sonidos del habla

3.1.1 Las ondas sonoras

3.1.1.1 Qué son las ondas sonoras

Examinemos la definición de onda sonora que ofrece la Enciclopedia Británica (la traducción es mía):

Una onda sonora consiste en compresiones y rarefacciones alternantes o regiones de alta y baja presión que se mueven a cierta velocidad. Dicho de otro modo, consiste en una variación de presión periódica (esto es, oscilatoria o vibratoria) que ocurre con respecto a la presión de equilibrio que prevalece en un determinado tiempo y espacio.

https://www.britannica.com/science/sound-physics (última consulta: 19 de mayo del 2020)

Empecemos por el final. Imaginemos que estamos en un cuarto cerrado en un determinado momento en que no se escucha nada. Las partículas de aire presentes en el cuarto se encuentran a una determinada presión que consideramos en equilibrio. Si emitimos el sonido [a], desde nuestras cuerdas vocales, que se abren y se cierran más de cien veces por segundo, empezarán a salir, expulsadas por la energía de la iniciación pulmónica egresiva, pequeñas cantidades de aire que golpearán las partículas de aire que las rodean, poniéndolas en movimiento y sacándolas del estado de equilibrio en que se encontraban. Este movimiento será transmitido de unas partículas a otras, lo que hará que se junten entre sí. Sin embargo, como el aire es un medio elástico, las partículas que fueron empujadas en un sentido luego regresarán en el sentido opuesto, con lo que se separarán entre sí. Este movimiento de vaivén es similar al que vemos en cualquier cuerpo elástico, como una lona de saltar o una liga: si lo sacamos de su estado de equilibrio, produce movimientos alternantes en un sentido y en el opuesto hasta que retorna a su estado de equilibrio.

Las regiones de alta y baja presión de las que habla el texto ocurren por el movimiento de vaivén que acabamos de describir: cuando las partículas de aire que salen de nuestras cuerdas vocales golpean a las partículas de aire vecinas, hacen que se junten entre sí, lo que produce una compresión entre ellas, es decir, una región de alta presión; cuando las partículas de aire regresan en el sentido opuesto, se separan entre sí, lo que produce una rarefacción entre ellas, es decir, una región de baja presión. Como las cuerdas vocales siguen expulsando pequeñas cantidades de aire más de cien veces por segundo, este movimiento continúa repitiéndose. Por eso, el texto menciona un movimiento periódico, oscilatorio o vibratorio; nosotros lo hemos llamado de “vaivén”.

Solo nos falta comentar un punto más del texto: el hecho de que las oscilaciones se desplazan a cierta velocidad. Volvamos al cuarto que habíamos imaginado. Apenas empezamos a pronunciar la vocal [a], un grupo de partículas de aire golpea a otro grupo de partículas y lo pone en movimiento. Este grupo de partículas golpea, a su vez, a otro grupo de partículas y lo pone en movimiento. Esta sucesión de golpes se va extendiendo a gran velocidad en todas las direcciones del cuarto hasta alcanzar el piso, las paredes y el techo. Esta sucesión de golpes constituye un onda sonora, que viaja de manera longitudinal a 340 metros por segundo desde la fuente del sonido en todas las direcciones. Esta es la velocidad en que se desplaza la onda por el aire; en otros medios, como el agua o los metales, la velocidad es superior. Es importante señalar que lo que se desplaza desde la fuente del sonido es el movimiento y no las partículas de aire, pues, como vimos, estas se desplazan un poco, golpean a las partículas vecinas y luego regresan en el sentido opuesto. Si hubiera otra persona en el cuarto a 3.4 metros de nosotros, el movimiento originado en nuestras cuerdas vocales alcanzaría su oído en una centésima de segundo, pero el movimiento de su tímpano no sería producido directamente por las partículas de aire que salieron de nuestras cuerdas vocales, sino por aquellas que están junto a su tímpano. Otra manera de entender las ondas sonoras es como transmisión de energía o fuerza a través del movimiento longitudinal de las partículas de aire: el hablante puede hacer que el tímpano del oyente se mueva imprimiéndole una fuerza que viaja a través del movimiento de las partículas de aire que se encuentran entre ambos. Posteriormente, esta energía mecánica será transformada en energía eléctrica en el oído interno, la cual viajará, en forma de impulsos nerviosos, hasta la corteza cerebral, donde será interpretada como sonido en el sentido de percepción auditiva.

La figura anterior, tomada de Martínez Celdrán (1995), muestra el efecto que produce el movimiento de un diapasón en las partículas de aire que lo rodean. El diapasón es un instrumento con dos brazos que, al ser pulsados, oscilan o vibran de manera periódica con la misma frecuencia. Cada brazo empuja las partículas de aire que lo rodean hacia las partículas adyacentes, comprimiéndolas. Cuando el brazo se mueve en sentido opuesto, las partículas también lo hacen, separándose entre sí. Estas compresiones y rarefacciones de las partículas de aire se suceden, como lo representa la figura. El resultado es una onda longitudinal que se desplaza desde la fuente del sonido en todas las direcciones. Si esta onda alcanza un oído, lo activa y el resultado de ello es la percepción de un sonido con una tonalidad que corresponde a la frecuencia de vibración de los brazos del diapasón.

La figura que aparece arriba, adaptada de Gil Fernández (1990), muestra de manera esquemática el desplazamiento del movimiento a través de las partículas de aire. La primera fila muestra nueve partículas de aire, representadas por las letras A, B, C, D, E, F, G, H, I, que se encuentran en equilibrio, al igual que el diapasón. La segunda fila muestra que uno de los brazos del diapasón ha golpeado la partícula de aire A y la ha desplazado hacia la derecha, golpeando la partícula de aire B. La tercera fila muestra que la partícula B se ha desplazado por efecto de este golpe y ha golpeado, a su vez, la partícula C; también muestra que la partícula A ha vuelto a su posición de reposo. La cuarta fila muestra que la partícula C se ha desplazado por efecto del golpe de la partícula B y ha golpeado, a su vez, la partícula D; también muestra que la partícula B ha vuelto a su posición de reposo y que la partícula A ha sobrepasado su posición de reposo, acercándose al diapasón. Las filas 5, 6, 7, 8 y 9 muestran cómo se transmite el movimiento a las siguientes partículas hasta que, finalmente, la fila 10 muestra que el movimiento inicial del diapasón se desplaza hasta la partícula I. Si imaginamos que junto a esta partícula se encuentra un tímpano, se puede entender cómo este se pone en movimiento por efecto de una fuente sonora que no se encuentra adyacente a él.

3.1.1.2 Tipos de ondas sonoras

Existen distintos tipos de ondas sonoras de acuerdo con las propiedades de su estructura.

La siguiente figura, tomada de Martínez Celdrán (1995), muestra, en la parte superior, el esquema de una onda simple o sinusoidal, como la que vimos brevemente en el video “¿Qué es el sonido?”.  Este esquema representa el movimiento oscilatorio de un cuerpo de arriba hacia abajo y a lo largo del tiempo. Imaginemos una partícula de aire que vibra u oscila verticalmente. Al principio, se encuentra en equilibrio en la intersección de las líneas horizontal y vertical. En un momento determinado empieza a subir verticalmente hasta la altura “a”, luego regresa a su posición de equilibrio y la sobrepasa hacia abajo hasta una distancia idéntica a “a”. Finalmente, vuelve a su posición de equilibrio, con lo que completa un ciclo vibratorio completo. Si dibujáramos en la gráfica este movimiento, obtendríamos, simplemente, una línea recta vertical. Para representar, además, el tiempo que transcurre mientras la partícula se mueve verticalmente, podemos dibujar en la gráfica, en lugar de la línea recta vertical, una línea curva que se va desplazando de izquierda a derecha conforme transcurre el tiempo. La curva resultante es la figura que representa el primer esquema: una onda simple o sinusoidal. En este esquema, el punto “0” indica el inicio del movimiento; el punto “1” representa el máximo desplazamiento de la partícula luego de cierto tiempo (por ello, se encuentra más a la derecha que el punto “0”); el punto “2” representa el retorno de la partícula a la posición original de equilibrio, también luego de cierto tiempo; el punto “3” representa el máximo desplazamiento de la partícula en el sentido opuesto al movimiento inicial (luego de cierto tiempo); finalmente, el punto “4” representa el retorno de la partícula a la posición original de equilibrio (también luego de cierto tiempo). El movimiento completo se conoce como “ciclo” y el tiempo que tarda en ocurrir un ciclo se llama “período”.

El segundo esquema de la figura anterior también representa una onda simple o sinusoidal, pero existen ciertas diferencias entre ambas. Como podemos observar, la primera onda muestra un desplazamiento mayor con respecto a la línea de equilibrio que la segunda onda; otra manera de describir este hecho es decir que la primera onda tiene mayor amplitud que la segunda. Otra diferencia entre ambas ondas es que la primera presenta un solo ciclo en el mismo tiempo en que la segunda presenta dos. Esto significa que el período de la primera onda es mayor que el de la segunda o, lo que es lo mismo, que la frecuencia de vibración de la primera onda es menor que la de la segunda, pues esta oscila más veces que aquella en la misma cantidad de tiempo. Dado que cada una de estas ondas solo presenta una frecuencia de vibración, ambas son ondas simples, de acuerdo con la definición que vimos antes. En cambio, el tercer esquema de la figura anterior, representa una onda compleja: una onda que resulta de una fuente que produce vibraciones simultáneas de diferentes frecuencias. La onda compleja que representa este esquema, con la línea continua, resulta de la superposición o suma de las dos ondas simples anteriores, que aparecen con líneas discontinuas en este mismo esquema.

La figura que aparece a continuación, tomada de la Enciclopedia Encarta, presenta cuatro gráficas de ondas u oscilogramas. El primer oscilograma presenta una onda simple producida por un diapasón. Los otros tres oscilogramas, correspondientes al sonido que producen una flauta, un violín y un gong, presentan ondas complejas. Es fácil reconocer una onda compleja porque no es una onda sinusoidal. La mayoría de sonidos del mundo resultan de ondas complejas. Las ondas simples son producidas por instrumentos artificiales como un diapasón o por instrumentos electrónicos. Cuando se toca una flauta, esta vibra con diferentes frecuencias simultáneas, pues las partículas de aire que guarda en su interior, así como el material del que está hecho el instrumento, vibran de esta manera. Lo mismo ocurre con las cuerdas de un violín y con su caja de resonancia: al ser tocado, este instrumento musical produce ondas simultáneas de diferentes frecuencias que, en conjunto, forman una onda compleja. Cuando se golpea un gong o el platillo de una batería, también se produce una onda compleja, pues las distintas partes de estos instrumentos vibran con frecuencias diferentes.

Esta figura también nos muestra otros dos tipos de ondas: las ondas periódicas o armónicas y las aperiódicas o inarmónicas. Las primeras, como vimos antes, son aquellas que presentan cambios de presión que se repiten de manera regular. En una onda armónica se puede reconocer un patrón de vibración recurrente, es decir, se pueden observar ciclos que ocurren de manera reiterada. En la onda del diapasón, por ejemplo, podemos contar tres ciclos idénticos (y un poquito más). La onda de la flauta muestra un ciclo que luego se repite tres veces (y un poquito más). En la onda del violín, es un poco difícil encontrar, a primera vista, un patrón de cambios de presión, pero si se observa con detenimiento, se pueden reconocer tres ciclos. La onda del violín permite ilustrar una propiedad de las ondas periódicas que se encuentran normalmente en la realidad, a saber, que no presentan patrones de compresión y rarefacción idénticos, sino solo similares. Por esta razón, este tipo de ondas se conocen como “ondas cuasiperiódicas”.

Finalmente, la onda del gong ilustra una onda aperiódica o inarmónica, en la que resulta imposible encontrar un patrón de repetición. Estas ondas resultan de fuentes que producen perturbaciones en el aire de manera aleatoria, por lo que no se puede encontrar ninguna regularidad. La explosión del globo y el agua saliendo del caño del video “¿Qué es el sonido?” también producen ondas aperiódicas. La impresión auditiva que causan las ondas aperiódicas se conoce como “sonido inarmónico” o “ruido”.

Este tipo de sonido se considera inarmónico porque no produce una sensación armoniosa o agradable al oído. La razón de esto es que las ondas simples que componen la onda compleja aperiódica no se encuentran en ninguna relación matemática. Por el contrario, los sonidos armónicos están formados por una serie de ondas simples relacionadas matemáticamente entre sí, conocidas, justamente, como “armónicos”. Así, una onda periódica compleja está formada por una “frecuencia fundamental” o primer armónico, que es el de menor frecuencia, y por otros armónicos, que son múltiplos de este. Por ejemplo, si una onda periódica compleja tiene una frecuencia fundamental o primer armónico de 100 ciclos por segundo, tendrá un segundo armónico de 200 ciclos por segundo, un tercer armónico de 300 ciclos por segundo y así sucesivamente. El resultado de esta organización es un sonido armónico, agradable al oído, como el de un diapasón, una flauta, un piano o una voz.

En esta sección, hemos explicado qué son las ondas sonoras y hemos presentado sus diferentes tipos. En la siguiente sección, veremos cuáles son las propiedades de las ondas sonoras y qué efectos o correlatos auditivos determinan.

3.1.2 Las propiedades de las ondas sonoras y su correlato auditivo