XVI. Procesamiento de Audio

El oído
Timbre
¿Qué es el sonido?
El sonido es un disturbio que se propaga en un medio material, ya sea sólido,
líquido o gaseoso, en forma de ondas mecánicas de presión. Dichas ondas son
longitudinales, es decir, la propagación es en la misma dirección que la presión.
Cualquier sonido puede describirse mediante tres características perceptuales:
intensidad, tono y timbre. Estas características corresponden a tres magnitudes
físicas: amplitud, frecuencia y contenido armónico o forma de onda.
Oído externo
Está formado por el pabellón
auricular y el conducto auditivo externo.
El pabellón auricular es una
estructura constituida por cartílagos
cubiertos de piel. El lóbulo del pabellón
es la única zona que no posee cartílago.
El conducto auditivo externo es un
conducto que se ubica entre el pabellón
auricular y la membrana timpánica. Su largo es
de 25 a 30 mm. Se divide en cartilaginoso y en
óseo. La piel que lo cubre es continuación de la
del pabellón auricular y contiene solo en su
porción más externa pelos y glándulas
sudoríparas
modificadas
denominadas
ceruminosas y cuya función es producir el
cerumen, que tiene por funciones proteger a la
cavidad ótica de agentes extraños, como el
polvo, agentes parásitos, agentes virulentos y de
ciertos agentes bacterianos; y evitar la
maceración de la piel blanda de dicho meato o
conducto.
Oído medio
Se encuentra situado en la cavidad timpánica llamada caja del tímpano, cuya
cara externa está formada por la membrana timpánica, o tímpano. Incluye el
mecanismo responsable de la conducción de las ondas sonoras hacia el oído
interno. Se extiende unos quince milímetros en un recorrido vertical y otros quince
en recorrido horizontal. El oído medio está en comunicación directa con la nariz y
la garganta a través de la trompa de Eustaquio, que permite la entrada y la salida
de aire del oído medio para equilibrar las diferencias de presión entre éste y el
exterior.
Hay una cadena formada
por tres huesos pequeños y
móviles
(huesecillos)
que
atraviesa el oído medio. Estos
tres huesos reciben los nombres
de martillo, yunque y estribo.
Los tres conectan acústicamente
el tímpano con el oído interno,
que contiene un líquido.
Oído interno
Se encuentra en el interior del hueso temporal que contiene los órganos
auditivos y del equilibrio, que están inervados por los filamentos del nervio
auditivo. Está separado del oído medio por la fenestra ovalis, o ventana oval. El
oído interno consiste en una serie de canales membranosos alojados en una parte
densa del hueso temporal, y está dividido en: cóclea (en griego, ’caracol óseo’),
vestíbulo y tres canales semicirculares.
Entre el laberinto óseo y el
membranoso existe
un
líquido
denominado
perilinfa. En el oído
interno existen dos órganos, el auditivo
o coclear (ubicado en la cóclea o
caracol) y el órgano del equilibrio o
vestibular.
Los canales semicirculares, son tres tubos arqueados en semicírculos, implantados en el
vestíbulo y situados en tres planos rectangulares, según las tres dimensiones del
espacio. Los canales semicirculares nos dan la noción del espacio y, por lo tanto,
contribuyen al mantenimiento del equilibrio de la cabeza y del cuerpo.
El caracol o cóclea es un sistema de tubos enrollados, con tres tubos diferentes, uno al
lado del otro denominados rampa vestibular, rampa media y rampa timpánica. La
rampa vestibular y media están separadas entre sí por la membrana vestibular, la
rampa timpánica y la rampa media están separadas por la membrana basilar.
El órgano de Corti se encuentra en
todo el recorrido del conducto
coclear, localizado en el oído interno.
Está conformado por un epitelio
engrosado
de
características
demasiado complejas, imposibles de
definir incluso bajo microscopía
electrónica
El proceso auditivo
El conducto auditivo externo permite la introducción de las ondas sonoras y
representa una cámara de resonancia que es máxima a nivel de los 3.500 c/s.
Si no existiera oído medio la onda sonora llegaría directamente a estimular
al vestíbulo de la cóclea. En esa zona existe una interface aire-líquido y por lo
tanto el 99.9 % de la energía de esa onda se perdería. La razón fisiológica
del oído medio es la de ser un ajustador de las diferentes impedancias de esa
interface, la membrana timpánica y los huesecillos generan una amplificación de
1.3 veces, la eficiencia de este sistema permite no perder energía al llegar a la
cóclea.
El movimiento ondular de la perilinfa, producido
por las ondas sonoras, provoca la estimulación de
los cilios de las células del órgano de Corti,
permitiendo que el sonido sea traducido, de
energía sonora (mecánica) en señales eléctricas,
éstas son las que se envían al cerebro, a través de
relevos en el tronco encefálico.
La longitud de las fibras basilares aumenta
progresivamente desde la base de la cóclea hasta
su ápice. Las células basilares son más delgadas y
más pequeñas en la zona cercana a la ventana
oval y más grandes y gruesas al final de la cóclea.
Como consecuencia de esto, las fibras al principio
de la cóclea más cercanas a la ventana oval
resuenan en altas frecuencias, en tanto que las de
la zona apical, más alejadas del oído medio,
resuenan a bajas frecuencia.
De acuerdo a lo anterior, la membrana basilar puede considerarse como un banco de filtros mecánicos que
separan las componentes frecuenciales de los sonidos complejos, ya que cada grupo de nervios se excita más
fuertemente por un conjunto de frecuencias particulares que por otras.
Fourier
Human Time-Frequency Acuity Beats the Fourier Uncertainty Principle
Jacob N. Oppenheim and Marcelo O. Magnasco
Laboratory of Mathematical Physics, Rockefeller University, New York, New York
10065, March 13, 2015, http://arxiv.org/pdf/1208.4611v2.pdf
Trata acerca de dos propiedades del sonido: la frecuencia y el tiempo. Según el
Principio de Incertidumbre de Fourier, estas dos propiedades no pueden
determinarse simultáneamente por encima de un límite conocido como el límite
de Gabor. Ser capaz de analizar la frecuencia con mucha precisión, necesita tomar
un trozo grande del sonido original, con lo que se pierde precisión temporal. Si se
analiza un sonido corto, se pierde resolución en frecuencia, y no habrá suficiente
información para poder observar las frecuencias con todo el detalle.
Timbre
Cualquier sonido puede describirse mediante cuatro características básicas:
Cualidad
Característica
Rango
Altura o tono
Frecuencia de onda
Agudo, medio, grave
Intensidad
Amplitud de onda
Fuerte, débil o suave
Timbre
Armónicos de onda o forma de
la onda. Análogo a la textura
Depende de las características de la fuente
emisora del sonido (por analogía: áspero,
aterciopelado, metálico, etc)
Duración
Tiempo de vibración
Largo o corto
Timbre
El timbre nos permite diferenciar un sonido de las mismas características emitido
por dos instrumentos distintos. Se suele entender el timbre como la textura de un
sonido.
El concepto de timbre se produce porque dos sonidos con el mismo tono, la
misma intensidad y la misma frecuencia tienen una composición armónica
diferente, es decir, la composición armónica de un sonido corresponde a la onda
resultante de la superposición de su frecuencia fundamental con la de los
armónicos.
Algunos factores que influyen en el timbre de un sonido se relacionan con las
características físicas del cuerpo que los emite.
Las frecuencias armónicas son
múltiplos
enteros
de
la
frecuencia fundamental, es decir,
para
una
frecuencia
fundamental de 50 Hz, el tercer
armónico tendría 150 Hz y el
quinto armónico 250 Hz.
La amplitud de los armónicos
más altos es mucho menor que
la amplitud de la onda
fundamental y tiende a cero, por
este motivo los armónicos por
encima del quinto o sexto
generalmente son inaudibles
Timbre
El teorema de Fourier demuestra que cualquier forma de onda periódica puede
descomponerse en una serie de ondas (armónicos) que tiene una frecuencia que
es múltiplo de la frecuencia de la onda original (frecuencia fundamental). Así, los
armónicos son múltiplos de la frecuencia fundamental, a la que acompañan.
El timbre viene determinado por la cantidad e intensidad de estos armónicos. A
veces, como en el caso del oboe, estos armónicos pueden tener una amplitud
igual o superior a la forma de onda fundamental.
Los armónicos varían según la fuente, según el tipo de instrumento, según el
diseño del propio instrumento, e, incluso, según la forma de tocar este
instrumento.
Hay diferentes grados de generalización en la consideración del timbre de una
fuente sonora.
• Diferencia elementos de diferentes clases (por ejemplo, una guitarra de una
flauta).
• Diferencia elementos de una misma clase (por ejemplo, dos guitarras).
• Diferencia las distintas posibilidades dentro de un único elemento (por ejemplo,
diferentes posibilidades sonoras en una misma guitarra).
• Caracteriza las diferencias producidas por la variación temporal de un sonido (el
sonido como fenómeno dinámico, que varía en el tiempo).
El cerebro tiene almacenados en la memoria una ingente cantidad de registros de
timbres, de forma que cuando se oye un sonido se activan los mecanismos
psíquicos de reconocimiento, entre los cuales figura la memoria como elemento
primordial.
Generalmente asumimos que el timbre de un instrumento que interpreta una
escala, es el mismo en todas las notas, y que lo único que varía es la frecuencia
fundamental y las de sus armónicos superiores. Sin embargo esto no es así, en
realidad, cada nota de un mismo instrumento tiene su propio timbre, distinto al de
las restantes. Todas estas variaciones se hallan almacenadas en la memoria y,
cuando lo que oímos no concuerda con nuestros datos almacenados, el
reconocimiento del sonido da resultados negativos.
Referencias
•
Manual de otorrinolaringología infantil, Pilar Navarro Paule, Rafael Pérez Aguilera, Carlos Sprekelsen Gassó. Elsevier
España, 07/02/2012
•
Anatomía y fisiología del oído, Jorge Caro, José San Martín. Pontificia Universidad Católica de Chile,
http://escuela.med.puc.cl/paginas/publicaciones/otorrino/apuntes-2013/Anatomia-fisiologia-oido.pdf
•
Facultad de Medicina Universidad de la Frontera, Chile,
http://www.med.ufro.cl/Recursos/neuroanatomia/archivos/pdf/fono.audicion.pdf
•
Escuela Universitaria de Música, http://www.eumus.edu.uy/docentes/maggiolo/acuapu/sap.html
•
Armónicos, Causas y Efectos, David Chapman, Copper Development Association UK, Marzo 2001.
•
La percepción acústica: Tono y timbre, Jesús Mariano Merino, Dpto. de didáctica de las Ciencias Experimentales,
Universidad de Valladolid.
•
http://personales.unican.es/perezvr/pdf/Sonido%20y%20Audicion.pdf