Propriedades Acústicas dos Sons Simples e Complexos

A Fonética Acústica estuda as propriedades físicas do som da fala. Todos os sons são resultados de vibrações na pressão do ar, e a diferença entre um som e um ruído é o padrão irregular de vibração deste. Podemos visualizar o padrão dessas vibrações através de gráficos de ondas sonoras (waveforms). Os gráficos de ondas sonoras possuem duas dimensões: tempo medido em segundos (eixo horizontal) e amplitude medida em decibéis (eixo vertical).

A figura 7 ilustra a onda sonora de um som simples com frequência e amplitude constantes, e um exemplo desse tipo de onda é aquela produzida pelo movimento de um diapasão ou de um pêndulo. A forma de onda representada pela figura 7 é simples (forma básica da senóide), regular e periódica (a forma de onda em um ciclo é a mesma em outro ciclo). Também podemos observar o comprimento de onda (λ) que representa a distância de uma crista (ponto mais alto da onda) à outra e a distância de um ventre (a posição mais baixa da onda) ao outro.

Figura 7. Onda Sonora Senoidal: Comprimento e Amplitude. Fonte: Adaptado de PANZERA e MOURA (2009).

Enquanto as partículas de ar se movem de maneira simples (para frente e para trás) como resultado de um diapasão em vibração, a maioria das fontes de som interagem com as moléculas de ar de maneira mais complexa, e assim temos como resultado sons complexos, como por exemplo, a voz humana e os sons instrumentais.

As ondas complexas são compostas por uma série de senóides simples que podem diferir em frequência e amplitude. A seguir veremos os conceitos de frequência, período e amplitude. A frequência (f) é representada pelo número de ciclos por segundo de um corpo em vibração. Um ciclo por segundo equivale a 1 Hertz (unidade de medida em frequência (Hz)). Se a vibração ocorre de maneira rápida, o corpo possui uma frequência alta, e de modo contrário, se a vibração ocorre de forma lenta, o corpo possui frequência baixa.

O período (T) representa o intervalo de tempo correspondente a um ciclo completo medido em segundos (s). O período pode ser calculado usando-se a expressão: T = 1/f.

A amplitude (A) “representa a pressão exercida sobre as partículas de ar durante a vibração, sendo sempre relativa à pressão exercida em um outro som que serve de referência”. (SEARA, 2008, p. 5), e está relacionada à intensidade sonora que pode ser medida em decibéis (dB).

Nas figuras 8 e 9 a seguir podemos observar a mesma amplitude, mas frequências diferentes. Na figura 8 são realizados três ciclos durante um segundo, ou seja, a frequência é de 3 Hz e o período é 1/3 s. Na figura 9 a frequência é maior, pois são realizados 10 ciclos em um segundo, logo a frequência é de 10 Hz e o período é 1/10 s.

Figura 8. Onda Sonora: Frequência e Período. Fonte: MACEDO (2012).

Figura 9. Onda Sonora: Frequência e Período. Fonte: MACEDO (2012).

Uma característica acústica importante dos sons da fala é a frequência fundamental (F0) que tem como correlato perceptivo o pitch ou altura que corresponde à sensação auditiva do som. Variações na frequência fundamental nos faz perceber o quão baixo ou alto um som pode soar. Quanto maior a frequência maior será a altura percebida, e quanto menor a frequência menor será a altura percebida. Sons graves são baixos em altura, como por exemplo, a voz masculina que apresenta, em média, uma frequência fundamental de 120 Hz é percebida como grave enquanto a voz feminina, cuja frequência fundamental média é de 220 Hz é percebida como mais aguda do que as dos homens. A frequência fundamental média de crianças é de 300 Hz (SEARA, 2008).

Já vimos a representação do domínio do tempo em análise acústica através dos gráficos de forma de onda, agora passemos ao domínio da frequência através da representação espectral.

Uma das formas de representação espectral é a partir do espectro de linha que plota as frequências versus as relativas amplitudes dos componentes senoidais. Cada componente senoidal é mostrado como uma linha vertical acima da sua frequência correspondente no eixo da abscissa, e a altura da linha representa a amplitude.

Na figura 10 podemos encontrar o gráfico de forma de ondas simples e seu respectivo espectro que nos mostram a frequência (em Hz) e a amplitude (em Pascal) constantes dos seus componentes senoidais.

Figura 10. Forma de Onda e Espectro de um Som Simples. Fonte: MANNELL (2008).

A figura 11 nos mostra gráficos de forma de onda e espectro de sons complexos, com frequência e amplitude diferentes.

Figura 11. Forma de Onda e Espectro de Sons Complexos. Fonte: MANNELL (2008).

Além dos gráficos de forma de onda e espectro, podemos analisar um som acusticamente e de maneira mais detalhada através do espectrograma. Há dois tipos de espectrograma: os de banda estreita que permitem a visualização dos harmônicos e os de banda larga que permitem a visualização dos formantes. Os primeiros são gerados a partir de um comprimento de janelamento (window length) em segundos maior (em torno de 0.30 ms) e os segundo por um comprimento de janelamento menor (em torno de 0.005).

A partir de um espectrograma de banda larga podemos observar três dimensões do sinal acústico: frequência, intensidade e tempo (em milésimos de segundos). No eixo vertical observamos a frequência e no eixo horizontal, o tempo. A intensidade é dada por uma gradação nos tons de cinza, na qual faixas mais escuras possuem maior intensidade e faixas com tons mais claros menor intensidade (MATEUS; FALÉ; FREITAS, 2005).

Abaixo, na figura 12, podemos ver os gráficos de forma de onda, os espectrogramas de banda larga e as camadas de transcrição das palavras ship e sheep produzidas por um sujeito do sexo masculino, falante nativo do Português Brasileiro.

Figura 12. Forma de Onda, Espectrograma e Camadas de Transcrição das Palavras ship e sheep por um Falante Nativo do Português Brasileiro.

Fonte: Elaboração do Pesquisador.

No espectrograma da figura 13 podemos observar o contraste entre ship e sheep na produção desse falante brasileiro e verificar que o contraste mais significativo ocorreu na duração, pois as frequências de F1 e F2 das duas palavras (indicadas em vermelho) foram semelhantes.

Na figura 13 são apresentados os gráficos de forma de onda, os espectrogramas de banda larga e as camadas de transcrição das palavras ship e sheep produzidas por um sujeito do sexo feminino, falante nativo do Inglês Americano.

Figura 13. Forma de Onda, Espectrograma e Camadas de Transcrição das Palavras ship e sheep por uma Falante Nativa do Inglês Americano.

Fonte: Elaboração do Pesquisador.

A falante nativa diferenciou não apenas a duração dos sons vocálicos [i] e [ɪ], mas também as frequências de F1 e F2 que estão relacionadas com a altura da língua e o deslocamento da língua no plano horizontal, respectivamente. Neste capítulo explicaremos a importância dos formantes para a caracterização das vogais (HASS, 2017).

Como mencionamos anteriormente, chamamos de formantes as ressonâncias do trato vocal com as maiores concentrações de energia. A ressonância do trato vocal depende do comprimento e diâmetro transversal do mesmo (KENT, 1992). Ou seja, os formantes estão relacionados com a configuração do trato vocal, e, portanto, haverá variações nas frequências dos formantes a cada som produzido se compararmos falantes distintos ou de populações distintas, sejam elas a de adultos do sexo feminino, masculino ou crianças.

Os formantes determinam a qualidade dos sons e são medidos em Hz. Podemos distinguir uma vogal de outra pelas diferenças entre os formantes. Os formantes podem ser observados nos espectrogramas de banda larga como faixas escuras e na voz masculina, aproximadamente, ocorre um a cada 1000 Hz (LAGEFOGED, 2006).

Na análise acústica das vogais utilizamos os três primeiros formantes:

F1 nos diz sobre o deslocamento da língua no plano vertical e possui relação inversa com a altura da língua, F1 será menor quanto mais alta a língua se encontrar.

F2 nos diz sobre o deslocamento da língua no plano horizontal, quanto mais recuada a língua estiver menor será F2.

F3 nos diz sobre a qualidade de algumas vogais. Ladefoged e Johnson (2006) mencionam que quanto mais baixa a frequência do F3, mais arredondada a forma dos lábios. O F3 não é tão frequentemente usado para a caracterização das vogais nas línguas, como o F1 e o F2.

Acusticamente, os sons podem se diferenciar uns dos outros em três aspectos: pitch ou altura, loudness ou volume e qualidade. O pitch de um som, como mencionamos anteriormente, tem como correlato acústico a frequência fundamental (F0), e em termos de produção está relacionado com a frequência de vibração das pregas vocais. Um som produzido com uma maior frequência de vibração das pregas vocais é percebido como mais agudo do que um som produzido com uma frequência menor de vibração de pregas vocais.

Loudness ou volume corresponde à sensação auditiva que possibilita a identificação de

um som como forte ou fraco. Acusticamente o volume está relacionado com a intensidade do som e em nível de produção ao esforço articulatório e ao nível de pressão subglotal.

Quanto maior a energia da onda sonora, maior será a amplitude e por consequência maior a intensidade do som. Porém, uma mudança na intensidade não será necessariamente percebida como uma mudança proporcional no volume, pois a percepção do volume também é influenciada pela frequência e timbre do som. O intervalo de mudança mínima na intensidade para que esta seja perceptível aos ouvidos varia entre 0,2 e 0,4 dB.

A qualidade dos sons é determinada pelas frequências formânticas que são medidas em Hz. Para a distinção entre tipos de vogais os dois ou os três primeiros formantes são suficientes. Após a consideração das propriedades acústicas, o padrão de vibração que resulta em dois conceitos importantes que distingue dois tipos de sons são apresentados.