Biología Sensorial Animal. Comunicación La Producción del sonido. Teórica #10

Transcripción

1 Biología Sensorial Animal Comunicación La Producción del sonido Teórica #10

2 Comunicación No hay una definición precisa de comunicación Es la transferencia de información en la cual transmisor y receptor cooperan y están de acuerdo en el significado del mensaje transmitido Comunicación biológica es la interacción entre organismos mediada por señales (es decir información sensorial) en lugar de factores físicos o tróficos o información genética.

3 Comunicación Situaciones no es clara la definición de comunicación (desacuerdos) cuando señales median interacción pero emisor no coopera. La información es transmitida solo incidentalmente (ej. ver comer a otro) Transmisión de información errónea por ej. En señuelo

4 Comunicación Biological communication can be defined as action on the part of one organism (or cell) that alters the probability pattern of behavior in another organism (or cell) in adaptive fashion E.O. Wilson (1970) Suponemos que excluye casos de fuerzas físicas o factores tróficos e incluye de transmisión incidental. Ser adaptativo para el receptor excluye transmisión de información errónea

5 Verdadera comunicación entre organismos reales Un comportamiento particular del organismo transmisor debe generar una señal que influencia el comportamiento del organismo receptor. El comportamiento es adaptativo para el organismo transmisor sólo por los efectos producidos por la señal. La respuesta del organismo receptor es adaptativa para él. La forma más sofisticada de comunicación es el lenguaje

6 Problemas generales en comunicación Reconocimiento de la señal Especificidad de la señal Rango Posición del transmisor Veracidad Privacidad en la comunicación

7 Reconocimiento de la señal Objetivo básico señal elegida para comunicación sea reconocida como distinta del ruido Ej. Estímulos químicos fácilmente reconocibles si propiedades químicas favorecen pegada a receptor (cadenas de carbono (6-20 C) con 1-2 grupos polares) Tipo comunicación visual fácil reconocimiento: señales aposemáticas, de aviso o advertencia. Para funcionar bien: ser rápidamente reconocibles Reconocible con sólo una experiencia e info para su reconocimiento hereditable (<flexible que aprendizaje) Simples, ej. Patrón pocos colores (negro con bandas rojas o amarillas (poco común en naturaleza))

8 Especificidad de la señal A veces presión para señales más específicas para generar ># mensajes (ej. idioma humano, canto aves, feromonas polillas) Mezclas de compuestos para señales químicas (hormigas más por multimodal) Sonido 2 parámetros indep. (intensidad y frec.) Problemas de reconocimiento de señal solución repetir la señal o sus componentes Canción: repetición de patrón temporal de cierta complejidad. Ej. Pájaros, ballenas.

9 Producción de sonido y comunicación Comunicación: transferencia de información. Comunicación biológica interacción entre organismos mediada por señales (símbolos), que involucran información sensorial, más que física, trófica o genética. Ej. feromonas, señales vibratorias, danza de abejas, comunicación eléctrica peces, canto de aves. Comunicación acústica: producción de señal (sonido), propagación, recepción y el efecto sobre el receptor. Para producir sonido: 1) conversión de poder muscular a baja velocidad pero gran fuerza en vibración mecánica y 2) transformación de vibración mecánica en acústica. Para emisor importante ser escuchado y reconocido. Señal de alto volumen (implica resonancia, alto poder acústico e igualación de la impedancia en todas las etapas de producción y recepción) e información sp-específica (frecuencia y patrón).

10 Resonancia y producción de sonido Resonancia: propiedad física de todos los objetos físicos. Patrones de resonancias simples y uniformes y otros complejos. Se produce cuando cuerpo capaz de vibrar es sometido a la acción de una fuerza periódica, cuyo periodo de vibración se acerca al periodo de vibración característico de dicho cuerpo. Fuerza relativamente pequeña aplicada en forma repetida hace una amplitud del sistema oscilante muy grande. Frecuencia/s de resonancia a aquella frecuencia característica de un cuerpo o un sistema que alcanza el grado máximo de vibración u oscilación.

11 Resonancia y producción de sonido Frecuencia resonante más baja se llama fundamental. Mayoría de objetos vibrantes más de una frecuencia de resonancia (instrumentos musicales, normalmente resuenan a frecuencias armónicas de la fundamental). Las cuerdas vibrantes y las columnas de aire cilíndricas abiertas resuenan en todos los armónicos de la fundamental. Los cilindros con un extremo cerrado, resuenan en solo armónicos impares de la fundamental. El sonido puede producirse como consecuencia de patrones de resonancia dentro de un objeto pero no debe ser confundido con la resonancia. Ej., cuerda de una guitarra vibra en el vacío presenta un patrón de resonancia sin producir un sonido.

12 Resonador Vibraciones que emanan de un cuerpo (vibrador principal) pueden causar que el otro cuerpo (vibrador secundario) comience a resonar en sintonía con él en la misma o un múltiplo de dicha frecuencia. Resonadores pueden generar sonido excitando las partículas de aire adyacente en el medio circundante. Ej. cuerda de una guitarra vibra cuando se la toca, son ondas transversales (y por lo tanto no son vibraciones sonoras) con frecuencias características (resonantes) determinadas por las propiedades físicas (densidad lineal, tensión y longitud) de la cuerda. La cuerda colisiona con el aire circundante y genera ondas de presión longitudinales (sonido) en ese medio.

13 Tipos de Resonancia Conductiva o forzada (resonador comienza a vibrar porque está en contacto físico con el cuerpo vibrante) Simpática o libre (no existe contacto físico entre los dos cuerpos) Ambos tipos de resonancia trabajan en la voz humana durante el habla y el canto. Mucha de la vibración que sienten los cantantes es el resultado de la resonancia conductiva (vibraciones de cuerdas vocales viajan a través de huesos, cartílagos y músculos del cuello, cabeza y tronco superior). Estas vibraciones sensaciones vibratorias conductivas suministran el feedback propiosensorial al cantante acerca de la eficacia del proceso fonador. En contraste, el sonido de un cantante es el producto de la resonancia simpática.

14 Tipos de Resonancia Vibraciones de las cuerdas vocales viajan a través del aire desde la laringe hacia la cavidad de la garganta y cabeza, poniendo ambas cavidades a vibrar. Este resonador vocal no es caja de resonancia comparable con instrumentos de cuerda, sino una columna de aire con una forma compleja y variable. Sección medial del tracto vocal (rayos X) durante articulación de una vocal por hombre adulto. Mediciones área de sección transversa cada 0.5 cm entre labios y la glotis. El área y no la forma contribuyen a la resonancia.

15 Reflexión, interferencia y ondas estacionarias Cuando dos frentes de onda se aproximan desde direcciones opuestas, se atraviesan. Al hacerlo, sus patrones interfieren constructiva o destructivamente para producir patrones temporales compuestos. Las formas de onda original son restauradas luego que los dos frentes de ondas se cruzan siguiendo cada uno su trayectoria. En un medio resonante, ondas se propagan de manera azarosa en cualquier dirección (patrón complejo de 3 dimensiones). Pueden interferir temporariamente y luego siguen intactas. La interferencia puede ser constructiva o destructiva. Ondas también interfieren consigo mismas. Cuando una onda es reflejada desde una superficie o barrera, el patrón de la onda reflejada interfiere con el patrón de la onda original.

16 Reflexión de ondas con y sin desplazamiento Onda se refleja sin inversión existe interferencia constructiva y por lo tanto un significativo desplazamiento de partículas en la barrera (ej. látigo). Si se refleja con inversión, existe una interferencia destructiva y por lo tanto no hay desplazamiento de partículas en la barrera (onda estacionaria) (ej. guitarra). La reflexión sin inversión ocurre siempre, excepto cuando la reflexión con inversión es forzada por un extremo fijo. La reflexión con inversión debe ocurrir necesariamente en un extremo fijo porque es la única forma de reflejar la energía del frente de onda sin crear movimiento en el punto fijo.

17 Cuáles son las posibles longitudes de onda (λ) para una cuerda fija en ambos extremos que resulte en ondas estacionarias con nodos en ambos extremos? λ 2L L 2L/3 L/2 Las primeras 4 frecuencias resonantes para esta cuerda. Estas λ determinan ondas estacionarias con nodos en los dos extremos fijos. Cómo se relaciona esto con la frecuencia? c = vel. sonido o más general, la vel. de propagación del frente de onda

18 Vibración 6 ta cuerda guitarra Frec. Fundamental (82.4Hz) 18 frec. resonantes C =? Largo cuerda 64.4 cm o m

19 Vibración 1 ra cuerda guitarra Frec. Fundamental (329.6Hz) 16 frec. resonantes C =? Largo cuerda 64.4 cm o m

20 Por qué son diferentes estas dos cuerdas? La cuerda de baja frecuencia más gruesa y menor tensión que la de alta frecuencia. Estas dos propiedades determinan diferencias en la velocidad de propagación de la onda aun cuando las longitudes de onda (λ) de cada resonancia sean idénticas. Fn = n F F = tensión de la fibra 2L µ µ = masa por unidad de largo Si examinamos las ondas (parte de abajo de ambas figs.), onda con mayor frecuencia desaparece 4 veces más rápido (en 0.5 s) que la de menor frecuencia (2.0 s). Cuerda vibró el mismo número de veces antes de amortiguarse (amortiguación equivalente). 1 seg vibra 329 veces 0.5 seg vibró veces. 1 seg vibra 82.5 veces 2 seg vibró veces.

21 La frecuencia esta estrechamente relacionada con el tamaño del emisor

22 Ondas estacionarias en tubos Tubo cerrado en ambos extremos podrían caracterizar la resonancia en el tracto vocal durante la fase de oclusión pre voz. En estos tubos, solo los sonidos de baja frecuencia se escapan por radiación a través de las paredes de tracto vocal. Tubo abierto en ambos extremos podrían caracterizar cámaras laterales como las de la cavidad nasal durante la producción de vocales nasales, pero su resonancia está acústicamente acoplada a la de la cavidad principal que sigue siendo un tubo con un extremo abierto y otro cerrado.

23 Ondas estacionarias en tubos Tubo abierto en un extremo y cerrado en el otro los más relevantes en la producción del lenguaje. El tracto vocal durante la producción del sonido de las vocales y las consonantes puede ser descripto como un tubo abierto en un extremo (la boca) y cerrado en el otro (la glotis). Patrones de ondas estacionarias para las primeras 4 resonancias N = nodos A = antinodos

24 La resonancia en un tubo de área de sección transversa uniforme es una característica física de ese tubo y depende de la longitud del tubo y del estado abierto o cerrado de ambos extremos. Las resonancias del tubo mismo solo pueden ser definidas en términos de longitudes de onda. Sin embargo, lo que realmente vibra es el medio contenido en el tubo. Solo cuando hemos definido el medio que vibra en el tubo podemos hablar de resonancia en términos de frecuencias. En el tracto vocal esto se define como el cuerpo de aire en el cual viaja el sonido a una velocidad de 330m/seg. El helio causa un aumento en la velocidad del sonido que determina un aumento en las frecuencias de resonancia para determinadas longitudes de onda (equivalente al efecto de aumentar la tensión de la cuerda o reducir su masa para la vibración de la cuerda).

25 Espectro de frecuencias de la vocal e 450 Hz 4 picos de resonancia Frecuencias intermedias entre las frecuencias resonantes son transmitidas por el tubo que contiene un cuerpo de aire. Sin embargo, existen picos resonantes muy claros y estas serían las frecuencias predichas por el modelo de ondas estacionarias en el tracto de resonancia vocal.

26 Nodos en el extremo cerrado Por qué tenemos estas resonancias y por qué los picos son más anchos que los de las cuerdas? En primer lugar, el aire tiene viscosidad o resistencia al movimiento causado por la acumulación de las moléculas de aire. Además, la viscosidad aumenta a medida que nos acercamos al extremo fijo del tubo o a las paredes del tubo (debido a la fricción de las partículas de aire y la pared del tubo). El movimiento de las partículas de aire en el extremo fijo es resistido tanto por el incremento en la viscosidad del aire como por las colisiones con el extremo del tubo. Esto determina que el extremo cerrado del tubo se comporte de manera semejante al extremo fijo de la cuerda, de manera que la reflexión del frente de onda en el extremo fijo del tubo ocurre con inversión, determinando nodos en el extremo fijo. Se trata de un nodo para el desplazamiento de aire y de un antinodo de presión de aire en cada extremo (presión máxima).

27 Antinodos en el extremo libre Por qué tenemos antinodos en el extremo libre del tubo? Las ondas pueden ser reflejadas, no solo en el extremo cerrado del tubo sino también en el extremo abierto del tubo. La reflexión ocurre en el extremo abierto como consecuencia de un fenómeno denominado radiación de la impedancia que ocurre cuando un tubo se abre súbitamente en un espacio mucho mayor. El movimiento de las partículas de aire no es inhibido como en el extremo cerrado del tubo de manera que la reflexión ocurre sin inversión y se crean anti nodos de desplazamiento el extremo abierto o nodos de presión (no hay presión).

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29 Calculando las longitudes de onda de la resonancia y las frecuencias Las primeras 4 ondas estacionarias representan ondas con 1/4, 3/4, 5/4 y 7/4 ciclo dentro del largo del tubo. Tubo con longitud L, las longitudes de onda de las primeras 4 resonancias son 4L/1, 4L/3, 4L/5 y 4L/7. Cavidad cilíndrica con largo (L): ʎn = 4L/n f = c/ʎ Fn = (2n 1)*c 4 L Frec. Fundamental (más baja) es: F 1 = c_ 4L Resonancias con L = 16.5 cm y c = 330 m s -1?

30 El mecanismo de la voz El mecanismo de la voz involucra los pulmones y el diafragma como la fuente de poder así como la laringe, faringe, boca y nariz. En la base de la corta laringe tubular están las cuerdas vocales. La laringe se abre en la faringe durante la producción del sonido y el canto mientras que permanece cubierta por la epiglotis cuando tragamos. El tracto vocal actúa como un resonador para Frecuencias que pueden ser moduladas por los articuladores, que forman los formantes vocales que hacen reconocibles los sonidos de las vocales.

31 El rol de los osciladores y otras estructuras vibrantes Típicamente una contracción muscular provoca una o una serie de pulsos sonoros. Si se emiten sonidos continuos, estos se producen por la contracción alternante de músculos contralaterales como en el canto de la cigarra. La estructura muscular tiene propiedades resonantes que controlan la frecuencia del sonido en un rango estrecho. Ejemplos de estos resonadores son la laringe de los mamíferos y la siringe de las aves.

32 Resonancias y formantes Las resonancias son las características vibratorias de un cuerpo que resuena. En el caso del tubo lleno de aire al igual que en la cuerda, la resonancia característica existe aún cuando no se produce sonido. Cuando producimos los sonidos de las vocales, la resonancia de tracto vocal aumenta las vibraciones del sonido cercano a las frecuencias resonantes y selectivamente se atenúan las vibraciones lejanas de las frecuencias resonantes. Esto determina picos en el espectro acústico del sonido de lenguaje resultante. Estos picos acústicos espectrales se llaman formantes.

33 La resonancia del tracto vocal Modelando el tracto vocal como resonador tubo con un extremo abierto, sugiere que sonidos de vocales se corresponden con los harmónicos 1, 3, y 5. Estas frecuencias son después modificadas por la resonancia de la cavidad del tracto vocal según la influencia de los articuladores. Un largo de tracto vocal de cm determinaría una f1 = 500Hz si se trata de un tubo con un extremo abierto. Esto permite predecir frec. formantes de 500, 1500 y 2500 que es rango de frec. observadas.

34 Los articuladores de la voz: La articulación de la voz puede considerarse como cambios en la resonancia del tracto vocal. El movimiento de la lengua, la faringe, el paladar, las mandíbulas o labios pueden cambiar los factores básicos que determinan la frecuencia de la cavidad resonante (vol. de la cavidad, área de apertura y longitud). Produce sonidos que se llaman vocales, diptongos, semivocales y nasales. Algunos sonidos modificaciones de la resonancia básica del tracto vocal (filtrado del espectro acústico del mecanismo de la voz). Mientras que la resonancia de la mayoría de los sonidos requiere de las cavidades faríngea y oral, los sonidos nasales n/m/ng requieren de la resonancia de la cavidad nasal. Para poder producir sonidos distinguibles tales como las vocales, el mecanismo vocal debe controlar la resonancia del tracto vocal.