Scuola estiva
24-29 settembre 2006
Soriano nel Cimino (VT)
Versione 1.5
Informazioni generali
 Luciano Romito
 Professore Associato di Fonetica e Fonologia
 Responsabile Scientifico del Laboratorio di Fonetica LABFON
(Università della Calabria)
 Insegnamenti:
 Laurea Triennale: Linguistica Generale, Fonetica Articolatoria, Linguistica
Computazionale
 Laurea Specialistica: Fonetica Sperimentale I e II
 Ambiti di Ricerca: Conservazione, archiviazione e restauro di materiale
sonoro. Speaker Recognition. Descrizioni dialettali attraverso analisi
articolatorie e acustiche
 E-mail [email protected]
 Telefono 0984/494078
 Homepage del laboratorio (sono presenti i riferimenti bibl in pdf)
 http://www.linguistica.unical.it/labfon/home.htm
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Luciano Romito
2
Silvia
Chiara
Irene
Athos
Claudia
Lisa
Carmen
Sophie
Paola
Antonio
Daniela
Alba
Nadia
Rachele
Rachele
Sara
STANCHINA
BERTINI
RICCI
TONIOLO
BAROLO
PRETTO
COLI
SAFFI
SCUTICCHIO
STELLA
GAGLIARDI
BROGIONI
BRUNETTI
DELUCCHI
PAGGIARO
GIULIVI
SSN Pisa
SSN Pisa
SSN Pisa
Loquendo SpA
Loquendo SpA
Università di Padova
Università di Perugia
Univ de Provence
UNICAL
Università di Lecce
UNICAL
Univ La Sapienza
Univ Str di Perugia
Università di Zurigo
Università di Siena
Università di Firenze
Angelica
Bianca
Maria
COSTAGLIOLA
SISINNI
PRIMO
CNRS/ Paris 3
Università di Lecce
Università di Messina
Luigia
Renzo
Giacomo
Mauro
GARRAPA
MIOTTI
SOMMAVILLA
NICOLAO
Universitaet Konstanz
e Lecce
Università di Verona
ISTC-SPFD CNR
ISTC-SPFD CNR
Paolo
Matteo
Stephan
Nadia
Giuliano
Maria
Lidia
Dario
Chiara
BRAVI
NUNZIATI
SCHMID
NOCCHI
MION
PALMERINI
COSTAMAGNA
CORREALE
CELATA
Univ Siena/Cagliari/Perugia
Università di Firenze
Phonetisches Laboratorium der Universitaet Zuerich
Phonogrammarchiv Universität Zürich
La Sapienza
FUB
Univ Strdi Perugia
Università di Bologna
SSN Pisa
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Luciano Romito
3
Le basi teoriche della Fonetica
Acustica: La teoria sorgente Filtro
Ore a disposizione = 15:30-16:15
La teoria Sorgente Filtro 1/45
La Fonetica


Articolatoria
Percettiva

Acustica



Studio delle impostazioni
Studio dei processi e dei
modelli
Studio di ciò che viene
prodotto
Da ricordare che non necessariamente ciò che viene prodotto
viene anche percepito (sia con funzione fonetica che con
funzione fonologica) si pensi alla durata minima per esempio
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Luciano Romito
5
La teoria Sorgente Filtro 2/45
La Fonetica Acustica si occupa delle
caratteristiche fisiche dei singoli suoni (flusso
sonoro-coarticolazione).
Sui foni cioè sui fonemi prodotti.
Polmoni
A
Energia
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Laringe
B
Sorgente
App.
Boccale
C
Segnale
vocale
Filtro
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Il suono: alcuni concetti 3/45
Onda, Periodicità, Frequenza, Ampiezza.
Il suono presuppone tre condizioni:
1) la produzione di una perturbazione dell’aria da
parte di un corpo elastico vibrante: sorgente;
2) la propagazione di queste vibrazioni
attraverso un mezzo elastico (aria, acqua, solidi);
• 3) la ricezione delle vibrazioni da parte di un
corpo elastico (detto anche ricevitore)
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7
La natura fisica del suono 4/45
• Nell’aria il suono è formato da onde che
trasportano energia lontano dalla sorgente
(oggetto che vibra)
– vibrazione = movimento rapido avanti e indietro di un
oggetto o di una sua parte (punta del diapason)
– onda = disturbo che viaggia lontano dalla sorgente in
tutte le direzioni (onde sull’acqua)
• connessione tra vibrazione e onda
– l’onda non trasporta del materiale, ma solo un segnale
– ogni oggetto sulla traiettoria dell’onda inizia a vibrare
(anche i muri)
– quando l’onda è passata, ogni cosa sulla traiettoria
torna alla posizione originale
Il suono non è trasporto di materia
ma di energia
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9
Propagazione del suono
Il rumore
• Normalmente è un termine usato in modo vago
per indicare tutti gli altri suoni. Ma quali?
• sicuramente quelli non organizzati, non piacevoli
o non voluti
• il confine tra musica e rumore non è ben definito
 ogni nuova generazione di giovani sembra apprezzare musica
che i “vecchi” giudicano rumore
– in genere, quasi tutti i suoni udibili possono apparire
tra le pagine di un compositore (si pensi alla musica
pentatonale o atonale o ancora non tonale ecc.)
– Rapporto S/N o Rapporto SI/SD
Come viaggia il suono?
• La sua produzione abbiamo già detto che:
– ha a che fare con la vibrazione
– con qualcosa che oscilla in avanti e indietro più o meno
velocemente
• La sua propagazione:
– È invisibile nell’aria
• La sua percezione
– dipende da come agisce su sensi e sulle emozioni
– le orecchie percepiscono il suono
– I nervi e il cervello elaborano l’informazione sonora
• Come già detto la produzione e la percezione non sono
lineari
Produzione del suono
• tutte le sorgenti sonore oscillano
–
–
–
–
l’ancia di un oboe
la colonna d’aria in un flauto
la corda di una chitarra
Le corde vocali ?????
• ogni vibrazione è detta ciclo o periodo
–
–
–
–
–
dalla posizione di riposo verso una direzione
ritorno indietro verso la posizione di riposo
dalla posizione di riposo verso la direzione opposta
ritorno indietro verso la posizione di riposo
... e via di seguito
• ogni segnale sonoro comprende molti cicli
Il moto armonico semplice
•La scienza delle onde sonore è costruita sulle onde
sinusoidali
• rappresenta la vibrazione corrispondente al suono più
semplice e viene detto movimento sinusoidale
forza
Ampiezza
delle
oscillazioni
frequenza
Onda semplice periodica
Sinusoidale
Lunghezza
d’onda
ella
za
e.
F
B
Periodo o ciclo
d
A
b
h
E
C
D
f
1 ms
tempo in secondi
Ampiezza
G
I
H
Parametri delle onde sinusoidali
• frequenza: numero di cicli in un secondo
– si misura in hertz: 1 Hz = 1 ciclo/secondo
• ampiezza: dimensione dell’oscillazione
– si può misurare in mm (ma vedi più avanti)
• fase: posizione dell’onda rispetto a un istante
– si può esprimere in termini dell’angolo in relazione
all’inizio dell’onda
– 0 positivo a 0 gradi
– primo picco a 90 gradi
– 0 negativo a 180 gradi
– ...
I suoni puri
Sono molto simili al suono prodotto da un diapason
Onda sinusoidale a 110 Hz
Onda sinusoidale a 220 Hz
Onda sinusoidale a 440 Hz
Onda sinusoidale a 660 Hz
Salta la
digressione
Rilevare la Temperatura
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Temperatura
(°C)
Ora
Giorno
27
33
35
27
21
15
28
31
34
24
15
13
27
9
13
17
21
1
5
9
13
17
21
1
5
9
7 Agosto
8 Agosto
9 Agosto
Luciano Romito
18
Rappresentazione grafica
Valo ri della temp eratu ra
Temperatura
(°C)
Ora
27
33
35
27
21
15
28
31
34
24
15
13
27
9
13
17
21
1
5
9
13
17
21
1
5
9
Giorno
40
7 Agosto
8 Agosto
t em p e r at u r a
35
30
25
20
15
9 Agosto
7 ag o sto
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Luciano Romito
8 ag o sto
9
5
1
21
17
13
9
5
1
21
17
13
9
10
9 ag o sto
19
La frequenza
La frequenza: quante volte (con quale
frequenza) in un tempo T stabilito (una
settimana nel nostro esempio), si ripetono
dei cicli completi. (F=1/T)
Valo ri della temp eratu ra
40
t em p e rat u ra
35
30
25
20
15
7 ag o s to
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8 ag o s to
Luciano Romito
9
5
1
21
17
13
9
5
1
21
17
13
9
10
9 ag o s to
20
L’ampiezza
Temperatura
(°C)
Ora
Giorno
Temperatura
(°C)
Ora
Giorno
27
33
35
27
21
15
28
31
34
24
15
13
27
9
13
17
21
1
5
9
13
17
21
1
5
9
7 Agosto
+2
+8
+10
+2
-4
-10
+3
+6
+9
-1
-10
-12
+2
9
13
17
21
1
5
9
13
17
21
1
5
9
7 Agosto
8 Agosto
9 Agosto
8 Agosto
9 Agosto
Media 25°
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Rappresentazione grafica
della ampiezza
Valore della escursione
Temperatura
(°C)
Ora
+2
+8
+10
+2
-4
-10
+3
+6
+9
-1
-10
-12
+2
9
13
17
21
1
5
9
13
17
21
1
5
9
Giorno
15
7 Agosto
10
5
8 Agosto
0
-5
-10
7 agosto
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8 agosto
9
5
1
21
17
13
9
5
1
21
17
13
-15
9
9 Agosto
9 agosto
22
Valo ri della temp eratu ra
Considerazione sulla
rappresentazione grafica
40
t em p e rat u ra
35
30
25
20
15
10
7 ag o s to
8 ag o s to
9
5
1
21
17
13
9
5
1
21
17
13
9
Osservando un grafico di un onda possiamo:
studiare e dedurre la periodicità, [che come vedremo
9 ag o s to
in seguito è molto importante per differenziare i suoni (periodici) dai
rumori (aperiodici)]
studiare e dedurre la frequenza
studiare e dedurre l’ampiezza o l’intensità
delle oscillazioni.
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Legge di Marsenne
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24
La relazione fondamentale di un’onda periodica semplice è la seguente, che è
valida anche per onde periodiche complesse.
F (Hz)=1/T (s)
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La pressione si misura in Pa= Newton/m2 (N/m2)
Luciano Romito
25
Legge di Marsenne
perturbazione,
deformazione della
lamella, ampiezza
della oscillazione.
F
B
d
A
b
h
E
C
1 ms
D
perturbazione,
deformazione della
lamella, ampiezza della
oscillazione.
G
I
H
tempo in secondi
F
B
C
A
f
b
G
E
D
I
H
1 ms
tempo in secondi
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26
Smorzamento
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27
Salta la
propagazione
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Fronte dell’onda
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28
Velocità del suono
• v=344 m/s (3 sec per fare 1 Km )
– aria secca, temperatura ambiente (T=20oC)
– si può misurare la distanza di un temporale lontano
• l’aria è un mezzo non dispersivo : tutti i suoni,
indipendentemente dall’altezza, viaggiano
nell’aria alla stessa velocità
• la velocità dipende dalla temperatura e dal
mezzo
Velocità del suono
La velocità del Suono
nei diversi mezzi
Mezzo di propagazione
Aria
Aria
Aria
Acqua
Piombo
Ferro
Granito
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Temperatura
0 °C
20 °C
30 °C
15 °C
20 °C
20 °C
20 °C
Pressione atmosferica
760 m/Kg
“
“
760 m/Kg
760 m/Kg
760 m/Kg
760 m/Kg
Luciano Romito
Velocità
331,4
344
350
1450
1230
5130
6000
m/sec.
m/sec
m/sec
m/sec
m/sec
m/sec
m/sec
31
DeciBel
spostamento
Forza
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SIL (Livello di intensità sonora) e dB
• Il bel non è una quantità di suono; è una relazione
tra due suoni
– 1 bel = rapporto di 10 a 1 tra due intensità
– 1 dB = 1/10 bel
Salta la
percezione
† Se Iy / Ix=10, allora SILy - SILx = 10 dB
† Se Iz / Iy=10, allora SILz - SILy = 10 dB
† Iz / Ix=100, ma SILz - SILx = 20 dB
• Cosa vuol dire “quel suono è oltre 75 dB” ?
– numero di decibel = 10 log (I / I0)
– I = intensità sonora in esame
– I0 = intensità di riferimento (0,000000000001=10-12 W/m2)
Solo come informazione SIL e SPL
• Livello di intensità sonora (SIL)
– SIL = 10 log (I / I0) con I0 = 0.000000000001 W/m2
• Livello di pressione sonora (SPL)
– SPL = 20 log (p / p0) con p0 = 0.00002 N/m2
Livelli di dB
dB=10log I
I0
Intensità
(w/m2)
100
10
1
0,1
0,01
0,001
0,0001
0,00001
0,000001
0,0000001
0,00000001
Pressione
sonora PA
200
20
2
0,2
0,02
0,002
0,000000001
0,0000000001
0,00000000001
0,0002
0,000000000001
0,00002
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Livello di
Pressione (dB)
140
Condizioni
ambientali
soglia del dolore
130
120
110
100
martello pneumatico
forte clackson a 1 m
musica pop
nella metropolitana
90
80
70
nell’autobus
traffico medio
conversazione a 1 m
60
50
40
in un ufficio
in casa (di giorno)
in biblioteca
30
20
10
0
in casa (di notte)
sala di registrazione
soglia dell'udito
Effetto sull'uomo
lesioni
dell'orecchio
pericolo di sordità
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stato di
affaticamento
stato di riposo
(diurno)
stato di riposo
(notturno)
35
Onde semplici e onde complesse
Salta le
Onde complesse
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36
Combinazioni di onde periodiche
con rapporti di frequenza interi
Scegliendo le onde in modo
attento, si ha una combinazione
periodica
Es. (a) 440 Hz
(b) 220 Hz
(c) 110 Hz
In questo modo, mentre la prima
fa 4 cicli, la seconda ne fa 2, e la
terza 1!
(a)
(b)
(c)
(d)
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39
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40
Concordanza di Fase
tuttavia è stato osservato che
l’udito avverte soprattutto
differenze di frequenza e di
ampiezza, ma non di fase
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41
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42
FOURIER
Il matematico francese François Marie
Charles Fourier (1772- 1837) inventò una
teoria matematica attraverso cui è possibile
provare che ogni onda periodica può essere
rappresentata per mezzo di una somma di
onde sinusoidali aventi ampiezze, frequenze
e fasi appropriate.
Una rappresentazione di Fourier di un’onda
può richiedere molte componenti,
addirittura un numero infinito, tuttavia è
possibile approssimare un’onda utilizzando
un numero finito di componenti.
TEOREMA DI FOURIER
Il teorema di Fourier afferma che:
«qualunque funzione periodica, finita, continua può essere
rappresentata mediante una somma di funzioni sinusoidali
pure, pesate da opportuni coefficienti, nei cui argomenti
compaiono tutte le frequenze (le armoniche) multiple di una
frequenza fondamentale, caratterizzante la periodicità della
funzione»
L’analisi di Fourier è quel procedimento che conduce alla
serie di armoniche che costituiscono un suono. Ogni onda
sinusoidale avrà una sua fase e ampiezza, e anche queste
possono essere estratte dalla forma d’onda complessa.
Fourier
• Sintesi di Fourier: combinare onde sinusoidali per
formare onde complesse
• Analisi di Fourier: individuare le componenti
sinusoidali di una forma d’onda complessa
• Spettro di Fourier: l’insieme delle ampiezze delle
onde sinusoidali (componenti di Fourier) che
formano un’onda complessa
Salta le molle
Forse no
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Forse no
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47
25/01/2001
Acustica e psicoacustica
Ultrasuoni: suoni con
Infrasuoni: suoni con
frequenze superiori ai 20
kHZ, se molto intensi
agiscono sul sistema nervoso
provocando cefalee, perdita
di riflessi
frequenza inferiore ai 20 Hz,
possono generare vertigini,
nausea, dolori addominali
Da un punto di vista fisico non c’è
differenza tra suoni (che generano sensazioni
uditive nell’uomo: suono e rumoe) 20 -20000 Hz
ed ultrasuoni o infrasuoni
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48
Rumore
Rumore bianco
Rumore rosa
Rumore colorato o
Brown
Da 28 a 280 Hz
Da 280 a 4000 Hz
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49