Resumen
Acústica y sonido
Propagación
Cuerpo
vibrante
Umbral de
audición
Frecuencia
Sonidos
determinados e indeterminados
Ciclos y
hercios
Regla de
frecuencia y octavas
Intensidad
Decibelios
Duración
Segundos
Timbre
Teorema de Fourier
Fenómeno
físico armónico
Fundamental,
parciales, formantes
Transitorios
de ataque
Psicoacústica
Acústica y sonido
En estos primeros apuntes vamos a aprender ciertos conceptos
básicos que nos ayudarán a comprender las cualidades y el comportamiento del
sonido.
La acústica es la parte de la física que se encarga de
estudiar el fenómeno sonoro. En principio, el sonido es una vibración mecánica
que se transmite por el aire. Aunque también puede transmitirse por otros
medios: pensad cuando buceáis en una piscina, o cuando en una película de
vaqueros, un indio pega la oreja a una vía del tren. Sin medio, no hay sonido.
Ese es el principal error de films como Star
Wars, donde se escuchan explosiones en el espacio. En el vacío no hay
sonido (como lo representan perfectamente en 2001: a space odyssey o la más reciente Interestellar).
No todas las ondas son sonidos. Las ondas que emiten
vuestros teléfonos móviles son ondas electromagnéticas. Del mismo modo, si
agitas algo muy rápido no necesariamente producirá un sonido (sí lo producirá,
pero no obtendremos el que buscamos). El movimiento mecánico debe producirse a
nivel molecular del cuerpo vibrante. Si un motor gira a 440 hz no va a producir
un La (ya veremos qué significa todo esto).
Otro aspecto importante del sonido es que se trata sólo de una
sensación. Se produce en nuestro cerebro. El sonido no existe fuera de
nosotros, y esto es algo que descubriréis con algunos ejemplos a lo largo de
este curso cuando hablemos de audio digital. Sonido es todo aquello que escuchamos.
El resto de ondas mecánicas se clasifican en infrasonidos (por debajo de 20-16
Hz) y ultrasonidos (por encima de 20 Khz). Así que el sonido se circunscribe a
lo que se conoce como umbral de audición, que se encuentra entre los 20 Hz y
los 20 Khz, aproximadamente. ¿Pero qué es esto de Hz y Khz?
Frecuencia
Si recordáis, en Lenguaje Musical aprendisteis que el sonido
tiene cuatro cualidades básicas: altura, duración, intensidad y timbre. La
altura es la frecuencia del sonido.
Pensad en una palmada y un Fa de un piano. ¿Qué nota es una
palmada? ¿Os lo habéis preguntado alguna vez? ¿Por qué hay sonidos en los que
reconocemos una nota (objetivamente) y otros en los que es imposible? Como
aprendisteis en la teoría del Lenguaje Musical, los instrumentos se clasifican
en altura determinada e indeterminada, que hace referencia precisamente a esto.
Los sonidos con altura determinada son los que tienen una
frecuencia fija y periódica. Producen la sensación de una altura musical. En
cambio, los sonidos indeterminados cambian constantemente de frecuencia, son
aperiódicos, caóticos, y se perciben como ruido (que conste que el ruido
también es un sonido, y también se usa en música. De hecho, descubriremos más
adelante que sin ruido no distinguiríamos los timbres de algunos instrumentos
musicales).
Vamos a centrarnos en los sonidos determinados, que son los
más interesantes para el audio digital. Si tomamos una onda seno (una función
seno convertida gráficamente en onda), nos dará la versión más sencilla de una
frecuencia periódica. La frecuencia será la altura de ese sonido, de manera que
si tiene mayor frecuencia, se percibirá como más aguda, y si tiene una
frecuencia menor, la percibiremos como más grave. La frecuencia se mide en
ciclos por segundo, o hercios. Un ciclo es el movimiento completo que realiza
una onda para volver a su posición original (mirad el gráfico). En el gráfico,
el tiempo se representa por la línea horizontal y la intensidad por la
vertical.
Es muy importante que recordéis la siguiente norma: el doble
de hercios produce una octava alta del sonido original. Así, como sabréis, el
La del diapasón se mueve a 440 Hz. Un La octava alta tendrá una frecuencia de
880 Hz, y uno octava baja de 220.
Si bajamos del umbral de audición humano, es decir, si
pudiéramos glissar una onda poco a poco hasta que llegase a 20 Hz, lo que
escucharíamos sería como la onda se vuelve cada vez más rugosa. Esa rugosidad
típica de las ondas graves con respecto a las agudas es la sensación de
continuidad que producen las ondas periódicas: mientras más separados en el
tiempo están los picos de la onda, más espacio vacío percibimos entre ellas.
Bajando de 20 Hz empezaríamos a escuchar más débilmente la frecuencia, hasta
que sólo percibiríamos un ruido de impulsos periódicos. Desgraciadamente, los
altavoces que se venden no producen sonido por debajo de 20-30 Hz, por lo que
no podemos realizar el experimento. En el caso contrario, si subiéramos hasta
los 16000 Hz (aproximadamente donde comienza el umbral de audición, que se
sitúa entre esa frecuencia y los 20000 Hz), por ejemplo, comenzaríamos a
experimentar poco a poco una falta de audición de la onda, hasta que fuéramos
incapaces de percibirla por completo.
Intensidad
La intensidad, como hemos visto, se corresponde con la
vertical de la gráfica del sonido. Normalmente la intensidad de un sonido se
mide en decibelios, aunque musicalmente no nos diga mucho. También existen
umbrales de audición humanos con respecto a la intensidad. Precaución: no comprobeis
cuándo os quedáis sordos escuchando un sonido potente. Tened mucho cuidado
escuchando música alta porque las consecuencias son irreversibles. Los
experimentos militares de la Segunda Guerra Mundial demostraron que con una
intensidad adecuada, el sonido podía derretir el metal y generar el calor
suficiente para que ardieran objetos orgánicos. El sonido de una discoteca no
va a hacer que ardáis, pero a la larga os provocará acúfenos (o tínitus) y
puede que sordera.
Duración
Fácil. En segundos.
Timbre
Si la duración era fácil, el timbre es la más complicada de
las cualidades del sonido. Para entender qué es el timbre, debemos pensar que
la onda seno que hemos usado en los ejemplos anteriores es una idealización que
no existe en la naturaleza. De hecho, los sonidos que escuchamos no están
formados por una onda, sino por la suma de infinidad de ellos. El sonido es un
fenómeno complejo, y así lo explica el teorema
de Fourier. Fourier fue un matemático francés del siglo XVIII-XIX
obsesionado con no hacerse daño. Al parecer recorría su casa envuelto en mantas
y alfombras para evitar golpearse con los muebles. Un día, piso una alfombra
con la que estaba cubierto, resbaló por las escaleras y murió de un traumatismo
cráneo-encefálico.
El teorema de Fourier
nos dice que cualquier onda periódica se puede descomponer en la suma de un
número de ondas seno. Así, cuando escuchamos un do grave del piano, en realidad
estamos procesando decenas de ondas seno cuya relación de frecuencia es
aritmética. Vamos a explicar esto. Mirad el gráfico.
Este es el fenómeno
físico armónico. Está representada la onda fundamental del do grave del piano como F, y los parciales como un múltiplo en números
naturales de esa frecuencia. ¿Recordáis que al doblar la frecuencia subíamos
una octava? Pues precisamente es fácil calcular las frecuencias de los
parciales gracias a ello: el parcial 2 será Fx2, es decir, do a la octava, el
parcial 4, Fx4, o lo que es lo mismo, Do dos octavas más alto.
Las proporciones que se generan entre estos armónicos fueron
muy importantes para la teoría acústica y musical desde la época de los
Pitagóricos hasta el siglo XX. Fijaos que las relaciones 1:2, 2:3, 3:4, que son
de octava, quinta y cuarta (sólo tenéis que buscar los parciales con esos
números y medir el intervalo), son las consonancias perfectas. Pero eso a
nosotros no nos interesa para este curso.
¿Cómo se produce el timbre entonces? Cada instrumento
produce una intensidad diferente en los parciales de su sonido. Los parciales
con más intensidad se denominan formantes
. De manera que la estructura de formantes es lo que nos permite distinguir
el sonido de un clarinete del de una trompeta o un violín.
Por supuesto hay muchos más elementos que influyen en el
timbre: la envolvente (cómo se comporta la intensidad de manera global en todos
los parciales durante el sonido) y los transitorios de ataque.
Cuando se produce el sonido, los parciales no tienen la
frecuencia adecuada instantáneamente. Hay un momento rápido (algunos
milisegundos, depende del sonido) en el que las ondas suben caóticamente de
cero hasta la frecuencia habitual. Este movimiento se llama transitorios de
ataque y es un ruido inherente al
timbre. De hecho, si eliminamos estos transitorios de ataque de un sonido de
oboe, por ejemplo, nos resultará imposible saber qué instrumento estamos
escuchando. De manera que el ruido es
fundamental para la percepción del timbre.
Psicoacústica
Todo esto está relacionado con los estudios de
psicoacústica, que se encargan en general de darnos una visión más exacta de la
realidad sonora, que no es tan sencilla como la hemos explicado aquí. Por
ejemplo, la altura también está determinada por la estructura de los parciales:
algunos instrumentos no producen la fundamental en algunas notas graves, y aún
así, las escuchamos claramente. Ocurre con la nota más grave del piano (en
realidad produce el sonido a partir del segundo parcial; la cuerda debería ser
el doble de larga para producir realmente la fundamental) y con un registro del
fagot. El mismo problema ocurre cuando escuchamos música de contrabajo en un
altavoz pequeño que por sus dimensiones, no puede reproducir las ondas
fundamentales del espectro armónico. Aún así sabemos qué altura es.
Lo mismo ocurre con la intensidad. ¿Qué intensidad
percibimos? ¿El mayor pico de intensidad? ¿Una media? ¿El mayor pico de
intensidad del ruido de ataque o el mayor sólo de las frecuencias establecidas?
