Cómo los instrumentos musicales producen sonido y dan forma a su tono

La vibración es donde comienza todo sonido

Según el grupo de Acústica Musical de la Universidad de Nueva Gales del Sur, dirigido por el físico Joe Wolfe, la mayoría de los instrumentos dependen de la resonancia —la capacidad de un sistema físico para almacenar energía en la vibración a una frecuencia particular. Una cuerda pulsada, una lengüeta zumbando en una corriente de aire, o la piel de un tambor golpeada por una baqueta, todas comienzan como un objeto vibrante que empuja moléculas de aire hacia adelante y hacia atrás, creando las ondas de presión que viajan al oído de un oyente como sonido.

Las ondas estacionarias fijan el tono

Dentro de una cuerda o el tubo de un instrumento de viento, explica el grupo UNSW, las ondas que viajan en direcciones opuestas se encuentran y se combinan en un patrón de onda estacionaria, con puntos fijos llamados nodos que apenas se mueven y otros puntos llamados antinodos que oscilan ampliamente. Debido a que una cuerda o columna de aire solo puede vibrar de esta manera a ciertas frecuencias fijas —determinadas por su longitud, tensión o forma— el instrumento se establece en tonos específicos y repetibles en lugar de ruido aleatorio.

Los armónicos dan a cada instrumento su color

Una cuerda vibrante o columna de aire rara vez produce solo una frecuencia. Los materiales de Acústica Musical de UNSW señalan que genera una frecuencia fundamental más una serie de armónicos —múltiplos de números enteros de esa fundamental. Como ejemplo, el sitio señala que en la cuerda do de una viola, los armónicos 7º y 11º caen aproximadamente a mitad de camino entre las notas de la escala de temperamento igual estándar, ilustrando que las series armónicas reales no coinciden perfectamente con la escala musical que los músicos realmente usan.

La mezcla específica de estos armónicos —cuáles son fuertes, cuáles son débiles— es lo que los acústicos llaman timbre, o color de tono. Como describen los materiales de Acústica Musical de UNSW, esta mezcla de intensidades de armónicos es una parte importante de lo que hace que una flauta y un oboe tocando la misma nota escrita suenen claramente diferentes al oído, aunque el timbre también depende de cómo cambia el sonido con el tiempo, como se discute a continuación.

Qué realmente inicia la vibración

La vibración constante y musical no comienza por sí sola —necesita lo que los investigadores de acústica llaman un mecanismo de conducción no lineal. En una charla resumida por la Sociedad Acústica de Estados Unidos, el físico Thomas Rossing describió cómo la fricción del arco en la cuerda de un violín, el flujo de aire a través de la lengüeta de un clarinete, y los labios zumbadores de un trompetista todos convierten una entrada constante —movimiento del arco o respiración— en la oscilación hacia adelante y hacia atrás que produce sonido, en lugar de simplemente aumentarlo en línea recta.

La Sociedad Acústica de Estados Unidos también acredita la observación antigua, atribuida a Pitágoras, de que las notas suenan agradables juntas cuando sus longitudes de cuerda —y por lo tanto sus frecuencias— se alinean en proporciones de números enteros. Las cuerdas y tubos reales se desvían ligeramente de este ideal, pero el mismo mecanismo no lineal que inicia la vibración también tiende a tirar de las frecuencias naturales ligeramente desajustadas de un instrumento a un sonido casi exactamente armónico.

Por qué una campana no suena como un violín

No todo instrumento produce armónicos perfectamente armónicos. La Sociedad Acústica de Estados Unidos señala que las campanas se comportan de una manera casi lineal debido al espesor del metal del que están hechas, por lo que sus armónicos no son múltiplos simples de números enteros de la fundamental —que es exactamente lo que le da a una campana su característica calidad de 'clangor' en lugar de un tono musical limpio. Los platillos, según el mismo relato, vibran de manera caótica debido a una fuerte no linealidad, produciendo su zumbido brillante y parecido al ruido, mientras que los gongs grandes se basan en la multiplicación de frecuencia no lineal para generar su sonido denso y complejo.

Cómo el rango de tonos difiere entre familias de instrumentos

El diseño del instrumento también fija el rango de tonos fundamentales que un instrumento puede alcanzar, y qué tan lejos se extienden sus armónicos hacia arriba. Los datos de referencia compilados por el fabricante de micrófonos DPA Microphones para ingenieros de grabación enumeran los siguientes rangos de tono fundamental y el límite aproximado del contenido armónico de varios instrumentos comunes.

La tabla muestra por qué un piano y un violín pueden ocupar rangos de tono superpuestos pero aun así sonar distintos: más allá de la nota escrita, cada instrumento añade su propia extensión característica de energía armónica de mayor frecuencia encima.

Los cuerpos resonantes hacen que el sonido sea lo suficientemente fuerte para escuchar

Una cuerda vibrante o lengüeta por sí sola mueve muy poco aire y sería apenas audible por sí misma. Los materiales de Acústica Musical de UNSW explican que el cuerpo de un instrumento —la placa posterior de un violín, la tapa de sonoridad de una guitarra, o la columna de aire dentro del tubo de un instrumento de viento— tiene sus propias frecuencias resonantes que amplifican y moldean la vibración, irradiándola a la sala como sonido audible. La misma fuente señala que en la voz humana, las cuerdas vocales vibran para producir el tono bruto, mientras que las resonancias del tracto vocal, llamadas formantes, refuerzan selectivamente ciertas bandas de frecuencia para moldear sonidos vocálicos y el timbre vocal.

El timbre no es solo una lista de frecuencias

El grupo de Acústica Musical de UNSW añade que el timbre depende mucho de cómo cambia una nota con el tiempo, no solo de su espectro de frecuencias en un instante único. La envolvente de un sonido —qué tan rápido alcanza el volumen completo después de que se pulsa la cuerda o se presiona la tecla, cómo se sostiene y cómo se desvanece— es parte de lo que permite a un oyente reconocer un instrumento, incluso cuando el contenido de frecuencia aislada solo podría verse similar en papel.