Como os Instrumentos Musicais Produzem Som e Moldam seu Tom

A vibração é onde todo som começa

De acordo com o grupo de Acústica Musical da Universidade de Nova Gales do Sul, liderado pelo físico Joe Wolfe, a maioria dos instrumentos depende de ressonância — a capacidade de um sistema físico armazenar energia em vibração em uma frequência particular. Uma corda dedilhada, uma palheta zumbindo em um fluxo de ar, ou uma pele de tambor atingida por uma baqueta, todos começam como um objeto vibrante que empurra moléculas de ar para trás e para frente, criando as ondas de pressão que viajam para o ouvido de um ouvinte como som.

Ondas estacionárias definem o tom

Dentro de uma corda ou do tubo de um instrumento de sopro, o grupo UNSW explica, as ondas viajando em direções opostas se encontram e se combinam em um padrão de onda estacionária, com pontos fixos chamados nós que mal se movem e outros pontos chamados antinós que oscilam amplamente. Porque uma corda ou coluna de ar só pode vibrar assim em certas frequências fixas — determinadas por seu comprimento, tensão ou forma — o instrumento se estabelece em tons específicos e repetíveis em vez de ruído aleatório.

Harmônicos dão a cada instrumento sua cor

Uma corda vibrante ou coluna de ar raramente produz apenas uma frequência. Os materiais de Acústica Musical da UNSW observam que gera uma frequência fundamental mais uma série de harmônicos — múltiplos de números inteiros dessa fundamental. Como exemplo, o site aponta que na corda dó de uma viola, os harmônicos 7º e 11º caem aproximadamente no meio do caminho entre as notas da escala de temperamento igual padrão, ilustrando que as séries harmônicas reais não correspondem perfeitamente à escala musical que os músicos realmente usam.

A mistura específica desses harmônicos — quais são altos, quais são fracos — é o que acústicos chamam timbre, ou cor de tom. Conforme os materiais de Acústica Musical da UNSW descrevem, essa mistura de forças de harmônicos é uma parte importante do que faz uma flauta e um oboé tocando a mesma nota escrita soarem claramente diferentes para o ouvido, embora o timbre também dependa de como o som muda ao longo do tempo, conforme discutido abaixo.

O que realmente inicia a vibração

A vibração constante e musical não começa por conta própria — ela precisa do que pesquisadores de acústica chamam de mecanismo de acionamento não linear. Em uma palestra resumida pela Sociedade Acústica da América, o físico Thomas Rossing descreveu como o atrito de um arco em uma corda de violino, o fluxo de ar através de uma palheta de clarineta, e os lábios zumbadores de um trombetista todos convertem uma entrada constante — movimento do arco ou respiração — na oscilação para trás e para frente que produz som, em vez de simplesmente aumentá-la em linha reta.

A Sociedade Acústica da América também credita a observação antiga, atribuída a Pitágoras, de que as notas soam agradáveis juntas quando seus comprimentos de corda — e portanto suas frequências — se alinham em proporções de números inteiros. Cordas e tubos reais se desviam ligeiramente desse ideal, mas o mesmo mecanismo não linear que inicia a vibração também tende a puxar as frequências naturais ligeiramente desajustadas de um instrumento em um som quase exatamente harmônico.

Por que um sino não soa como um violino

Nem todo instrumento produz harmônicos perfeitamente harmônicos. A Sociedade Acústica da América observa que os sinos se comportam de uma forma quase linear por causa da espessura do metal do qual são fundidos, então seus harmônicos não são múltiplos simples de números inteiros da fundamental — o que é exatamente o que dá a um sino sua qualidade característica de 'clangor' em vez de um tom musical limpo. Pratos, pela mesma conta, vibram caoticamente por causa da forte não linearidade, produzindo seu zumbido brilhante e tipo ruído, enquanto gongos grandes contam com multiplicação de frequência não linear para gerar seu som denso e complexo.

Como a faixa de tom difere entre famílias de instrumentos

O design do instrumento também fixa a faixa de tons fundamentais que um instrumento pode alcançar, e quão longe seus harmônicos se estendem para cima. Dados de referência compilados pelo fabricante de microfones DPA Microphones para engenheiros de gravação listam os seguintes intervalos de tom fundamental e o limite aproximado do conteúdo harmônico para vários instrumentos comuns.

A tabela mostra por que um piano e um violino podem ocupar intervalos de tom sobrepostos mas ainda assim soar distintos: além da nota escrita, cada instrumento adiciona sua própria extensão característica de energia harmônica de maior frequência na parte superior.

Corpos ressonantes fazem o som alto o suficiente para ouvir

Uma corda vibrante ou palheta sozinha move muito pouco ar e seria mal audível por conta própria. Os materiais de Acústica Musical da UNSW explicam que o corpo de um instrumento — a placa traseira de um violino, o tampo de um violão, ou a coluna de ar dentro do furo de um instrumento de sopro — tem suas próprias frequências ressonantes que amplificam e moldam a vibração, irradiando-a na sala como som audível. A mesma fonte observa que na voz humana, as cordas vocais vibram para produzir o tom bruto, enquanto as ressonâncias do trato vocal, chamadas formantes, aumentam seletivamente certas bandas de frequência para moldar sons de vogais e timbre vocal.

Timbre não é apenas uma lista de frequências

O grupo de Acústica Musical da UNSW acrescenta que o timbre depende muito de como uma nota muda ao longo do tempo, não apenas de seu espectro de frequências em um único instante. O envelope de um som — quão rapidamente atinge volume total após a corda ser dedilhada ou a tecla ser pressionada, como sustenta, e como desaparece — é parte do que permite a um ouvinte reconhecer um instrumento, mesmo quando o conteúdo de frequência isolada sozinho poderia parecer semelhante no papel.