CUERPO DE PROFESORES DE EDUCACIÓN SECUNDARIA, MÚSICA PEDRO JIMÉNEZ PONCE
TEMA 15: Sonido. Silencio. Ruido. Parámetros del sonido
Introducción (De Pitágoras a Helmholtz) 1. Sonido. Silencio. Ruido 2. Cualidades del sonido 2.1 Altura o tono (audiofrecuencias) 2.2 Intensidad (física y fisiológica) 2.3 Duración 2.4 Timbre (Teorema de Fourier) 2.5 Espectro (ataque-caída-mantenimiento y extinción) Conclusión/BIBLIOGRAFÍA/Afinación
TEMA 15: SONIDO. SILENCIO. PARÁMETROS DEL SONIDO. RUIDO
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1.
INTRODUCCIÓN Pitágoras es el primer estudioso que se preocupa por los movimientos vibratorios de los sonidos, estudiando la relación entre la longitud de una cuerda, su tensión y el sonido resultante. Casi dos milenios después encontramos los estudios de Bacon y Galileo que crean las bases de la Física Acústica, que se desarrollará a lo largo de los siglos XVI y XVII. Gassendi explica la altura de los sonidos y el Padre Mersenne determina la relación entre el número de vibraciones y las notas musicales. Mientras el Padre Kircher explica el fenómeno de reflexión sonora del eco, Saveur los vientres y nodos que aparecen en una vibración e Isaac Newton, la velocidad de propagación del sonido en diferentes medios. Más tarde, serán Helmholtz y Koenig quienes analizarán los sonidos complejos y darán una explicación coherente al fenómeno del timbre.
1. SONIDO, SILENCIO y RUIDO. 1.1 Sonido Definición: Un sonido es un movimiento periódico, -que se repite a lo largo del tiempo de forma isócrona-, oscilatorio y vibratorio que impresiona el sentido del oído humano. El sonido es la sensación que se produce en sentido del oído, cuando determinados movimientos vibratorios inciden sobre el tímpano. Estas vibraciones con una serie de características determinadas ejercen una presión sonora sobre el tímpano que comienza a vibrar por simpatía. Para que pueda ser excitado el tímpano, el sonido debe ser una audiofrecuencia y debe poseer una serie de parámetros determinados. [Ver Tema 1]. Etimológicamente, el término sonido proviene del latín sonus mientras que el término ruido procede de rugitus que significa rugido.
Condiciones necesarias de comunicación para la existencia de un sonido:
(a) El emisor debe producir una vibración con unas características que exciten al tímpano. (b) El sonido se debe transmitir a través de un medio elástico. En el vacío -tal y como demostró el físico alemán Otto Guericke en el s. XVII con su campana neumática-, no se transmite el sonido. (c) Un receptor (oído) que capte ese movimiento ondulatorio y lo comunique a los hemisferios cerebrales, donde generará la sensación. Las personas con hipoacusia, sordera u otras patologías no son capaces de percibir esas vibraciones y por lo tanto, para ellas no habrá sonido.
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Condiciones físicas que se tienen que dar para poder escuchar un sonido: (1) Debe ser una audiofrecuencia comprendida entre 16-20Hz y 20KHz. (2) Debe tener una intensidad física que genere una intensidad fisiológica mínima de 1 dB, en condiciones ideales de silencio. (3) Debe tener una duración mínima de una décima de segundo o de 1/15 s. para que sea percibido como un sonido diferenciado y diferente a otro (umbral diferencial).
Sonido
Ruido
1.2 Silencio El sonido es el parámetro contrario y excluyente al sonido, o hay sonido o hay silencio. Pero estos términos absolutos no existen. Desde que en el feto se desarrolla el sentido del oído, el feto comienza a relacionarse con el medio que lo rodea: un medio acuático en el que se producen atronadores sonidos como son los latidos del corazón de la madre, la respiración, los movimientos peristálticos de los intestinos, la resonancia de la voz en los órganos internos, así como alguno de los sonidos que se producen en el exterior. El ser humano, antes de nacer, tiene activo el sentido de la audición, unas veces de forma consciente y otras de manera inconsciente. Por ejemplo, durante el sueño, estamos siendo continuamente bombardeados por una incesante y continua llegada de sonidos que son procesados por nuestro cerebro aunque estemos durmiendo. En términos reales, se debe hablar de ambientes más o menos ruidosos o sonoros, pero el silencio absoluto, no se da en la naturaleza. En los experimentos realizados, al introducir a personas dentro de cámaras totalmente insonorizadas y aisladas del exterior, los pacientes comienzan a escuchar su respiración, sus latidos, el fluir de la sangre… pero lo peor sin duda, es que nuestro oído al perder su actividad continua, provoca alteraciones en el sáculo, utrículo y canales semicirculares, órganos que forman parte del sistema vestibular o de equilibrio humano, y con ello se produce la sensación de vértigo, con las consecuentes náuseas y vómitos, cefalalgias y desde el punto de vista psicológico, estados de estrés y angustia. De ello se deduce que tan dañino es un entorno de altos decibelios, que perjudican la audición y provoca que el cuerpo se defienda ante la agresión, como un ambiente sonoro sin estimulaciones mínimas auditivas continuas propias de la sonoesfera donde vivimos.
1.3 Ruido a) El ruido como fenómeno físico: El ruido es un sonido complejo formado por una mezcla de diferentes frecuencias que forman una superposición inarmónica. SONIDO DETERMINADO SONIDO INDETERMINADO RUIDO
Vibración regular con sonidos parciales que son armónicos Vibración regular con sonidos parciales que son sobretonos Vibración irregular con superposiciones inarmónicas
Antiguamente, se consideraba ruido a toda vibración que no cumpliese con las Leyes de Fourier, es decir, cualquier sonido que no cumpliese el orden de los sonidos armónicos que establecía este teorema. Pero en la actualidad, a ningún músico se le ocurriría decir que los sonidos que producen las placas (xilófonos) y las membranas (timbales) son ruidos. En realidad, estos percusivos son sonidos armónicos acompañados de sobretonos, (que se producen en el ataque) que lo dotan de su timbre característico. En la música empleamos los tres tipos de sonidos: determinados, con y sin sobretonos, los indeterminados y los ruidos, que son empleados como fuente de inspiración, no sólo en estilos de música contemporánea como en la música concreta, sino también en la música tradicional y en la música popular urbana. Basta con recordar las tamborradas, creadas en origen para espantar a los malos espíritus en múltiples culturas.
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b) El ruido como contaminante acústico: La definición que se da de ruido en contaminación acústica es la de sonido no deseado. Dependiendo del contexto y de la percepción del sujeto, así se considerará sonido o ruido. Una persona que está en una discoteca bailando, o escuchando incluso una mascletà, no se siente psicológicamente molesta, aunque físicamente su cuerpo esté siendo agredido. Las situaciones de silencio relativo no deseado, también se consideran contaminantes al ser una situación molesta. Este fenómeno se da por ejemplo cuando te encuentras en una cafetería con poca afluencia y donde no hay música ni televisión, de tal forma que la conversación que mantienes en privado con otra persona se hace entendible a los demás; también en la sala de espera de una consulta… Según el contexto, los murmullos serán agradables en un bar o desagradables si estamos dando clase. Todo dependerá de si favorece la comunicación o la perjudica.
2. CUALIDADES DEL SONIDO: ALTURA, INTENSIDAD, DURACIÓN, TIMBRE Y ESPECTRO. Para poder analizar, clasificar y diferenciar un sonido de otro utilizamos las cualidades del sonido: CUALIDAD ALTURA INTENSIDAD DURACIÓN TIMBRE
EFECTO Grave-agudo Flojo-fuerte Corta-Larga Distinguimos el instrumento.
SE MIDE Hz Hertzios dB Decibelios s Segundos Nº de armónicos
ONDAS Longitud de onda Amplitud de onda Duración de la onda Dibujo de la onda
2.1 Altura o tono La altura del sonido en una onda depende de su longitud de onda. Se mide en Hertzios (Hz), que son las vibraciones por segundo que produce. Los sonidos musicales están dentro de una gama de audiofrecuencias relativamente pequeña, parte de los 16 Hz que produce el tubo más grande de alguno de los órganos de iglesia, hasta el sonido más agudo del flautín cuyo sonido fundamental es de 4700 Hz, aunque sus armónicos incluye hasta ultrasonidos. En la música, la altura nos indica si es muy grave, grave, intermedio, agudo o muy agudo. Gracias al pentagrama y a las claves, sabemos si un sonido es más agudo o más grave que otro. De acuerdo con la diastematía si ascendemos será más agudo, si descendemos será más grave.
Nombre Do Do# Re Re# Mi Fa Fa# Sol Sol# La Si b Si Do Hz
261 277 294 311 330 349 370 392 415 440 466 494 523
Cuanto más corta y delgada sea la cuerda, la membrana, la placa o el tubo de un instrumento, su altura será mayor, es decir, su sonido será más agudo.
Sonido simple grave (onda sinusoidal)
Sonido simple agudo
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a) Audiofrecuencias: Al conjunto de sonidos que el ser humano en condiciones normales puede captar se le denomina banda de audiofrecuencias. La tabla de audiofrecuencias nos muestra todos los sonidos que es capaz de escuchar el ser humano en condiciones normales. En la columna de la izquierda se representan las medidas de intensidad física expresadas en watios por metros al cuadrado, es decir, la energía que produce en un metro cuadrado el sonido. Mientras que en la columna de la derecha, su correlación en intensidad fisiológica, la energía que capta el oído humano de ese sonido, se mide en decibelios (dB). En la parte inferior, se halla la frecuencia de los sonidos, es decir, las vibraciones por segundo denominadas Hertzios (Hz), medida que nos indica lo grave o lo agudo que es un sonido. Podemos comprobar en la tabla que los sonidos graves para ser escuchados, necesitan más potencia que los agudos, de manera que un sonido de 20Hz y 20 dB no se escucha.
b) Infrasonidos y ultrasonidos Algunos infrasonidos actúan haciendo vibrar los canales semicirculares, que al ser los órganos del equilibrio, estas vibraciones provocan el movimiento de los otolitos, generando así vértigo, mareos y náuseas. Si tienen una intensidad importante, producen además peligrosas fricciones en los órganos del oído y con ello, hemorragias internas. La frecuencia más perjudicial es la de 7 Hz, ya que coincide con la de las ondas Alpha, responsables del reposo del cerebro, por lo que hace imposible el trabajo intelectual a dicha frecuencia. Entre las múltiples aplicaciones de los infrasonidos están sus importantes atribuciones en sismología y el Silbato de Levasseur, utilizado para llamar a los perros, produce un sonido molesto y doloroso para estos animales. Los infrasonidos se utilizaron en la II Guerra contra Irak para incapacitar sensorialmente al enemigo y para causar daños en los equipos electrónicos. Los ultrasonidos, dado el amplio número creciente de aplicaciones, han dado pie a una rama diferenciada de la Física Acústica. Sus innumerables las posibilidades que ofrecen, desde sistemas de detección y alarma, mandos de apertura a distancia de garajes, soldadura y limpieza industrial, microscopios y telescopios ultrasónicos…Pero lo más importante, sin duda, son las numerosas funciones médicas que desempeñan: Ecógrafo: Se utiliza en Radiología para la localización de tumores, en Ginecología para comprobar el estado del feto en tres dimensiones. En realidad funciona como el sónar de un barco o el sistema de caza de un murciélago, emite un sonido y este rebota donde encuentra obstáculos. Destrucción de cálculos hepáticos y renales. Odontología: taladro y limpieza de piezas dentales…
2.2 Intensidad La intensidad sonora es un parámetro que depende de la fuerza con la que se produzca la vibración, es decir, la perturbación en las moléculas. A mayor fuerza, mayor energía empleada y por tanto, mayor intensidad. Esta cualidad o parámetro del sonido viene representada en una onda por su amplitud, mientras que en una partitura viene señalada por las indicaciones de intensidad (pp, p, mp, mf, f, ff) con las que muestran al intérprete la potencia aproximada con la que se debe realizar un pasaje musical. Hay dos tipos de intensidad sonora: La intensidad física es la energía que produce la vibración y se mide en watios/ centímetro cuadrado. Intensidad objetiva. La intensidad fisiológica es aquella que percibe el ser humano, se mide en decibelios (dB).
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a) Características: Nuestros niveles mínimos de audición varían como hemos visto dependiendo de las frecuencias. Así en los graves necesitamos una mayor potencia para poder captar el sonido que en los medios y agudos. Por eso, en los altavoces se emplea mayor energía en el woofer (graves), que en los tweeter (agudos). El umbral de audición, en lo que se refiere a intensidad, se halla en 10 elevado a menos 12 watios/cm2. Este límite corresponde con los 0 dB. El umbral máximo se establece en el umbral de dolor, que se encuentra a partir de 120 dB. El aparato que mide la intensidad fisiológica es el sonómetro. Una propiedad subjetiva de la audición humana es que cuando aumenta la intensidad de los sonidos graves y agudos, nos provoca la sensación de se hacen más graves y más agudos, de lo que en realidad son, mientras que en los sonidos de tesitura media no ocurre este fenómeno. Otra peculiaridad, es que cuando crece en progresión geométrica la intensidad física, aumenta en progresión aritmética la intensidad fisiológica. Por eso, los decibelios representan unidades logarítmicas. Ejemplo: El paso de 10 a 20 dB, no supone el doble de la intensidad física, sino diez veces más (de 10 a 100).
2.3 Duración: Es el tiempo que dura un sonido, desde que este se produce en el ataque, pasando por su caída, mantenimiento y extinción que depende de la reverberación del lugar. Se mide en fracciones de segundo y tiene una relación directa con el espectro sonoro. Cuando la duración es muy corta afecta a la percepción de la altura, ya que necesitamos de una duración mínima para poder analizar su altura.
Fig.1: Registro de un sonido complejo durante 10 milésimas de segundo (osciloscopio digital).
2.4 Timbre Los sonidos que escuchamos y que se producen en la naturaleza, son siempre sonidos complejos. Lo que solemos percibir como un único sonido, en realidad es el resultado de un conjunto de pequeños sonidos con uno fundamental de mayor potencia que es el que destaca y por el que lo reconocemos. Algo similar nos ocurre con la luz, la percibimos como si fuese algo único, pero al pasarla por el prisma, vemos que en realidad es el resultado de todos los colores del espectro.
Cuando en el piano tocamos el primer Do, la cuerda al vibrar produce el sonido principal o fundamental, denominado también primer armónico que presenta una mayor intensidad, pero al mismo tiempo nuestro oído también registra y analiza toda una serie de sonidos que están superpuestos y tienen una menor intensidad que el sonido principal y que se denominan sonidos armónicos. Dependiendo de la calidad con la que se produzca la percusión con el macillo en la cuerda, la forma de vibrar de la caja de resonancia… así obtendremos un sonido con mayor calidad (mayor número de armónicos y pocos sobretonos).
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Sonido fundamental
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Primer armónico
Segundo armónico
Tercer armónico
Si producimos un sonido con la misma frecuencia (altura), misma intensidad (dB) y misma duración (s), pero lo tocamos con instrumentos distintos, el sonido cambiará gracias al timbre. Esto se debe a que el número de armónicos y lo más importante, la intensidad de los armónicos es distinta en cada uno de los instrumentos (ya que se ponen en vibración de forma diferente, los materiales son varían…) El siguiente ejemplo nos sirve para analizar las ondas obtenidas de un mismo sonido LA 3, tocado con instrumentos distintos. Si nos fijamos, vemos que su longitud de onda es la misma (altura), la amplitud es idéntica (intensidad) y la duración (s), pero el dibujo de las ondas cambia. En el diapasón al ser un sonido simple, el dibujo de la onda es sinusoidal. En los demás sonidos al ser complejos, la forma de la onda cambia.
Registro de las ondas de un LA3 tocado por un diapasón, un clarinete y un oboe
Los sonidos complejos están formados por el sonido fundamental y por otros sonidos parciales que pueden ser armónicos si cumplen con el Teorema de Fourier o bien, sonidos discordantes llamados sobretonos. Si coinciden los sonidos parciales con las relaciones interválicas reflejadas en la serie armónica serán sonidos armónicos, si no es así, serán sobretonos.
Análisis de un sonido de 576Hz (RE4 en una escala con el LA3 afinado a 432 Hz) Destacan por su intensidad los siguientes sonidos parciales: 1711, 1143 y 2278 Hz
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Los sonidos simples, es decir, aquellos que sólo tienen sonido fundamental y no tienen sonidos armónicos, se pueden producir solo en laboratorio y en condiciones ideales con un diapasón, siempre que se eliminen los sobretonos que se producen al golpearlo.
Los armónicos presentes son sonidos armónicos que podemos escuchar ya que se encuentran dentro de la banda de audiofrecuencias. ASPECTOS QUE INTERVIENEN EN EL TIMBRE DE UN INSTRUMENTO
Materiales del cuerpo sonoro: madera, metal…
La manera de ponerlo en vibración: pulsar, puntear, percutir…
El punto donde se producen las vibraciones
Agente excitador: arco, uña, plectro…
Resonancia del instrumento
La reverberación de la sala
Los armónicos y sobretonos que produzca
El Teorema de Fourier Prácticamente todos los sonidos son producidos por movimientos vibratorios complejos, por la superposición de distintos movimientos. El teorema del matemático francés Jean Baptiste FOURIER, relaciona los movimientos vibratorios, no importa la complejidad, con movimientos armónicos simples. Teorema: Un movimiento vibratorio cualquiera de periodo T y frecuencia f, es siempre expresable como una suma de movimientos armónicos simples cuyos períodos son T, T/2, T/3, T/4… y frecuencias f, 2f, 3f, 4f… No importa la forma de la curva del sonido complejo, este se podrá descomponer en un número indefinido de sonidos simples (armónicos). A la inversa, ocurre lo mismo. Al sumar distintos sonidos simples, nos da uno compuesto.
2.5 Espectro La forma de atacar el sonido, su caída, mantenimiento (resonancia del instrumento) y extinción (reverberación), son las que conforman la envolvente o espectro sonoro. Cada sonido tiene una duración que comienza cuando se ataca ese sonido y acaba cuando este se extingue. No es lo mismo producir un sonido con una trompeta en una habitación pequeña que en una catedral, lógicamente en la catedral durará más tiempo al ser un recinto más grande y con paredes de piedra, que reflejan más el sonido.
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Imagen obtenida del libro de la Editorial SM, MÚSICA 3º ESO.
CONCLUSIÓN No podríamos entender nuestro mundo tecnológico actual, sin las aportaciones de la Acústica y en especial de la Electroacústica, en el desarrollo de aparatos que permitieron la grabación del sonido, su registro sonoro y su reproducción. En 1873, será Edison quien al crear el fonógrafo y más tarde Graham Bell, al convertir el sonido en una señal eléctrica, darán paso a toda una serie de avances sin los que ya nos sería muy difícil vivir: el telégrafo, la radio, el teléfono, la televisión, el disco de vinilo, el cassete, el compact disc, el mp3…
BIBLIOGRAFÍA: AA. VV. Temas de Lenguaje musical. Vol. I y II, Editorial Piles, 1995. ISBN 84-88548-76-1 CALVO-MANZANO, Antonio. Acústica físico-musical. Editorial Real Musical, 1991. ISBN 84-387-0317-8 AA. VV. Diccionario Harvard de Música. Editorial Alianza, 1997. ISBN 84-206-5254-7
NOTA: Las imágenes del tema están extraídas de la bibliografía citada o son de elaboración propia
AFINACIÓN 432 Hz es la única frecuencia que es capaz de reproducir de forma natural la llamada “Espiral musical pitagórica”. Es la misma secuencia de crecimiento que sigue toda forma de vida. Utiliza la fórmula “Phi” también conocida como la “Regla de Oro”, y se halla, a su vez, en la “Secuencia Fibonnaci”. Los instrumentos con los que Mozart o Verdi compusieron sus obras maestras estaban afinados a 432 HZ. Los Stradivarius originales fueron desarrollados para resonar sobre los 432 Hz. El profesor Dussaut del Conservatorio de París hizo una encuesta sobre 20.000 músicos de Francia y todos ellos votaron unánimemente por una afinación a 432 Hz. Sin embargo, fue ignorado. Durante la década de los años 30 cuando el entonces Ministro de Propaganda Nazi y mano derecha de Adolfo Hitler, Joseph Goebbels, creó un decreto por el cual se instaba a toda Europa a afinar el LA musical a 440 Hertzios, en lugar de a 432 Hz, frecuencia a la que se afinaba toda la música hasta el momento. En 1953 el decreto de Goebbels fue aprobado por parte de la Organización Internacional de Normalización (ISO) y extendido a todo el mundo.
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