La acústica musical o acústica musical es un campo multidisciplinario que combina conocimientos de la física , [1] [2] [3] la psicofísica , [4] la organología [5] (clasificación de los instrumentos), la fisiología , [6] la teoría musical , [7] la etnomusicología , [8] el procesamiento de señales y la construcción de instrumentos, [9] entre otras disciplinas. Como rama de la acústica , se ocupa de investigar y describir la física de la música : cómo se emplean los sonidos para hacer música. Ejemplos de áreas de estudio son la función de los instrumentos musicales , la voz humana (la física del habla y el canto ), el análisis informático de la melodía y el uso clínico de la música en la musicoterapia .
El pionero de la acústica musical fue Hermann von Helmholtz , un erudito alemán del siglo XIX que fue un influyente médico , físico , fisiólogo, músico, matemático y filósofo. Su libro Sobre las sensaciones del tono como base fisiológica para la teoría de la música [7] es un compendio revolucionario de varios estudios y enfoques que proporcionaron una perspectiva completamente nueva a la teoría musical , la interpretación musical, la psicología musical y el comportamiento físico de los instrumentos musicales.
Cuando se tocan dos tonos diferentes al mismo tiempo, sus ondas sonoras interactúan entre sí: los altos y bajos de la presión del aire se refuerzan entre sí para producir una onda sonora diferente. Cualquier onda sonora repetitiva que no sea una onda sinusoidal puede ser modelada por muchas ondas sinusoidales diferentes de las frecuencias y amplitudes apropiadas (un espectro de frecuencia ). En los humanos, el aparato auditivo (compuesto por los oídos y el cerebro ) generalmente puede aislar estos tonos y escucharlos con claridad. Cuando se tocan dos o más tonos a la vez, una variación de la presión del aire en el oído "contiene" los tonos de cada uno, y el oído y/o el cerebro los aíslan y decodifican en tonos distintos.
Cuando las fuentes de sonido originales son perfectamente periódicas, la nota consta de varias ondas sinusoidales relacionadas (que se suman matemáticamente entre sí) llamadas la fundamental y los armónicos , parciales o sobretonos . Los sonidos tienen espectros de frecuencia armónicos . La frecuencia más baja presente es la fundamental, y es la frecuencia a la que vibra toda la onda. Los sobretonos vibran más rápido que la fundamental, pero deben vibrar a múltiplos enteros de la frecuencia fundamental para que la onda total sea exactamente la misma en cada ciclo. Los instrumentos reales son casi periódicos, pero las frecuencias de los sobretonos son ligeramente imperfectas, por lo que la forma de la onda cambia ligeramente con el tiempo. [ cita requerida ]
Las variaciones en la presión del aire contra el tímpano , y el posterior procesamiento e interpretación física y neurológica, dan lugar a la experiencia subjetiva llamada sonido . La mayoría de los sonidos que las personas reconocen como musicales están dominados por vibraciones periódicas o regulares en lugar de no periódicas; es decir, los sonidos musicales suelen tener un tono definido . La transmisión de estas variaciones a través del aire se realiza mediante una onda sonora . En un caso muy simple, el sonido de una onda sinusoidal , que se considera el modelo más básico de una forma de onda de sonido, hace que la presión del aire aumente y disminuya de manera regular, y se escucha como un tono muy puro. Los tonos puros pueden producirse mediante diapasones o silbidos . La velocidad a la que oscila la presión del aire es la frecuencia del tono, que se mide en oscilaciones por segundo, llamadas hercios . La frecuencia es el determinante principal del tono percibido . La frecuencia de los instrumentos musicales puede cambiar con la altitud debido a los cambios en la presión del aire.
* Este gráfico solo muestra hasta C 0 , aunque algunos órganos de tubos, como el Boardwalk Hall Auditorium Organ , se extienden hasta C −1 (una octava por debajo de C 0 ). Además, la frecuencia fundamental de la tuba subcontrabajo es B ♭ −1 .
La fundamental es la frecuencia a la que vibra toda la onda. Los armónicos son otros componentes sinusoidales presentes en frecuencias superiores a la fundamental. Todos los componentes de frecuencia que forman la forma de onda total, incluidos la fundamental y los armónicos, se denominan parciales . Juntos forman la serie armónica .
Los sobretonos que son múltiplos enteros perfectos de la fundamental se denominan armónicos . Cuando un sobretono está cerca de ser armónico, pero no es exacto, a veces se lo denomina parcial armónico, aunque a menudo se los denomina simplemente armónicos. A veces se crean sobretonos que no están ni cerca de ser armónicos y simplemente se los llama parciales o sobretonos inarmónicos.
La frecuencia fundamental se considera el primer armónico y el primer parcial. La numeración de los parciales y armónicos suele ser la misma; el segundo parcial es el segundo armónico, etc. Pero si hay parciales inarmónicos, la numeración ya no coincide. Los sobretonos se numeran tal como aparecen por encima de la fundamental. Por lo tanto, estrictamente hablando, el primer sobretono es el segundo parcial (y, por lo general, el segundo armónico). Como esto puede generar confusión, normalmente solo se hace referencia a los armónicos por sus números, y los sobretonos y parciales se describen por sus relaciones con esos armónicos.
Cuando una onda periódica está compuesta por un armónico fundamental y solo por armónicos impares ( f , 3 f , 5 f , 7 f , ...), la onda sumada es simétrica en forma de media onda ; puede invertirse y desfasarse y ser exactamente la misma. Si la onda tiene algún armónico par ( 2 f , 4 f , 6 f , ...), es asimétrica ; la mitad superior de la forma de onda trazada no refleja la inferior.
Por el contrario, un sistema que cambia la forma de la onda (más allá de un simple escalamiento o desplazamiento) crea armónicos adicionales ( distorsión armónica ). Esto se llama un sistema no lineal . Si afecta a la onda simétricamente, los armónicos producidos son todos impares. Si afecta a los armónicos asimétricamente, se produce al menos un armónico par (y probablemente también armónicos impares).
Si se tocan simultáneamente dos notas, con relaciones de frecuencia que son fracciones simples (por ejemplo , 2 / 1 , 3/ 2 , o 5/ 4 ), la onda compuesta sigue siendo periódica, con un período corto, y la combinación suena consonante . Por ejemplo, una nota que vibra a 200 Hz y una nota que vibra a 300 Hz (una quinta perfecta o 3/ 2 relación,por encima de 200 Hz) se suman para formar una onda que se repite a 100 Hz: Cada 1/ 100 En un segundo, la onda de 300 Hz se repite tres veces y la onda de 200 Hz se repite dos veces. Nótese que la onda combinada se repite a 100 Hz, aunque no hay un componente sinusoidal real de 100 Hz aportado por una fuente de sonido individual.
Además, las dos notas de los instrumentos acústicos tendrán armónicos parciales que incluirán muchos que comparten la misma frecuencia. Por ejemplo, una nota con la frecuencia de su armónico fundamental en 200 Hz puede tener armónicos en: 400, 600, 800, 1 000 , 1 200 , 1 400 , 1 600 , 1 800 , ... Hz . Una nota con una frecuencia fundamental de 300 Hz puede tener armónicos en: 600, 900, 1 200 , 1 500 , 1 800 , ... Hz . Las dos notas comparten armónicos en 600, 1 200 , 1 800 Hz y más que coinciden entre sí, más adelante en cada serie.
Aunque el mecanismo de la audición humana que lo logra aún no se entiende por completo, las observaciones musicales prácticas durante casi 2000 años [ 10 ] La combinación de ondas compuestas con frecuencias fundamentales cortas y parciales compartidos o estrechamente relacionados es lo que causa la sensación de armonía: cuando dos frecuencias están cerca de una fracción simple, pero no son exactas, la onda compuesta cicla lo suficientemente lento como para escuchar la cancelación de las ondas como un pulso constante en lugar de un tono. Esto se llama latido y se considera desagradable o disonante .
La frecuencia de pulsación se calcula como la diferencia entre las frecuencias de dos notas. Cuando dos notas tienen un tono cercano, pulsan lo suficientemente lento como para que un ser humano pueda medir la diferencia de frecuencia de oído, con un cronómetro ; la sincronización de pulsaciones es la forma en que se afinaban pianos, arpas y clavecines para temperamentos complicados antes de que existieran medidores de afinación asequibles .
La diferencia entre consonancia y disonancia no está claramente definida, pero cuanto mayor sea la frecuencia de pulsación, más probable es que el intervalo sea disonante. Helmholtz propuso que la máxima disonancia surgiría entre dos tonos puros cuando la frecuencia de pulsación fuera de aproximadamente 35 Hz. [11]
El material de una composición musical suele tomarse de un conjunto de tonos conocido como escala . Como la mayoría de las personas no pueden determinar adecuadamente las frecuencias absolutas , la identidad de una escala reside en las relaciones de frecuencias entre sus tonos (conocidos como intervalos ).
La escala diatónica aparece escrita a lo largo de la historia y consta de siete tonos en cada octava . En entonación justa, la escala diatónica se puede construir fácilmente utilizando los tres intervalos más simples dentro de la octava, la quinta perfecta (3/2), la cuarta perfecta (4/3) y la tercera mayor (5/4). Como las formas de la quinta y la tercera están presentes de forma natural en la serie de sobretonos de los resonadores armónicos, este es un proceso muy simple.
La siguiente tabla muestra las relaciones entre las frecuencias de todas las notas de la escala mayor justa y la frecuencia fija de la primera nota de la escala.
Existen otras escalas disponibles a través de la entonación justa, por ejemplo, la escala menor . Las escalas que no se adhieren a la entonación justa, y en cambio tienen sus intervalos ajustados para satisfacer otras necesidades se denominan temperamentos , de los cuales el temperamento igual es el más utilizado. Los temperamentos, aunque oscurecen la pureza acústica de los intervalos justos, a menudo tienen propiedades deseables, como un círculo cerrado de quintas .
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