Acústica musical

acústica musical o acústica musical es un campo multidisciplinar que combina conocimientos de la física, psicofísica, organología (clasificación de los instrumentos), fisiología, solfeo, etnomusicología, señal. procesamiento y construcción de instrumentos, 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 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 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 la física. Comportamiento de los instrumentos musicales.

Métodos y campos de estudio

• La física de los instrumentos musicales
• Frecuencia gama de música
• Análisis de Fourier
• Análisis informático de la estructura musical
• Síntesis de sonidos musicales
• Cognición musical, basada en la física (también conocida como psicoacústica)

Aspectos físicos

Cada vez que 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 repetida que no sea una onda sinusoidal puede modelarse mediante muchas ondas sinusoidales diferentes de las frecuencias y amplitudes apropiadas (un espectro de frecuencias). En los seres humanos, el aparato auditivo (compuesto por los oídos y el cerebro) normalmente puede aislar estos tonos y oírlos claramente. 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 los decodifican en tonos distintos.

Cuando las fuentes de sonido originales son perfectamente periódicas, la nota consta de varias ondas sinusoidales relacionadas (que matemáticamente se suman entre sí) llamadas fundamentales y armónicos, parciales o sobretonos. Los sonidos tienen espectros de frecuencia armónica. La frecuencia más baja presente es la fundamental y es la frecuencia a la que vibra toda la onda. Los armónicos vibran más rápido que la fundamental, pero deben vibrar en 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 armónicos son ligeramente imperfectas, por lo que la forma de la onda cambia ligeramente con el tiempo.

Aspectos subjetivos

Las variaciones en la presión del aire contra el tímpano, y el posterior procesamiento e interpretación físico y neurológico, dan lugar a la experiencia subjetiva llamada sonido. La mayoría de los sonidos que la gente reconoce como musicales están dominados por vibraciones periódicas o regulares en lugar de vibraciones 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 forma de onda sonora, hace que la presión del aire aumente y disminuya de manera regular y se escucha como un tono muy puro. Los tonos puros se pueden producir 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 principal determinante del tono percibido. La frecuencia de los instrumentos musicales puede cambiar con la altitud debido a los cambios en la presión del aire.

Rangos de tono de instrumentos musicales

*Este gráfico solo se muestra hasta C₀, aunque algunos órganos de tubos, como el órgano del Boardwalk Hall Auditorium, se extienden hasta C₋₁ (una octava por debajo de C₀). Además, la frecuencia fundamental de la tuba subcontrabajo es B♭₋₁.

Armónicos, parciales y armónicos

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 los fundamentales y los armónicos, se denominan parciales. Juntos forman la serie armónica.

Las matices que son múltiplos enteros perfectos de lo fundamental se llaman armónicos. Cuando una sobretonía está cerca de ser armónica, pero no exacta, a veces se llama un parcial armónico, aunque a menudo se llaman simplemente como armónicos. A veces se crean matices que no están cerca de un armónico, y se llaman parciales o matices inharmónicos.

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 armónicos están numerados tal como aparecen arriba del fundamental. En sentido estricto, el primer sobretono es el segundo parcial (y normalmente el segundo armónico). Como esto puede generar confusión, generalmente solo se hace referencia a los armónicos por sus números, y los armónicos y parciales se describen por sus relaciones con esos armónicos.

Armónicos y no linealidades

Cuando una onda periódica se compone de armónicos fundamentales y sólo impares (f, 3f, 5f, 7f,...), la onda sumada es simétrica de media onda; se puede invertir y desfasar y ser exactamente igual. Si la onda tiene algún armónico par (0f, 2f, 4f, 6f,...), es asimétrica; la mitad superior no es una imagen especular de la inferior.

Por el contrario, un sistema que cambia la forma de la onda (más allá del simple escalado o cambio) crea armónicos adicionales (distorsión armónica). Esto se llama sistema no lineal. Si afecta a la onda simétricamente, los armónicos producidos son todos impares. Si actúa asimétricamente sobre los armónicos, se produce al menos un armónico par (y probablemente también armónicos impares).

Armonía

Si se tocan dos notas simultáneamente, con proporciones 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 proporción de 3/2, por encima de 200 Hz) se suman para formar una onda que se repite a 100 Hz: cada 1/100 de segundo. , la onda de 300 Hz se repite tres veces y la onda de 200 Hz se repite dos veces. Tenga en cuenta que la onda total se repite a 100 Hz, pero no existe un componente sinusoidal real de 100 Hz.

Además, las dos notas tienen muchos de los mismos parciales. Por ejemplo, una nota con una frecuencia fundamental de 200 Hz tiene armónicos en::(200,) 400, 600, 800, 1000, 1200,...

Una nota con frecuencia fundamental de 300 Hz tiene armónicos en::(300,) 600, 900, 1200, 1500,... Las dos notas comparten armónicos a 600 y 1200 Hz, y más coinciden más arriba en la serie.

La combinación de ondas compuestas con frecuencias fundamentales cortas y parciales compartidas o muy relacionadas es lo que provoca la sensación de armonía. Cuando dos frecuencias están cerca de una fracción simple, pero no exacta, la onda compuesta circula lo suficientemente lentamente como para escuchar la cancelación de las ondas como un pulso constante en lugar de un tono. A esto se le llama golpear y se considera desagradable o disonante.

La frecuencia de los latidos se calcula como la diferencia entre las frecuencias de las dos notas. Para el ejemplo anterior, |200 Hz - 300 Hz| = 100 Hz. Como otro ejemplo, una combinación de 3425 Hz y 3426 Hz latiría una vez por segundo (|3425 Hz - 3426 Hz| = 1 Hz). Esto se desprende de la teoría de la modulación.

La diferencia entre consonancia y disonancia no está claramente definida, pero cuanto mayor es la frecuencia del latido, más probable es que el intervalo sea disonante. Helmholtz propuso que la máxima disonancia surgiría entre dos tonos puros cuando la frecuencia del latido fuera de aproximadamente 35 Hz. [1]

Escalas

El material de una composición musical generalmente se toma de una colección de tonos conocida como escala. Debido a que la mayoría de las personas no pueden determinar adecuadamente las frecuencias absolutas, la identidad de una escala radica en las proporciones de frecuencias entre sus tonos (conocidas como intervalos).

La escala diatónica aparece escrita a lo largo de la historia, compuesta por siete tonos en cada octava. En una 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 quinta y tercera están presentes de forma natural en la serie de armónicos 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 justo mayor y la frecuencia fija de la primera nota de la escala.

Hay otras escalas disponibles solo mediante entonación, por ejemplo la escala menor. Las escalas que no se adhieren solo a la entonación y, en cambio, ajustan sus intervalos 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.