El sonido

El sonido

El sonido es la oscilación, normalmente del aire, provocada por el movimiento o la vibración de algún objeto. Esta vibración de las partículas del aire se mide fundamentalmente mediante dos conceptos: su frecuencia, y su amplitud.

¿Cómo se forma el sonido?

Cuando cualquier objeto vibra, las moléculas de aire que lo rodean comienzan a vibrar en todas las direcciones creando una serie de ondas sonoras. Estas ondas de sonido, a continuación, crean vibraciones en el tímpano, que el cerebro percibe como sonidos.

El movimiento de las ondas sonoras es análogo a la forma en que las ondas se propagan cuando arrojamos una piedra a un estanque de agua. En el momento en que la piedra golpea el agua, la reacción es inmediatamente visible como una serie de pequeñas ondas propagándose hacia afuera en todas direcciones.

Por ejemplo, cuando se golpea un diapasón, las horquillas primero se mueven uniéndose, comprimiendo las moléculas de aire, antes de moverse en la dirección opuesta separándose. Es este movimiento de “compresión” y “rarefacción” el que comprime las moléculas de aire y crea las oscilaciones en el aire.

Frecuencia del sonido

El número de rarefacciones y compresiones, o “ciclos”, que se completan cada segundo se conoce como la frecuencia y se mide en hercios (Hz). Cualquier objeto vibrante que completa, por ejemplo, 300 ciclos/segundo tiene una frecuencia de 300 Hz, mientras que un objeto que completa 3000 ciclos/segundo decimos que tiene una frecuencia de 3 kHz.

Sonido - bajas y altas frecuencias
Sonido – bajas y altas frecuencias

La frecuencia de vibración de un objeto determina su tono percibido, con frecuencias más rápidas se producen sonidos en un tono más alto que con frecuencias más lentas. Esto nos lleva a otra consideración interesante que se relaciona con las capacidades que posee el oído humano a la hora captar frecuencias, es cuestión aceptada que tales frecuencias deben estar comprendidas entre el rango de 20 y 20.000 Hz. Por debajo de este rango tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos. A esto se le denomina rango de frecuencia audible. Cuanta más edad se tiene, este rango va reduciéndose tanto en graves como en agudos.

Esta medida del rango humano de audición tiene su reflejo en las tasas de muestreo digital y sus correspondientes formatos para el sonido. Es aceptado comúnmente que un formato de sonido de 16 bits y 44100 Hertzios, es el mínimo para que la grabación musical presente todas las frecuencias que el oído humano es capaz de percibir (ello debido al teorema de Nyquist que, resumiendo, nos dice que debemos muestrear un sonido al doble de la frecuencia más alta que queramos captar, 44100 Hz es el doble de los 20.000 Hz que se tienen por frecuencias máximas audibles para un ser humano).

Fase del sonido

Otro concepto muy útil de conocer y manejar, y que es clave a la hora de diseñar nuestros propios sonidos, es la fase de un sonido. Cualquier objeto que vibra repetidamente debe pasar a través de la misma posición cuando se mueve hacia atrás y adelante a través de su ciclo. Cualquier punto en particular durante este movimiento se conoce como la “fase” del ciclo y se mide en grados, de forma similar a la medición de un círculo geométrico. Cada ciclo comienza en la posición cero (1), pasa de nuevo por esta posición (2), conocida como “cruce por cero”, y regresa al mismo punto (3), completando así su ciclo.

Fase del sonido
Fase del sonido

De modo que cuando mezclamos dos ondas sonoras, por ejemplo en un sintetizador, las diferencias entre las fases de sus ciclos dan lugar a diversas situaciones, a veces indeseables como cuando dos ondas tienen la misma frecuencia y tienen una diferencia de fase de 180º, en este caso particular una forma de onda alcanzará su pico justo en el instante en que la segunda se encuentre en su nivel mínimo, anulándose mutuamente. A este efecto se le conoce como “cancelación de fase“.

Cancelación de fase de un sonido
Cancelación de fase de un sonido

Sin embargo, las formas de onda que no tienen una diferencia de 180° en su “fase uno”, producen una interferencia entre ambas que puede utilizarse para crear formas de onda más complejas que la onda sinusoidal simple.

De hecho, cada forma de onda se compone de una serie de ondas sinusoidales, cada una ligeramente fuera de fase con la otra. Cuanto más compleja es la forma de onda así formada, más complejo es el sonido resultante. Esto se debe a que cuanto mayor es el número de ondas que se combinan, mayor es el número de armónicos que se introducen al sonido. Pero esto será tema para un próximo artículo 😉

La onda sinusoidal

La onda sinusoidal viene a intentar poner orden en el aparente caos de la naturaleza. Sí, lo has leido bien.

Todos los sonidos naturales tienen una composición increíblemente compleja de frecuencias. Fue el científico francés Joseph Fourier, quien introdujo la idea de que cualquier sonido, por complejo que pudiera ser, podía dividirse en sus componentes de frecuencia y, con un conjunto dado de armónicos, era posible reproducirlo de una forma simple.

La herramienta para llevar a cabo esta descomposición y simplificación es la onda sinusoidal.

El sonido

Una onda sinusoidal simple produce un solo tono, conocido como la frecuencia fundamental, que de hecho determina el tono de la nota.

Cuando otras ondas sinusoidales, que están fuera de la fase de la original, se introducen, si son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental, se les conoce como armónicos y provocan que el sonido parezca más complejo. Si, por el contrario, no son múltiplos enteros de la fundamental, se denominan “parciales”, las cuales también contribuyen a la complejidad del sonido.

Añadiendo y jugando con la relación de estos armónicos y parciales, se pueden crear un número infinito de sonidos.

Onda sinusoidal
Seno – Onda sinusoidal

Es la frecuencia de una onda sinusoidal la que determina su tono.

Por ejemplo, la nota “La” viene determinada por una frecuencia fundamental de 440 Hz, lo que quiere decir cuando tocamos la nota La en cualquier instrumento, siempre habrá una sinusoidal fundamental “vibrando” a 440 Hz.

Usando las palabras de Fourier:

“Cada onda periódica puede entenderse como la suma de ondas sinusoidales con determinadas longitudes y amplitudes, longitudes de onda que mantienen relaciones armónicas”.

Joseph Fourier

Teorema de Fourier

Esto se basa en el principio de que el contenido de cualquier sonido está determinado por la relación entre el nivel de la frecuencia fundamental y sus armónicos, y su evolución en un período de tiempo. De esta teoría, conocida como el teorema de Fourier, se derivan las formas de onda que son comunes a la mayoría de los sintetizadores.

Las frecuencias que son un múltiplo entero de la frecuencia más baja (es decir, la fundamental) estarán en armonía unas con otras, un fenómeno que fue demostrado por Pitágoras, del que se derivan las siguientes tres reglas:

  • Si la frecuencia de una nota se multiplica o se divide por dos, se forma la misma nota, pero en una octava diferente.
  • Si la frecuencia de una nota se multiplica o divide por tres, se crea la más fuerte relación armónica. Esta es la base de la escala musical occidental. Si nos fijamos en la primera regla, la relación 2:3 se conoce como una quinta perfecta y se utiliza como la base de la escala.
  • Si la frecuencia de una nota se multiplica o divide por cinco, también se crea una relación armónica fuerte. Una vez más, si nos fijamos en la regla primera, la relación 5:4 da la misma relación armónica, aunque este intervalo se conoce como la tercera mayor.
Formación de una onda cuadrada
Formación onda cuadrada

Y aquí termina este artículo.

Con estos principios ya estamos armados para enfrentarnos a las formas de onda que nos encontramos en nuestros sintetizadores y poder sacarle el máximo partido sonoro a las diferentes técnicas de síntesis. Pero todo ello en un próximo artículo.

Esperamos haberos ayudado a introduciros más a fondo en el apasionante mundo del sonido, algo que a nosotros nos alucina.

¡Saludos amigos!

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