Características del sonido
7. Forma de onda y modos de vibración
En la imagen del capítulo anterior veíamos las formas de onda de una "a" y una "o" en el ejemplo del canto de Cecilia Todd. Veíamos que además de tener diferencias en el largo del período, por ende en la altura, las formas de onda son distintas.
En la "a" hay más presencia de vibraciones más veloces, mientras que en la "o" estas pequeñas vibraciones no están tan presentes y se aprecia con más claridad la oscilación correspondiente a un período completo.
Ejercicio: Experimente con su propia voz las diferencias de sonido cuando canta una "o" y una "a". Identifique de forma auditiva estos cambios. ¿Qué cambios físicos realiza para cambiar de un sonido vocal a otro?
Demostración de la fonación humana:
Hugo Domínguez, Luthier. (2011, 27 de julio).
Lo que se ve en el video es una demostración de cómo se producen las vocales al filtrar el sonido de un llamado de pato.
Los filtros que utiliza son distintos. Los mismos emulan el filtrado que nuestro cuerpo hace para producir estos sonidos.
Las cuerdas vocales vibran de una manera similar a un llamado de pato.
La posición de la lengua, la forma que le damos a la boca, la tensión en la garganta, la apertura o cierre de los resonadores de la cara (nariz, pómulos, frente, etc...) y de los resonadores de tórax o cuello, varían el resultado sonoro de la voz. Esto es lo imitan los filtros de vidrio del video.
¿Qué quiere decir que hay filtros? ¿Qué filtran?
Veamos las formas de onda de las vocales que produce Hugo.
En la imagen vemos cinco pistas de audio simultáneas, cada una de ellas correspondiente a los sonidos que hizo Hugo en el video. Observando con atención podemos ver que todas las vocales producen señales periódicas. La duración de los períodos, si bien no es estática, es muy similar en cada caso. Podríamos afirmar que la altura es la misma para las cinco vocales. Es decir, que todos los sonidos son igual de graves, o igual de agudos.
Hay otras diferencias como la amplitud, de todos modos la diferencia perceptiva que estamos buscando no es la sonoridad, sino lo que diferencia el sonido de una "a" de una "i" de una "u", etc. Esto no depende de si el sonido es más intenso o menos intenso.
Lo que si es notorio en el oscilograma son las diferencias en la forma de la onda. El patrón vibratorio en cada vocal varía sensiblemente.
¿A qué se deben esas diferencias en la forma de onda?
Si observamos el oscilograma vemos que en la señal de la "a" aparecen unas ondulaciones mucho más veloces que la que marca el período seleccionado de 11 milisegundos. Es decir que además de esa oscilación hay otras que suceden a períodos más cortos. En otras palabras, hay vibraciones más agudas además de la que determina el período seleccionado. ¿Por qué no escuchamos dos o más alturas distintas?
Pensemos que los objetos vibran de muchas formas al mismo tiempo. Recordemos los videos del platillo, o de una cuerda de bajo:
Esto quiere decir que cuando escuchamos el sonido que produce un objeto, identificamos a todas estas vibraciones con la misma fuente sonora. No separamos los modos de vibración como sonidos distintos, sino que nuestra percepción agrupa todas estas vibraciones en una única fuente sonora (platillo, voz, guitarra, etc.)
Conclusión: los sonidos responden a patrones vibratorios más o menos complejos.
En el ejemplo que escucharemos a continuación, se puede apreciar cómo el sonido de la 6ta cuerda de guitarra está compuesto por muchas vibraciones simultáneas.
El ejercicio consiste en escuchar el sonido de la cuerda 6ta como lo conocemos hasta ahora, y luego escuchar como la guitarrista apaga los componentes más graves durante la duración del sonido, quedando solo los componentes más agudos.
Esto evidencia lo anterior de otra forma: los sonidos en la naturaleza son complejos y están compuestos por muchos modos de vibración.
A modo ilustrativo, les dejamos este video que muestra los distintos modos de vibración de una cuerda tensa:
Debemos pensar que todos estos modos de vibración se ponen en actividad cuando se pulsa una cuerda de guitarra, bajo, o se frota con el arco una cuerda de violín. Cada uno de estos modos, genera los componentes del sonido de una cuerda.
Los sonidos periódicos que produce el aire (flauta, canto, etc) también responden a modos de vibración ordenados de formas similares.
Resumen:
- Los sonidos en la naturaleza son generados por muchos modos de vibración de una misma fuente (aire, cuerdas, membranas,etc.).
- Los sonidos periódicos también son producidos por múltiples vibraciones simultáneas.
- La forma de onda es el resultado de la suma de todos estos modos de vibración.
Veamos esto de otro modo; pensemos ahora en frecuencias...
Todo fenómeno periódico sucede a una cierta frecuencia. La frecuencia es la cantidad de veces que dicho fenómeno ocurre frente a una unidad de tiempo. La frecuencia de un ómnibus, por ejemplo, puede ser de 1 cada 5 min, la frecuencia de la luna llena es de 1 cada 30 días aproximadamente, etc...
En señales de audio la frecuencia se expresa en oscilaciones por segundo. Es decir que para una señal de período (T) su frecuencia corresponde a la cantidad de veces que T suceda en 1 segundo. Este valor se expresa en Hertz o "ciclos por segundo". Entonces, la frecuencia es la cantidad de períodos o ciclos por segundo. Expresado matemáticamente sería así: f = 1/T
(f = frecuencia, T = período, 1 = un segundo)
Si el período es de 0,003 segundos, la frecuencia será 1/0,003 = 333,3 Hz
Ahora que sabemos que los sonidos son producto de oscilaciones compuestas, podemos entender que un sonido complejo puede ser descompuesto en una suma de frecuencias. La trasformada de Fourier, se ilustra en la imagen que vemos a continuación. Vemos una señal periódica (rojo) y cómo esta señal se descompone en una suma de oscilaciones simples de distintas frecuencias (azul). También se puede ver la señal representada en el tiempo (rojo) y cómo la misma señal se representa en las frecuencias (azul)
Animación de Lucas V. Barbosa (Wikipedia)
Nota: dejemos de lado las expresiones de coseno y seno que se ven, la imagen es solo ilustrativa de la trasformada.