Parámetros del sonido

Cuando escuchamos dos sonidos, podemos compararlos entre sí y reconocer diferencias. Los elementos que nos permiten diferenciar dos sonidos son denominados parámetros o cualidades del sonido, son aquellas características fundamentales que definen y determinan un sonido.

Altura

Es la cualidad que define si un sonido es grave o agudo respecto a otro.  Grave y agudo son conceptos siempre relativos, un mismo sonido puede ser grave o agudo según con qué otro sonido se lo compare.

La altura es la propiedad más característica de los sonidos, tanto simples (sinusoidales) como complejos. Los sistemas de alturas se encuentran entre los más elaborados e intrincados jamás desarrollados tanto en la cultura occidental como no occidental. La altura tiene relación con la frecuencia de un sonido simple y con la frecuencia fundamental de un sonido complejo. La frecuencia de un sonido es una propiedad cuya producción puede a menudo controlarse, y se mantiene durante su propagación hacia los oídos del oyente. La frecuencia (cantidad de oscilaciones por segundos) se mide en Hertz. A mayor frecuencia más agudo es el sonido.

La altura puede describirse como un atributo unidimensional, es decir que todos los sonidos pueden ser ordenados a lo largo de una sola escala con respecto a la altura. Los extremos de esta escala son grave (sonidos con frecuencia baja) y agudo (sonidos con frecuencia alta). A veces, puede dificultarse la tarea de comparar la altura de dos sonidos distintos por factores tales como la diferencia tímbrica entre ellos o el componente de ruido en cada uno. Hay varias escalas subjetivas de altura:

-          La escala mel. Un sonido simple de 1000 Hz tiene una altura definida de 1000 mels. La altura en mels de otros sonidos con otra frecuencia debe ser determinada por experimentos de escalado comparativo. Un sonido con una altura que dobla subjetivamente a la de 1000 Hz, es de 2000 mels; “altura media” son 500 mels, etc. Ya que el significado subjetivo de “altura el doble de aguda” o “altura el doble de grave” es invariablemente ambiguo, la escala mel es poco confiable. No es frecuentemente utilizada.

-          La escala de altura musical (Do 1, Do 4, etc.). Estas indicaciones son utilizables tan solo en situaciones musicales.

-          La escala de frecuencia física en Hz. En literatura psicoacústica la altura de un sonido es a menudo indicado por su frecuencia o, en el caso de sonidos complejos, por su frecuencia fundamental. Dado el tipo de correspondencia entre frecuencia y altura, la frecuencia es una indicación aproximada de nuestra percepción de altura. Debe notarse, sin embargo, que nuestra percepción opera más o menos de acuerdo a una escala de frecuencia logarítmica.

La altura en su sentido musical tiene un rango de alrededor de 20 a 5000 Hz, más o menos el rango de las fundamentales de las cuerdas de un piano o los tubos de un órgano. Sonidos con frecuencias más altas son audibles pero sin una sensación definida de altura.

El oído humano es capaz de percibir frecuencias de entre 20 y 20000 Hertz. Las frecuencias inferiores a 20 Hz se denominan infrasonidos y las frecuencias superiores a 20000 Hz son ultrasonidos.

La relación entre frecuencia y altura se descubrió de una forma indirecta. En su libro Diálogos sobre dos nuevas ciencias, publicado en 1636, Galileo explicó claramente la relación entre la altura y la frecuencia de vibración de una cuerda, aunque refiriéndose sólo a los números relativos de vibraciones por segundo correspondientes a diversos intervalos musicales.

En Harmonía universal, también publicado en 1636, el clérigo, filósofo y matemático francés Marin Mersenne relaciona la altura con el número real de vibraciones por segundo. Como Galileo, con cuyo trabajo estaba familiarizado, Mersenne supo cómo varía la frecuencia de vibración en función de la longitud de una cuerda tensada (la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud) en función de la tensión (es proporcional a la raíz cuadrada de la tensión) y en función de la masa por unidad de longitud (es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa por unidad de longitud). Reuniendo estos datos, tenemos:

frecuencia= k x                                   √ tensión

longitud x masa por unidad de longitud

Mersenne halló el factor correcto [k] contando el número de vibraciones por segundo de cuerdas largas, tanto en una cuerda de cáñamo de 27,4 metros y un diámetro de 2,1 mm como en un alambre de bronce de 42,1 metros y un diámetro de 0,5 mm. Estas ideas no fueron tomadas en consideración ni aceptadas de forma inmediata.

Se atribuye a Pitágoras el descubrimiento de la relación numérica entre las longitudes de las cuerdas y los intervalos musicales.

Centrándonos en nuestra escala más usual si tocamos las teclas del piano ascendentemente oiremos como la altura va Subiendo en intervalos iguales. Esa misma sensación de igualdad se obtiene si tocamos sólo las notas “La”; así, entre el La 2 y el La 3 hay la misma “distancia” que entre el La 3 y el La 4. A estas “distancias” se les llama intervalos y se miden mediante una fracción o cociente entre las dos frecuencias involucradas.

El intervalo del octava corresponde a una relación de 2/1, es decir a frecuencia doble corresponde ascenso de octava. Si el La2 tiene una frecuencia del 220 Hz, el La3 será de 440 Hz, y el La4, 880 Hz.. Esto ilustra nuestra percepción logarítmica de altura; mientras la sensación (el intervalo) crece como suma de un número constante, el estímulo (la frecuencia) ha de hacerlo como multiplicación.

En el oído, cada frecuencia excita una zona distinta de la membrana basilar, incluso los intervalos musicales se corresponden con intervalos en milímetros a lo largo del caracol. De todos modos, nuestra percepción de altura no es exactamente logarítmica. En frecuencias muy agudas, por ejemplo, el intervalo de octava es ligeramente superior a 2, cosa que se aprecia fácilmente en los sintetizadores que no han introducido la correspondiente corrección y quedan calantes en el registro agudo. El mínimo intervalo que podemos percibir varía según el registro pero se puede hablar de 1 Cent (1200 cents equivalen a la octava).

Lo antes dicho se aplica a la percepción de altura en sonidos senoidales. En el caso de los sonidos complejos, el oído se comporta como un analizador de Fourier. Si el sonido es armónico las frecuencias de los parciales son proporcionales a los números enteros cada armónico, según su frecuencia, excita la zona correspondiente de la membrana basilar y envía información al cerebro. Este se encarga de realizar la fusión de los armónicos, percibiéndose un sólo sonido con la frecuencia fundamental, incluso oímos ésta, aunque no esté presente en el espectro (lo que se conoce como altura residual). Este análisis armónico se combina también con la percepción de periodicidad de la forma de onda. En el caso de los sonidos inarmónicos la percepción de altura es mucho más compleja y misteriosa; al oído le llegan una serie de frecuencias de las que no es capaz de extraer la fundamental y tampoco hay periodicidad; no obstante, hay sonidos inarmónicos como los de la marimba, xilófono, etc. donde sí se oye una altura definida, que suele corresponder al parcial de más amplitud o al más grave; en fin, queda mucho por investigar todavía en éste terreno.

Intensidad

Es la cualidad que define si un sonido es fuerte o suave respecto a otro; al igual que la altura es un concepto relativo, se puede decir que un sonido es fuerte o suave siempre que se lo relacione con otro. La unidad de medida de la intensidad es el deciBell (dB).

A la fuerza con la que oscila la fuente sonora se le denomina energía de oscilación. La energía de oscilación de la onda sonora determina la intensidad del sonido (mayor energía de oscilación = más fuerte).

La amplitud es el valor máximo absoluto de la variación de presión, positiva o negativa, de la onda sonora. Está relacionada con nuestra sensación dinámica del sonido y el oído es extremadamente sensible a esta magnitud; así, si la presión atmosférica es 100,000 unidades, el oído puede detectar una variación de presión de 0,00002 unidades que correspondería al sonido más débil o umbral de audición.

Hay varias maneras de medir los niveles de intensidad. La más habitual es la unidad llamada decibell (dB), que es el escalón mínimo de percepción. El decibell es definido como función logarítmica a fin de adecuarse aproximadamente a nuestro comportamiento perceptivo. El oído humano puede percibir intensidades de entre 20 y 120 dB, los sonidos que están por encima de120 dB dañan el oído.

El nivel de audibilidad máxima es menos fácil de establecer: hay una intensidad mínima por debajo de la cual el oído humano no percibe sonido, pero no hay una intensidad máxima por encima de la cual el oído deje de percibir sonido. En ese extremo, las cosas son diferentes. Establecido en el límite inferior de audibilidad el cero convencional de la escala comparativa de decibells, se tendrá un umbral de dolor en un entorno que se sitúa entre 120 y 140 dB, umbral que preanuncia la posibilidad de daños irreparables en el órgano auditivo (que pueden llevar a la sordera total). El susurro de una persona cercana o un murmullo a un metro de distancia estará en torno de los 20 dB. Una conversación normal podrá variar entre los 60 y 70 dB. Una calle con tránsito se situará entre los 80 y 90 dB. Un avión de tipo jet a 15 metros de distancia estará ya en los 120 dB, y un martillo neumático a un metro de distancia sobrepasará este valor en unos 7 u 8 dB.

Duración

Se refiere al lapso de tiempo durante el cual percibimos un sonido. Está determinada fundamentalmente por las características de la fuente sonora. En este sentido tenemos varias posibilidades:

a)    En algunos casos la fuente sonora permite que se le pueda aplicar energía en forma continua luego del estímulo inicial (ej: violín, gaita). Aquí la duración del sonido depende del tiempo durante el cual le apliquemos energía.

b)    En otros casos el sonido se extingue progresivamente (ataque y caída). En estas fuentes sonoras, el sonido puede apagarse rápidamente (por ejemplo un tambor), o puede prolongarse unos cuantos segundos (por ejemplo en la guitarra). En este tipo de fuente sonora también incide en la duración del sonido la fuerza que se le aplica a dicha fuente sonora.

a)

b)

Hay un umbral inferior situado alrededor del 1/15 de segundo, por debajo del cual se hace difícil discernir sonidos sucesivos. El umbral superior es, en principio, indeterminado. En materia de duración, los limites son más sicológicos que físicos.

El papel de lo psicológico en nuestra percepción de los fenómenos acústicos es muy importante. Nuestro sistema perceptivo puede dejar de oír un sonido que no le interesa. 0 bien puede establecer una audición selectiva.

Existe una duración objetiva, que es la duración de los sonidos posible de ser medida físicamente. La unidad usada suele ser el segundo. Pero existe también una duración subjetiva que es la duración que nosotros percibimos en los sonidos. Suele usarse la unidad “dura” y se ha definido a 1 dura como la duración subjetiva de un sonido senoidal de 1 kHz, con 60 dB de SPL y 1 s de duración objetiva. Duplicando y reduciendo a la mitad podemos determinar la relación existente entre las duraciones objetivas y subjetivas.

La siguiente figura muestra la relación entre la duración objetiva y la subjetiva (en escalas logarítmicas). Puede observarse que la relación de proporcionalidad (curva de 45º) se mantiene para sonidos de duración más larga, pero que a partir de los 100 ms de duración objetiva, la duración subjetiva aumenta un poco con respecto a la objetiva.

Timbre

En general se puede decir que el timbre permite diferenciar dos sonidos de igual altura, intensidad y duración pero de procedencia diversa. Depende del grado de complejidad del movimiento oscilatorio que lo origina, que se refleja en la forma de la onda. El timbre nos permite diferenciar las fuentes sonoras de donde proviene un sonido.

Se puede hablar de timbre en tres niveles:

-general: cuando distingue elementos de distintas clases. Ej: diferencia una guitarra de una flauta

-parcial: cuando distingue elementos de una misma clase. Ej: diferencia tipos de guitarras

-particular: cuando distingue las posibilidades de un único elemento dentro de una clase dada. Ej: diferencia los distintos modos de tocar una guitarra: pulsando las cuerdas, con o sin púa, golpeando la caja, etc.

Los principales factores que influyen en la determinación del timbre son:

-la envolvente espectral, es decir, la intensidad relativa de los parciales;

-la envolvente dinámica, en particular la conjunción de las envolventes dinámicas de cada uno de los parciales; También se le llama envolvente temporal (no confundirla con la espectral) es la línea imaginaria que une los puntos de amplitud máxima de la onda en el tiempo. En el sonido de una trompeta, por ejemplo, se pueden apreciar tres fases: el ataque, que es cuando el sonido crece, el estado estable, donde la amplitud se mantiene y la caída, cuando el sonido se apaga. Cada instrumento tiene su propio tipo de envolvente, lo cual ayuda a identificar su timbre; por ejemplo, la envolvente de la marimba y muchos instrumentos de percusión tiene un ataque muy rápido seguido de la caída sin estado estable; en el piano el ataque es más lento que en los instrumentos de percusión y también se extingue rápidamente; en las cuerdas y vientos el ataque es más lento y hay un estado estable.

-los transitorios, que son parciales de muy corta duración que se generan en el ataque, pero también en la caída de un sonido. Ello hace que todos los sonidos tengan siempre una componente de ruido.

El timbre es un fenómeno dinámico, quiere decir que varía en el tiempo. Esto se debe a la evolución de las envolventes dinámicas de cada uno de los parciales que hace que la envolvente espectral (es decir, la intensidad relativa de los parciales) sea distinta en cada momento.

La envolvente tímbrica es la superficie que generan las envolventes dinámicas de todos los parciales que componen ese sonido. Helmoltz descubrió que el timbre está también determinado por la forma de onda y su espectro, es decir, por el número de armónicos presentes y sus intensidades respectivas. Por ejemplo, el violín suena más brillante que la flauta porque sus armónicos agudos tienen más intensidad; el clarinete suena hueco porque sus armónicos pares son débiles, etc. Especialmente importantes son los formantes, que son picos o zonas más prominentes del espectro; la voz, por ejemplo, tiene de 3 a 5 formantes, y las distintas vocales corresponden a distintas posiciones de los formantes en el rango de frecuencias.

En cuanto a la percepción del timbre, se lo suele caracterizar con términos visuales: brillante, opaco, etc.

Espacialidad

La espacialidad no se considera un parámetro sonoro en la medida de los anteriores, es percibida en función de varios factores: la intensidad relativa entre el sonido original y la resonancia del mismo sonido en el espacio, nuestra experiencia de la variación tímbrica de ese tipo de sonido con el aumento o disminución de la distancia, la proporción de las intensidades con que llega a cada uno de nuestros oídos, el defasaje de los instantes de incidencia en uno y otro. La percepción espacial se modifica, entre otras cosas, con la altura del sonido, que resulta menos localizable en frecuencias graves, y más nítido en su ubicación en frecuencias agudas. A la espacialidad se agrega el eventual movimiento, es decir, la variabilidad de ubicación de aquello que suena en el espacio. La eclosión de las técnicas electroacústicas de composición en la segunda mitad del siglo XX ha permitido trabajar la posibilidad de desplazamiento espacial de los sonidos en el transcurso del tiempo como una posibilidad real de comportamiento musical de éstos.

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