Nociones básicas sobre los sonidos

Antes de considerar los componentes generadores de sonido que encontrará en un sintetizador, es fundamental que entienda lo que es el sonido en sí mismo.

Técnicamente, el sonido es la conversión de energía física, como por ejemplo, un aplauso, en una perturbación en la presión del aire. Este cambio en la presión del aire se transmite como una serie de vibraciones (una onda de sonido) a través del aire. Las vibraciones del sonido también pueden transmitirse a través de otras materias, como una pared o el suelo.

Si las vibraciones siguen un patrón periódico, se dice que sonido tiene una forma de onda.

Figure. Sine waveform.

La figura anterior muestra un oscilograma (una representación gráfica de una onda sinusoidal), la forma más sencilla y pura de forma de onda.

Si las vibraciones no siguen un patrón discernible, el sonido se denomina ruido.

Figure. Noise waveform.

Una repetición de una onda, cada pico y bajada en el oscilograma, se denomina ciclo. El número de ciclos por segundo determina el tono básico de la onda, normalmente denominado frecuencia. La mayoría de los instrumentos de Logic Pro facilitan un control de Hz (herzio) o de frecuencia que determina el número de ciclos por segundo y por tanto el tono.

Tonos, armónicos superiores, armónicos y parciales

La frecuencia de un sonido se conoce como su tono fundamental.

Las ondas de todos los sonidos, a excepción de una onda sinusoidal básica, se componen del tono fundamental y de muchos otros tonos de distintas frecuencias. Los tonos no fundamentales que son múltiplos enteros del tono fundamental se conocen como armónicos superiores o armónicos. Los tonos no fundamentales que se multiplican por fracciones (no números enteros) se llaman parciales. Un tono dividido por la frecuencia del tono fundamental se califica de subarmónico.

  • Se llama primer armónico al tono fundamental. Generalmente es más alto que el resto de armónicos.

  • Se llama segundo armónico a un tono que se toca al doble de la frecuencia del primer armónico.

  • Se llama cuarto armónico a un tono que se toca a una frecuencia cuatro veces superior a la del primer armónico, y así sucesivamente.

Cada uno de estos armónicos posee una cualidad timbral distinta del tono fundamental. En general, los armónicos que pueden multiplicarse o dividirse por un número entero (como octavas, armónicos pares o impares, etc.) suenan más “musicales”.

Los tonos que no pueden multiplicarse ni dividirse por un número entero se conocen como armónicos superiores inarmónicos o tonos parciales. Cuando se combinan cierto número de estos armónicos superiores inarmónicos, tiende a sonar “ruidoso”.

El espectro de frecuencia

Un tono fundamental que se combine con varios armónicos de distintos niveles se percibe como un sonido. Las relaciones de nivel entre estos elementos sónicos cambian con el tiempo (controladas por envolventes, como se discutirá más tarde en este apéndice). La combinación de un número de armónicos se conoce como el espectro armónico, más comúnmente conocido como el espectro de frecuencia.

El espectro de frecuencia muestra todos los elementos sónicos individuales de un sonido. Se muestra de bajo a alto, de izquierda a derecha. Los respectivos niveles de todos los armónicos se reflejan verticalmente, y los picos más altos indican los niveles más elevados.

Figure. Frequency spectrum of organ sound.

La ilustración muestra las relaciones de nivel y frecuencia entre el tono fundamental y los armónicos en un momento concreto en el tiempo. Estas relaciones cambian constantemente con el paso del tiempo, lo que da lugar a cambios continuados en el espectro de frecuencia y, por tanto, a cambios en el sonido.

Otras propiedades de las ondas

Una onda sonora, tal como mencionamos anteriormente, tiene una frecuencia. Entre otras de las propiedades de las ondas sonoras se incluyen la amplitud, la longitud de onda, el periodo y la fase.

Figure. Waveform properties, showing wavelength and amplitude.
  • Amplitud: la amplitud de una onda indica la cantidad de cambios en la presión del aire. Puede medirse como la distancia vertical máxima desde una presión de aire cero, o un “silencio” (en la ilustración aparece como una línea horizontal a 0 dB). Por decirlo de otra forma, la amplitud es la distancia entre el eje horizontal y el punto más alto del pico de la onda, o el punto más bajo de la depresión de la onda.
  • Longitud de onda: la longitud de onda es la distancia entre los ciclos repetitivos de una onda a una frecuencia dada. Cuanto más elevada sea la frecuencia, más corta será la longitud de onda.
  • Periodo: el periodo (onda) es la cantidad de tiempo que cuesta finalizar una revolución completa de un ciclo de onda. Cuanto más elevada y rápida sea la frecuencia, más corto será el periodo de la onda.
  • Fase: la fase compara el tiempo entre las ondas y se mide en grados, de 0 a 360.

Cuando dos ondas comienzan al mismo tiempo, se dice que están en fase o alineadas en fase. Cuando una onda se encuentra ligeramente retrasada en comparación con otra onda, se dice que las ondas están desfasadas.

Nota: Es difícil discernir una diferencia de fase constante en la totalidad de un periodo de onda, pero si la fase de una de las ondas cambia con el paso del tiempo, se hará audible. Esto es lo que ocurre en efectos de audio comunes, como el flanger y el desplazamiento de fase.

Al tocar dos sonidos por lo demás idénticos pero desfasados, algunos componentes de la frecuencia (los armónicos) pueden cancelarse entre sí, produciendo por tanto un silencio en esas áreas. Esto se conoce como cancelación de fase, y ocurre cuando las mismas frecuencias se cruzan a un mismo nivel.

Figure. Waveform phase diagram, showing phases of 0 degrees and 180 degrees.

Armónicos y teorema de Fourier

Cualquier onda periódica puede entenderse como una suma de ondas sinusoidales con determinadas longitudes de onda y amplitudes, cuyas longitudes de onda tienen relaciones armónicas (relaciones de números pequeños). Esto se conoce como el teorema de Fourier. Trasladado en líneas generales a un ámbito más musical, significa que cualquier tono con una determinada afinación puede entenderse como una mezcla de tonos sinusoidales. El sonido se compone del tono fundamental y sus armónicos (armónicos superiores). Pongamos un ejemplo: la oscilación básica (el tono fundamental o el primer armónico) es una “A” a 220 Hz. El segundo armónico ha duplicado la frecuencia (440 Hz), el tercero oscila tres veces más rápido (660 Hz), los siguientes oscilan cuatro y cinco veces más deprisa, y así sucesivamente.