Desafinar para conseguir batidos

AfinacionBatidos03Se algunha vez escoitástedes un acordeón, o seu son amosa uns batimentos (subidas e baixadas de volume nos sonidos que produce), sobre todo en rexistros nos que xogan mais dunha lengüeta.
 
O acordeón é un instrumento musical, de vento, pero que se denomina de lengüeta libre, como a armónica. Consta de varios xogos de lenguetas que, en distintas combinacións, constitúen o xogo de rexistros do acordeón. A cantos mais xogos, mais rexistros ten o acordeón.
 
Pero hai un xogo que nunca soa el solo.

Outra historia de tubos

MarimbaC2G3Esta é outra marimba, a segunda, esta vez vai de C2 a G3 con A4 en 440, o que ven a ser que a lámina mais baixa ten una frecuencia fundamental de 65.4Hz do C2 ata os 196Hz do G3, de Do a Sol, unha octava e media para entendernos. O primeiro que chama a atención son os tubos, logo imos a iso, e arriba 12 láminas nunha soa fila, o que quere decir que non hai alteracións na escala (non hai bemoles, e non vale sacar a cousa de contexto), ven sendo o que os músicos chaman un instrumento diatónico, neste caso en Do Maior.

Por qué non ten duas filas?, Porque sairía demasiado grande e incómoda á hora de tocala, a lámina mais baixa mide mais de 500mm de longo e 100mm de ancho, incluso é un pouco alta, 1.3m. A razón de facer unha marimba con notas tan baixas foi certa fascinación polas notas baixas da anterior, e quixen ir unha octava mais abaixo, para que servise de instrumento de acompañamento... para dar os baixos.

Tubos por doquier

ResonadoresC3C6E para qué tanto tubo?

Pois esta foi a primeira marimba que me deu por construir, despois de experimentar con unhas cantas táboas de madeiras templadas (pino tea), a cousa non foi tan simple como parecía nun principio. Non se trataba de afinar só unha nota, a que lle da nome a cada lámina, senón tamén outras frecuencias que andaban por alí arriba.

Resulta que con unha lámina, ou calquer porción de material prismático (p.ex. un tubo), os modos de oscilación producen sobretonos (frecuencias por encima da mais baixa) que non son armónicos (non son múltiplos da primeira), e hai que andar cambiando a forma para conseguir que os sobretonos se convirtan an armónicos. Total, que hai que darlle forma ás láminas ata conseguir que esas frecuencias sexan múltiplos da nota fundamental, e ahí empeza o lío... múltiplos si, ¿pero cales?. A resposta a esa pregunta marca a diferencia entre xilófonos e marimbas, anque a resposta non é única: as marimbas gardan as proporcións 1:3:6 e os xilófonos 1:4:8, anque moitos autores indican xusto o contrario. O caso é que os xilófonos case sempre "atacan por arriba", con notas por encima de C4, e as marimbas arrancan moito mais abaixo, C2 e incluso A1, e onde mais se lucen.

Marcha pola Unidade

Esta foi a primeira canción que aprendín a tocar nas láminas. Non se trataba só de aprender uns compases, que si, senon que tamén que fose algo que tivese certo significado, unha historia.

E nada mellor que a combinación de Mikel Laboa e Bertolt Brecht, un cantautor que axudou a moitos vascos souberan que son vascos, homes de ben, e que tiveran fachenda de selo, cantando as letras dun home cheo de humanidade.

Unha pequena homenaxe ao pobo vasco que, cando aprendin esto, perdera a tres grandes homes en moi pouco tempo: Mikel Laboa, Chillida e Jorge Oteiza

Pequenos miragres de afinación

G3S01Seguimos co espectrograma de Fourier. Que un espectrograma saia como o da esquerda é un pequeno miragre, vexamos:

Por un golpe de gracia, o son que se analizou contén nada menos que CINCO frecuencias claras... non está mal para ser un cacho de madeira: as frecuencias son: 286.50Hz, 861.29Hz, 1722.33Hz, 3186.97Hz e 4843.73Hz.

Se dividimos a segunda, terceira, cuarta e quinta pola primeira obtemos 3.006, 6.011, 11.123 e 16.905.... as tres primeiras responden, case, á relación 1:3:6, a cuarta e a quinta, o que escrebe, ainda non atopou maneira de controlalas, pero a relación das tres primeiras era o que se andaba buscando. O lector preguntaráse qué raio era o que se estaba buscando.

Gracias a Fourier

Diagrama de Fourier do son dunha lámina de marimbaAlguén imaxina que é isto?.

Como xa se pode adiviñar polo título, os que oiron falar del dirán que tal parece un diagrama de Fourier, e acertaron.

Este en concreto correspóndese co son que emite unha lámina de marimba en pleno proceso de afinación, e está cerca do seu obxectivo, que non é outro quedar a nota que lle toca... e que teña un timbre agradable. E cómo se consegue esto? pois coa axuda de Fourier.

 

Gracias a Pitágoras

PitagorasConCordasA este home, hai unha chea de anos, como 2500, deulle por facer experimentos coas cousas, motivo polo que era despreciado porque eso de experimentar o consideraban unha debilidade (tiña que facer cousas coas mans porque non lle daba a cabeza!!). Como parece que lle gustaba a música, e prefería que houbera máis dun músico, preocupouse por averiguar qué sons quedaban "ben" cando se oían xuntos.

Así que se puxo a facer experimentos cun instrumento de corda, dunha soa corda, o monocordio, e chegou á conclusión de que os sons que quedaban ben xuntos eran aqueles que se producían con relacións de lonxitude de corda de números enteiros, canto máis baixos mellor. (1,2,3,4).

Este experimento, e sobre todo esa conclusión, marcou TODA a música occidental ate hoxe, incluída a escala musical coñecida como Pitagórica.

O da Consonancia e a Disonancia non son outra cousa que "sonidos que quedan ben xuntos"... ou non, e ten que ver cos armónicos.

AfinacionLaminasImaxe27

Numerosos investigadores intentaron o método de cálculo por elementos finitos para obter perfís óptimos para obter unha lámina con afinación preestablecidal (relación entre tons e sobretons). Neses cálculos foron utilizados modelos complexos de ecuacións diferenciais da mecánica clásica como o de Euler-Bernoulli que non foron tan precisos como era necesario, precisándose refinamentos máis modernos, como as ecuacións diferenciais introducidas pola gran figura de enxeñería mecánica moderna Stephen Timoshenko. Con todo iso, se a lámina é de madeira natural, a variabilidade conleva a que os pasos finais sexan sempre manuais. O uso de materiais sintéticos, máis estables e precisos nas súas características, permiten maiores aproximacións (como ten feito a casa Yamaha)

 

Resultados de simulación de perfiles óptimos para distintas afinacións

AfinacionLaminasImaxe13  AfinacionLaminasImaxe12 
AfinacionLaminasImaxe11 AfinacionLaminasImaxe23
AfinacionLaminasImaxe24 AfinacionLaminasImaxe25

   
   
   

Unha barra rectangular ten varios modos de vibración ou oscilación, os modos de oscilación transversais son aqueles que se utilizan para producir sons en instrumentos musicais como txalapartas, xilófonos, vibráfonos e marimbas.

En cada modo de vibración podemos distinguir NODOS e ANTINODOS:

Nodo de vibración : punto (ou liña) da folla que non experimenta movemento oscilatorio.

Antinodo : punto (ou liña) da folla que experimenta a máxima oscilación.

Os principais modos de oscilación transversal son os seguintes:

Modo transversal 1

AfinacionLaminasImaxe17   first transverse composite

Modo transversal 2

AfinacionLaminasImaxe18   second trransverse composit

Modo transversal 3

 AfinacionLaminasImaxe15  third transverse composite

Modo transversal 4

AfinacionLaminasImaxe16

Se a barra é homoxénea e de sección uniforme, como pode ser o caso das táboas dunha txalaparta, a frecuencia de oscilación do modo transversal 1 e os seguintes modos transversais vén dada polas seguintes fórmulas:

f1 ≈ 1.028*raiz(Y/d)*a/L2  fn ≈ 0.441*f1*(n+1/2)2 

Siendo a o espesor da barra, L a súa lonxitude, d a densidade e Y o módulo de Young (unha medida da elasticidade, maior canto máis ríxido). A frecuencia de oscilación é independente do ancho da barra, influíndo só no volume e as frecuencias de oscilación dos modos lateral e torsional.

Para unha barra homoxénea o resto das frecuencias de oscilación dos modos transversais son as seguintes:

Modo Frecuencia Posición respecto á fundamental 
Transversal 1  f1 ≈ 1.028*raiz(Y/d)*a/L2  Fundamental 
Transversal 2  f2 ≈ 2.76*f1  1758 cents = 1 octava + 1 cuarta aumentada - 42cent 
Transversal 3  f3 ≈ 5.40*f1  2920 cents = 2 octavas + 1 cuarta xusta + 20cent 
Transversal 4  f4 ≈ 8.93*f1  3790 cents = 3 octavas + 1 segunda maior - 10cent 

Polo tanto nunha lámina homoxénea os sobretons NON son harmónicos.

MarimbaC2G3Esta é outra marimba, a segunda, esta vez vai de C2 a G3 con A4 en 440, o que ven a ser que a lámina mais baixa ten una frecuencia fundamental de 65.4Hz do C2 ata os 196Hz do G3, de Do a Sol, unha octava e media para entendernos. O primeiro que chama a atención son os tubos, logo imos a iso, e arriba 12 láminas nunha soa fila, o que quere decir que non hai alteracións na escala (non hai bemoles, e non vale sacar a cousa de contexto), ven sendo o que os músicos chaman un instrumento diatónico, neste caso en Do Maior.

Por qué non ten duas filas?, Porque sairía demasiado grande e incómoda á hora de tocala, a lámina mais baixa mide mais de 500mm de longo e 100mm de ancho, incluso é un pouco alta, 1.3m. A razón de facer unha marimba con notas tan baixas foi certa fascinación polas notas baixas da anterior, e quixen ir unha octava mais abaixo, para que servise de instrumento de acompañamento... para dar os baixos.

SoundPerception

Pero o de ir unha octava mais abaixo ten as súas consecuencias, as frecuencias son a metade, polo tanto as lonxitudes de onda saen o doble... e todo ten que ser o doble de tamaño para que as cousas funcionen igual. Os tubos dos resonadores saen o doble de longos, as láminas deben ser mais longas e mais anchas (a lonxitude baixa a frecuencia, e a anchura aumenta o volumen). Por se fora pouco, a medida que as frecuencias se aproximan aos 20Hz a nosa percepción é cada vez menor, que nos imos volvendo mais xordos, polo que hai que procurar que suba a enerxía sonora que emite o instrumento para que o percibamos ao mesmo volumen que os demais... así que todo faise cada vez mais grande.

As curiosas ondas da figura veñen a decir como percibimos o son en función da sua potencia e a frecuencia característica, e veñen a decir que entre 500 e 4000Hz e onde mellor oimos, onde precisamos menos enerxía acústica e case plano (as compañías de teléfono saben esto moi ben), pero en canto a frecuencia baixa precisamos cada vez mais enerxía para oir mais ou menos o mesmo. No caso que nos ocupa, unha nota C2 (65Hz)  a volume relativamente baixo necesita 20dB mais que unha C3 (130Hz) para oirse mais ou menos igual, ou sexa, 10 veces mais potencia. O que nos ven a decir é que, ou usamos resonadores que "amplifiquen" o sonido ou non se vai oir case nada. Ahí é onde entran os tubos.

AfricanMarimbaHelmholtzResonatorHai varias técnicas para facer resonadores, algo que se ve moito é o dos tubos, abertos por un lado e pechados por outro ou abertos por ambos lados. Pero non é a única solución, o saber popular xa descubriu os resonadores de Helmholtz, un tipo moi listo que describiu o seu funcionamento, pero que os negriños de África xa sabían que poñendo cabazas abertas debaixo das láminas aquelo amplificaba os sons baixos dunha forma considerable. Pódese decir que un garrafón de vidro dos de toda a vida, deses que son tipo bola, son un resonador de Helmholtz, tipo muelle con unha masa atada nun extremo (o muelle é o volume grande do balón, e a masa oscilante o aire que está no cuello da botella). Pero de algo valeu que lle puxera números o Sr. Helmholtz ao asunto, porque isto dos seus resonadores serviu para moito mais, por exemplo algo que se queda na curiosidade como explicar o son que fai o coche cando imos só coa ventanilla de atrás aberta.... ou algo tan comercial como facer paneles acústicos que melloren o confort de grandes habitáculos, e que poidamos escoitar concertos en grandes auditorios sen os molestos ecos das paredes.

O caso é que os resonadores de Helmholz están moi ben, amplifican ben os baixos cuns tamaños moito menores que os tubos, pero teñen un problema, só amplifican unha frecuencia... e nas láminas tiñamos tres frecuencias importantes, así que preferín usar tubos, son aparatosos, pero darán mellor calidade de sonido.

ResonadoresDeTubojpgÁ hora de elixir un resonador de tubo temos duas opcións: aberto polos dous lados ou pechado por un lado. Os que son pechados por un lado só amplifican frecuencias que son múltiplos impares da fundamental (3,5,7..), pero os abertos polos dous lados amplifican todos os múltiplos enteiros (2,3,4,5,6..). Como a afinación é, unha vez mais, 1:3:6, o tubo aberto amplificaría tódalos armónicos destas láminas, e neste caso como son mais baixas non hai tantos problemas de captación como no caso da primeira marimba, por se fora pouco, tamén amplificaría o terceiro armómico, ese que é x6, así que parece que é perfecto. Só ten un pequeno inconveniente: a lonxitude dos tubos pechados é 1/4 da lonxitude de onda, mentras que os abertos son 1/2. Ao ser as frecuencias a metade, doble tubo, por ser tubo aberto, doble que os pechados, así que nos enfrentamos a que se un resonador dun C3 en tubo pechado ten que ter 600mm de lonxitude, o noso caso dun C2... 2400mm. Afortunadamente importa a lonxitude do tubo, non ten que ser dereito e podemos darlle voltas como ás trompetas, ainda así o resultado de todo o invento foron 19 metros de tubo de 90mm e 40 codos.

A pregunta que queda por facer, e cuxa resposta non é tan evidente, é de cómo é posible que un resonador "amplifique" o sonido. Un simple tubo, que non se enchufa, que non leva pilas nin fonte de enerxía de ningún tipo, consegue que a nosa percepción sexa que un pedazo de madeira golpeada con un pau con unha bola de lá oigase moito máis se leva tubo que se non o leva. A resposta é que un resonador non é un amplificador, non aporta enerxía, curiosamente só a almacena... e logo a solta. Cando se da un golpe á madeira a onda de choque do sonido é, literalmente, absorbida polo resonador e logo liberada pouco a pouco. O noso oído fai o resto, pois o volume do golpe, se fora 100 veces maior que o que fai cando queda a lámina vibrando, só é percibida unhas poucas veces mais. O resonador almacena e logo reparte, pero a nosa percepción é o que os matemáticos chaman logarítmica (medímola en dB, deso van os decibelios), pero a enerxía que libera o resonador faise cun "decaemento exponencial". E ise foi outro argumento para usar tubos abertos, que como son mais longos... almacenan mais enerxía e logo o sonido "dura mais".

Acompaño algunhas imaxes do proceso de construcción, por se algún pensaba que me volvín tubeiro... non son de cobre, son tubos de pvc deses que se usan para pluviais e fecais, istes tiveron un destino máis artístico.

MarimbaC2G301

MarimbaC2G302

MarimbaC2G303

MarimbaC2G304

MarimbaC2G305

 

Oscilador simple formado por un muelle y una masaCada modo de oscilación compórtase como un sinxelo oscilador mecánico formado por un resorte e unha masa. Canto maior sexa o compoñente elástico, maior será a frecuencia de oscilación, e canto maior sexa a masa menor será a frecuencia da vibración.

A lei que rexe o seu comportamento é:

F = m*a = -k*y

(m = masa, a = aceleración, k = constante de resorte, y = desplazamento con respecto á posición de equilibrio).

Se a masa se move con respecto á posición de equilibrio e se libera, comezará a oscilar a unha frecuencia, cuxo cálculo é irrelevante, e que resulta ser f = raíz (k / m) / 2π. Esta oscilación manterase por un tempo, grazas á enerxía que se proporcionou movendo a masa da súa posición, que se perderá por fricción ata que finalmente volva á súa posición de equilibrio.

Si se desplaza la masa respecto de la posición de equilibrio y se suelta, empezará a oscilar a una frecuencia cuyo cálculo no viene al caso y que es f = raiz(k/m)/2π. Esa oscilación se mantendrá durante un tiempo, gracias a la energía que se aportó al desplazar la masa de su posición, que se irá perdiendo por el rozamiento hasta que finalmente vuelva a su posición de equilibrio.

Ao modificar o perfil da lámina nun determinado punto, elimínase masa, o que ten dúas consecuencias:

  • Disminución da constante elástica desa zona da lámina,

  • Disminución de la masa.

Se se realiza preto dun ANTINODO para un determinado modo de vibración, a frecuencia de oscilación dese modo diminuirá.

Se se realiza preto dun NODE para un modo de vibración particular, a frecuencia de oscilación para ese modo permanece case inalterada.

Se se fai preto dos extremos da barra, o efecto é só unha diminución en masa para TODOS os modos de vibración, xunto cun efecto de lonxitude menor, polo que a frecuencia de oscilación de todos os modos aumentará, se ben os primeiros modos, correspondentes a frecuencias máis baixas, experimentarán un aumento maior que o resto (debido á súa maior inercia, estando máis lonxe do nodo do extremo).

Zonas de rebaixe e modos afectados

 AfinacionLaminasImaxe06

Zona de rebaixe

Zona 1

Zona 2

Zona 3

Modos Afectados

Transversal 1 e 3

Transversal 2 e 1

Transversal 3 e 1

 AfinacionLaminasImaxe05Modos de oscilación transversais, posicións de nodos e antinodos

O cambio de perfil prismático, ao facer un rebaixe na parte central da lámina, produce un desprazamento cara aos extremos dos nodos e antinodos non centrais, polo que unha técnica é que as áreas para actuar están establecidas en función da estimación final da súa posición na lámina.

AfinacionLaminasImaxe33

Identificación de zonas de nodos (vermello) e antinodos (verde) para os tres primeiros modos de oscilación transversal e zonas de talla (azul) para proceder á afinación da lámina prismática.

Todo isto sería bastante sistemático ... se non fose que a medida que a lámina perde a súa condición prismática uniforme, por efecto dos rebaixes, e modifícase a posición dos nodos e antinodos non centrais.

Diagrama de Fourier do son dunha lámina de marimbaAlguén imaxina que é isto?.

Como xa se pode adiviñar polo título, os que oiron falar del dirán que tal parece un diagrama de Fourier, e acertaron.

Este en concreto correspóndese co son que emite unha lámina de marimba en pleno proceso de afinación, e está cerca do seu obxectivo, que non é outro quedar a nota que lle toca... e que teña un timbre agradable. E cómo se consegue esto? pois coa axuda de Fourier.

 

O timbre non é outra cousa que o conxunto de sonidos puros que emite un instrumento musical, unha voz ou un son en xeral, pois poucas cousas das que oímos son sons puros, senon mesturas. Dise que un son puro correspóndese con una onda senoidal, dunha soa frecuencia, e ahí entra Fourier, que dixo que unha onda calquera sempre se pode descompoñer en suma de ondas senoidais... e deunos o método para atopalas. Moitos anos despois, os que xa sabían a teoría, fixeron que os ordenadores escoitasen e botasen contas, dando como resultado diagramas como os da imaxe que nos axudan a saber cales son esas ondas. Poer certo, esto foi o que escoitou o ordenador: uns golpes nun anaco de madeira, e o que se ve na primeira imaxe é o análise de Fourier do anaquiño sombreado.... parece un miragre!

Mostra de Son

Sen imaxes
Sen imaxes