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.

AfinacionLaminasImaxe30

O son, en física (1), é calquera fenómeno que inclúa a propagación de ondas elásticas (audibles ou non), xeralmente a través dun fluído ou outro medio elástico que esté xerado polo movemento vibratorio dun corpo.

O son audible consiste en ondas sonoras nunha gama de frecuencias específica, que se producen cando as flutuacións na presión do aire son convertidas en ondas mecánicas no oído humano, logo en impulsos nerviosos e así entendida polo cerebro.

O son, como calquera outra onda, conleva o transporte de enerxía sen transporte de materia, pero facendo uso da materia. Non se propagan no baleiro, ao contrario que as ondas electromagnéticas.

Se as vibracións ocorren na mesma dirección en que se propaga o son, é unha onda lonxitudinal e se as vibracións son perpendiculares á dirección de propagación é unha onda transversal.

O exemplo típico de ondas transversais son ondas do mar, onde o auga móvese verticalmente, pero a enerxía móvese horizontalmente (perpendicular ao movemento da auga).

Un exemplo dunha onda lonxitudinal simplificada é a distancia entre os aneis dun gusano.

O son é un tipo de ondas mecánicas lonxitudinais producidas por variacións de presión. Estas variacións de presión transfórmanse no oìdo en oscilacións mecánicas e despois impulsos nerviosos, producindo no cerebro a percepción do son.

Como todo movemento ondulatorio, o son pode ser representado matematicamente por unha función que contén espazo, tempo e perturbación, neste caso presión ou caudal.

Se a presión está representada nun lugar específico, a súa variación obtense ao longo do tempo, na forma dunha curva máis ou menos complexa, e iso sería o que se obtería se se colocase un micrófono nese lugar ou se percibiría se o oído estaba alí.

Os parámetros básicos dunha onda son: velocidade, lonxitude de onda, frecuencia, amplitude e fase. Estes parámetros non son completamente independentes, xa que a velocidade, a lonxitude de onda e a frecuencia están relacionados (v=lf). Nun medio dado (por exemplo, o ar), a velocidade de propagación é a mesma para todos os tons (frecuencias)

AfinacionLaminasImaxe32Mediante unha técnica matemática coñecida como Transformada de Fourier, calquera onda pode descompoñerse como a suma de varias ondas sinusoidales, tons puros, cada un coa súa amplitude ou contribución ao total. Esta operación é realizada polos equipos ou aplicacións cando mostran un espectrograma, onde se mostra un eixe horizontal que representa frecuencias con barras verticais proporcionais á amplitude ou enerxía en cada rango.

Esta descomposición simplifica o estudo dos sons complexos xa que permite estudar cada compoñente de xeito independente e combinar os resultados, xa que o efecto de cada ton non modifica o comportamento dos demais.

(1) A Física pode definirse como a ciencia que intenta explicar o mundo a través da matemática; o autor intentou evitar, sen conseguilo, a parte máis desagradable (para algúns) da física: ecuacións e fórmulas.

IMG 20180211 110742

Unha vez que coñecidos todos os fundamentos e mecanismos para a afinacción da frecuencia fundamental e os sobretons dunha lámina, pódese establecer un método iterativo ata que a lámina produza a nota desexada e as adcionais.

Os pasos deben realizarse cunha política moi conservadora, xa que a eliminación de material na zona central só fai baixar as frecuencias, de xeito que, se as frecuencias da folla son máis baixas do desexado, a única solución é eliminar material do remate ou acurtala, que afectará a calidade do son e pode alterar a posición dos nodos da nota fundamental.

Estableceuse o seguinte método para axustar unha lámina de marimba con relación 1-3-6 entre o modo fundamental e os dous primeiros harmónicos.

PASO 1 : Medir as frecuencias de oscilación dos tres primeiros tons da lámina. Obter os cents de distancia entre a situación actual ea desexada.

PASO 2 : Se a lámina está a menosr a 300 cents en cada un dos primeiros tres tons: vernizar, busque o nodo 1 e realice a perforación (se aínda non se fixo).

PASO 3 : Se a distancia do ton 1 ao obxectivo é maior que a dos tons 2 e 3, diminuír o espesor da zona 1.

PASO 4 : Se a distancia do ton 2 ao obxectivo é maior que a dos tons 1 e 3, diminuír o espesor da zona 2 e a zona 3.

PASO 5 : Se a distancia do ton 3 ao obxectivo é maior que a dos tons 1 e 2, diminuír o espesor da zona 3.

PASO 6 : Se a distancia dos tres tons ao destino é aproximadamente o mesmo, diminuír o espesor da zona 1.

PASO 7 : Se a distancia dos tres tons é inferior a 100 cents, cambiar ao modo fino manual para comprobar os tons con máis frecuencia, se non, repetir o paso 1

PASO 8 : Se a distancia de tres tons é menos que 30 cents, pasar modo manual moi fino para acadar o obxectivo de repetición das etapas 1 a 6, pero deixando repousar a lámina entre cada operación

PASO 9 : Se a distancia é inferior a 10 cents, reiniciar ao día seguinte nun modo moi fino (lixado)

Frecuencia fundamental : o que define unha nota, por exemplo LA4 = 440Hz.

Sobretono : compoñente dun son cuxa frecuencia é superior á frecuencia fundamental.

Harmónico : compoñente dun son cuxa frecuencia é un múltiplo da frecuencia fundamental.

Deste xeito verifícase que todos os harmónicos son sobretonos, xa que teñen un maior valor de frecuencia que o fundamental, pero non todos os sobretonos son harmónicos , xa que non sempre son múltiplos enteiros do fundamental.

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

   
   
   

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

 

Sen imaxes
Sen imaxes