Sintetizando el sonido de la música
En la década de los 30 surgió una sensación bastante extraña entre físicos y músicos y me temo que la orgullo de los físicos no tuviera mucho que ver en ello. Según los físicos, el funcionamiento de los instrumentos se basaba en las teorías de las vibraciones de las columnas y de los hilos de aire. El secreto de los violonchelos y violonchelos realizados por Antonio Stradivari en el siglo XVIII no duraría mucho tiempo.
El debate se puso de moda en 1932, cuando se hicieron los primeros órganos electrónicos. El avance de los físicos fue notable, pero los músicos se hicieron eco de los nuevos sonidos. Los físicos podían analizar las notas simples que producían los sistemas mecánicos al tocar en el laboratorio instrumentos auténticos y explicar algunas de sus características. También comenzaban a percibirse la razón de las diferencias de timba entre instrumentos. A partir de estas primeras ideas sobre la naturaleza de los sonidos, se abordó la imitación electrónica de una nota simple y estable de una herramienta convencional.
Después de sesenta años, la acústica ha tenido que reconocer que la música “real” es extremadamente compleja. Existe una gran diferencia entre el sonido que produce un violinista al tocar en una sala de conciertos y el sonido de notas separadas que produce un instrumento.
Sin embargo, en los últimos 15 o 20 años, los sonidos sintéticos que en su día pusieron al fuego a los músicos han contribuido a una mejor comprensión de la base física de los instrumentos tradicionales, lo que ha redundado en una mejor relación entre los miembros de ambas áreas.
En los años 30, los físicos estudiaban mediante el osciloscopio las ondas sonoras generadas por los instrumentos musicales
En los libros de la época aparecieron las ondas de algunos instrumentos musicales, relacionando la “cualidad” del sonido con el tamaño de la onda. Las ondas eran relativamente regulares y, utilizando una técnica matemática basada en el análisis de Fourier, demostraron que cada onda era la suma de varias frecuencias. Asimismo, se comprobó que cada uno de estos conjuntos de frecuencias estaba formado por una frecuencia fundamental y por los armónicos múltiplos de la misma. Los primeros órganos electrónicos podían reproducir la forma exacta de la onda real superponiendo distintas combinaciones armónicas sobre un tipo de base. ¿Por qué el resultado fue entonces tan pobre desde el punto de vista musical?
El problema fue que la onda descrita para cada instrumento se llevó a cabo mediante el estudio de una muestra muy corta, a menudo sólo de centésimas de segundo. Porque si tomamos muestras más largas, como por ejemplo las de décimo de segundo o de un segundo, se aprecia fácilmente que las ondas de los instrumentos reales no son regulares durante mucho tiempo. Los sonidos sintetizados de los órganos electrónicos se obtuvieron extendiendo la muestra en centésimas de segundo a toda la duración de la nota y, por supuesto, los resultados no podían estar próximos a lo real. La nota que crea un verdadero instrumento se caracteriza por el comienzo del sonido. Un sistema real no puede empezar a vibrar bruscamente y, además, hay una gran diferencia entre cómo empieza la vibración de un instrumento a otro.
Por ejemplo, cuando soplamos en el oboe, la lengua del instrumento se expande y se cierra. Thus, the air enters the tube not be as continued, as a pressure air could as a succesion. Cada unidad de aire circula por el tubo y cuando llega a un agujero se expande fuera del aparato. Sin embargo, parte de la energía queda en el tubo y vuelve hacia el fondo, hacia el lienzo. La lengua seguirá vibrando sólo si el aire devuelto golpea la lengua en el momento adecuado del ciclo vibratorio. El aire deberá realizar entre 10 y 20 desplazamientos para ajustarse a la frecuencia de vibración de la lengua. Para una nota de 440 hertzios, 20 desplazamientos tomarán menos de una veinteava parte de un segundo, pero ese tiempo es suficiente para que el oyente lo perciba y, al fin y al cabo, conozca el sonido de la herramienta, que es un sonido inicial diferente al resto de aparatos.
Este sonido efímero inicial es una de las características más destacadas de toda la nota, y sólo cuando los sintetizadores fueron capaces de imitar pegados a la nota estable, comenzó a obtener algo parecido a los sonidos reales. A mediados de los años 50 comenzaron a imitar este tipo de sonidos, pero los sintetizadores del mercado han tenido éxito en los últimos 10 años.
Otro suceso significativo es el cambio de amplitud o “vibración” que se produce durante un segundo en la nota de un instrumento. Puede ser un vibrato hecho por el propio jugador, pero cuando no se hace, se perciben pequeños vibros. De hecho, es muy difícil controlar completamente la presión y la velocidad que se realiza con el arco en un instrumento de viento o en un instrumento de cuerda. Para crear una nota estable, el jugador debe comparar la nota que está creando en un momento determinado con la del momento anterior. Escuchar y procesar la información requiere un tiempo comprendido entre un segundo y un quinto, y gracias a la vibración resultante, el oído humano distingue bien el sonido real del electrónico.
En la década de los 30, las muestras que sólo duraban un centésimo segundo fueron designadas como “imagen de la onda de la flauta” o “imagen de la onda del clarinete”. En consecuencia, la única diferencia entre dos notas era la frecuencia y no la forma. Y eso también fue una simplificación excesiva, ya que así es imposible crear todo el campo sonoro de un instrumento. En todo esto estaban equivocados los órganos electrónicos iniciales.
Al igual que los esfuerzos por simular herramientas reales, algunos avances de la tecnología moderna han contribuido a conocerlos mejor. Los analizadores de frecuencias requerían en su día muestras sonoras largas, pero en la actualidad disponemos de analizadores “en tiempo real”, prácticamente instantáneos. En los sonidos convertidos de forma analógica a digital mediante nuevas técnicas, los ordenadores pueden realizar diferentes tipos de análisis. Por otra parte, las vibraciones de los instrumentos se pueden analizar mediante interferometría holográfica o simulación por ordenador.
El clarinete es quizás el instrumento de viento que más ha estudiado la física. En un tiempo se afirmó que el sonido característico de este instrumento se debía a que no existían armónicos pares. La física básica muestra claramente que el tubo cilíndrico, cerrado en un extremo, sólo produce armónicos impares, y los físicos creen que el clarinete, siendo cilíndrico y con la lengua cerrada, actuaría así. Sin embargo, los análisis de frecuencias han demostrado la existencia de armónicos pares y la diferente composición armónica de cada nota.
Las investigaciones han aclarado que el motivo es que el tubo no es totalmente cilíndrico, ya que los agujeros que están cerrados crean “sangrías” dentro del tubo. La disposición de los orificios cerrados y abiertos es diferente para cada nota, lo que influye en la composición de la onda interna del tubo y en la forma de salida de los sonidos. Gran parte del sonido se extrae de orificios abiertos y se produce una interferencia entre las ondas que se expulsan por los orificios adyacentes. Por todo ello, cada nota es “única”. Los primeros órganos electrónicos utilizaban la misma receta para todas las notas.
En los instrumentos de cuerda, la forma en que el alma del instrumento amplifica los componentes armónicos de la vibración del hilo es muy importante. Y como en los instrumentos de viento, para cada nota ocurre diferente. Un mal violín realiza grandes cambios de amplificación de una nota a otra y es difícil controlar el instrumento. Sin embargo, una amplificación totalmente uniforme, que se puede obtener electrónicamente, produce un sonido desagradable. En cuanto a Agi, nuestro oído prefiere cierta irregularidad. No sabemos, sin embargo, para que le guste al jugador y al oyente, hasta qué punto esos niveles de irregularidad son necesarios.
Hasta ahora no hay fórmula para ello. El secreto del buen violín está en la textura adecuada de las dimensiones, en el espesor y curvatura de las planchas de madera, en las características de elasticidad, humedad y otros materiales. Los físicos buscan cómo y en qué pueden ayudar a los violinistas a mejorar sus productos.
Los últimos estudios de instrumentos tradicionales se utilizan para el diseño de ordenadores punteros. El gran avance se ha producido en el sonido transitorio inicial de la nota. En un instrumento de cuerda como el violín, este principio está limitado por el modo en que el arco oscila el hilo y el cuerpo empieza a vibrar. La madera corporal no puede empezar a vibrar bruscamente, las vibraciones de la nota anterior deberán interrumpirse mientras empiezan las de la nueva nota. La capacidad del cuerpo para cambiar con frecuencia es característica del buen violín. En muchas ocasiones, los violinistas dicen que con una violín que es tan rápido, es “de respuesta más rápida”. Esta es una de las principales señas de identidad del Stradivarius.
En la década de los 50 se construyeron unos sintetizadores iniciales que se utilizaron para cambiar una nota a lo largo del tiempo mediante una herramienta llamada “envelope shaper” (formadora de la superficie). Era un circuito normal que aumentaba y reducía una nota a una velocidad determinada. Pero hasta los primeros años de los 70 nadie se dio cuenta de que eso era un control muy superior. Lo que realmente se necesitaba era una manera de aumentar y disminuir los diferentes armónicos de una nota a distinta velocidad. Poco a poco se puso de manifiesto que cada nota de un instrumento necesitaba una composición armónica diferente y una velocidad de aumento y reducción diferente para cada armónico.
Los últimos teclados electrónicos, además de realizar este tipo de cambios en los componentes de la nota, pueden introducir el sonido de la respiración o del movimiento de las teclas del jugador, introducir el sonido de los movimientos del instrumento o de las teclas para aproximarse más al timbre real del instrumento. Producen un montón de sonidos impresionantes, pero normalmente proceden de bancos de sonidos reales acumulados en el ordenador. ¿Son verdaderos sintetizadores o sólo herramientas que recogen, ordenan y combinan muestras de sonido real? Los físicos difícilmente pueden resistir la victoria total.
Sin embargo, los sintetizadores electrónicos no han hecho un camino corto desde los años 30. En los años 70, el principal avance fueron los elementos de tensión eléctrica controlada (los dispositivos anteriores tenían un “dial” para controlar la frecuencia o la amplitud en un generador de ondas). En un elemento de tensión controlada, la frecuencia o amplitud varía según la tensión establecida. Por ejemplo, el teclado no sería más que un instrumento que aplica cierta tensión a un generador de sonidos cada vez que se pulsa una tecla. El vibrato se obtendría por una oscilación de la tensión que provocaría una vibración en frecuencia y/o amplitud.
En los años 80, el notable avance fue probablemente el llamado ‘Musical Tresna Digital Interface’ (MIDI, interface digital de instrumentos musicales). Se trata de un lenguaje digital o “protocolo” casi universal mediante el cual casi cualquier instrumento digital puede controlar otro o controlarlo por otro. Por ejemplo, en el “Royal Institution Christmas Lectures” me dejaron varios instrumentos musicales electrónicos de diferentes fabricantes. Todos tenían las tres cabezas de cinco agujas midi-in, midi-through y midi-out. Si asociamos la salida de un teclado digital de una casa a la entrada de un “sampler” (o muestreador) digital de otra casa, el teclado podría utilizar los sonidos que hay en el sampler. Utilizando la conexión “Through”, algunos instrumentos se pueden unir en cadena formando una “orquesta” que controla el primer instrumento.
La sala de grabación más moderna de la BBC consta de diferentes sintetizadores, samplers y otras fuentes sonoras, todas ellas unidas entre sí a un teclado completo y a un potente ordenador mediante el sistema MIDI. El compositor puede producir sonidos, mezclarse de diferentes maneras y realizar una composición completa. Todos los detalles se guardan en el ordenador y pueden ser reutilizados, modificados, aumentados o sustituidos. Cuando el resultado es correcto se graba en cinta.
Hasta hace poco, la mayoría de las herramientas electrónicas se tomaban desde el teclado. Gracias al MIDI, se puede hacer de muchas maneras y al músico le van a pasar muchas veces “más cerca”. Por ejemplo, existen controladores similares al clarinete, con las llaves en el mismo lugar y con algo similar a la boquilla de la lengüeta simple. El extremo está formado por sensores que responden a la presión de los labios y a la velocidad del aire y las llaves son dispositivos electrónicos conectados por MIDI con el sintetizador.
No creo que los sintetizadores quiten espacio a las orquestas reales, pero también es cierto que tienen ventajas. Un órgano sintetizador no tendrá, si es necesario, el sonido del verdadero, pero puede ser suficiente para ciertos fines. El teclado electrónico vale bastante menos que el piano y puede estar equipado con un sistema de teclas sensible a la fuerza que se ejerce actualmente. Se puede decir que son equivalentes a los actuales armónicos de antaño. Pero quizá lo más interesante es que producen muchos sonidos nuevos y un compositor puede utilizarlos junto a los sonidos de instrumentos tradicionales.
Cuando escuchamos música lo que realmente hace nuestro cerebro, de momento no sabemos. Es increíble la rapidez con la que separamos el sonido producido por las máquinas. La caja de ritmos que llevan asociados algunos teclados es un ejemplo de ello. Gracias a los últimos sintetizadores hemos aumentado mucho el número de sonidos disponibles, pero creo que la física de la música nunca dejará obsoletas las aportaciones de los músicos.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
