FÍSICA DE LOS TUBOS SONOROS.
DEFINICIÓN DE TUBO SONORO.
Se denominan tubos sonoros los tubos cilíndricos o prismáticos, de paredes metálicas o de madera, que son capaces de producir sonidos al entrar en vibración la columna de aire que se insufla en uno de sus extremos. La columna de aire puede provenir de los pulmones del músico o, como en el caso del órgano, de un fuelle.
Los tubos pueden ser:
- de embocadura de flauta, en cuyo caso pueden ser abiertos (en el extremo opuesto al de la embocadura) o cerrados. En estos tubos, el aire que procede del fuelle, penetra a través de la embocadura a una velocidad c, de donde pasa a la columna de aire a través de un orificio L llamado luz, encontrándose con la boca del tubo y chocando con el labio superior S en forma de bisel, originando unos torbellinos que dan lugar a que el chorro de aire unas veces se dirija hacia el exterior y otras hacia el interior del tubo, apareciendo las vibraciones propias del mismo. El extremo opuesto a la embocadura puede ser abierto o cerrado.
-de embocadura tipo lengüeta, en cuyo caso son siempre abiertos para permitir la salida del aire. el aire que penetra por la embocadura llega a la cámara C , de tal forma que para pasar el tubo, tiene que hacerlo a través de la ventana V , delante de la cual se encuentra una lengüeta I, generalmente metálica. Si se trata de un tubo de lengüeta batiente, es ésta un poco mayor que la ventana y en su posición de equilibrio queda como se indica en la figura, pero debido a la corriente de aire puede llegar a tapar por completo la ventana hasta que por su elasticidad, vuelve a dejar paso libre, y así se crea la vibración. En los tubos de lengüeta libre, ésta es menor que la ventana y su posición de equilibrio es la que coincide con la ventana, aunque por su tamaño nunca la cierra por completo, por lo que la vibración que en ella produce el aire, origina modificaciones de presión en el tubo y la consiguiente emisión de sonido.
Los tubos abiertos:
En el caso de los tubos abiertos la frecuencia fundamental es V/2L siendo L la longitud del tubo y V la velocidad del sonido en el aire ( 340 metros por segundo a una temperatura de 20 ºC)
El tubo abierto puede emitir además del sonido fundamental, la serie completa de todos sus armónicos, que tendrán la frecuencia:
n = nv/2L
(con n = 2, 3, 4, etc)
Los tubos cerrados:
En el caso de los tubos cerrados, la frecuencia fundamental es V/4L.
El tubo cerrado puede emitir además del sonido fundamental la serie de los armónicos impares, que tendrán las frecuencias:
n = (2n – 1) v/4L
(con n = 2, 3, 4, etc)
La generalidad de instrumentos de viento convencionales están formados por tubos abiertos, quedando los cerrados para casos muy concretos como son ciertos tubos de órgano, el Clarinete, la Flauta de Pan y algún otro.
La excitación de la columna gaseosa en estos instrumentos se hace por medio de una embocadura, cuya misión es comunicar el movimiento vibratorio a la referida columna. La abertura donde se encuentra la embocadura no puede ser un nodo, pero tampoco debe ser necesariamente un vientre, pudiendo estar el punto de excitación en un lugar intermedio. De la misma forma no es necesario que las aberturas del tubo coincidan con los extremos. Las aberturas situadas a lo largo del tubo tienen por objeto el dividir la columna gaseosa en segmentos, produciendo cada una de ellas una frecuencia propia.
En los extremos abiertos la reflexión que se produce está en función de la anchura del tubo y de la abertura, comparada con la longitud de onda que se propaga por el tubo. En el caso de los instrumentos musicales el tubo es demasiado estrecho y no se puede disipar toda la energía en el extremo abierto, por lo que se produce el fenómeno de la reflexión. La reflexión hace que se produzca un vientre en dicho extremo abierto. Dicho de otra manera: "En todo extremo abierto de un tubo sonoro se produce un vientre". Esto último junto con el fenómeno de la difracción tiene una gran importancia para comprender como se generan los armónicos.
CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS DEL OBOE COMO TUBO SONORO.
El oboe estaría en el grupo de los tubos sonoros con embocadura “tipo lengüeta” de los que ya hemos hablado. Su tubo es cónico y abierto. Los sonidos desde el Sib3 al Do#5 son fundamentales, el resto son armónicos de orden superior.
Generalmente, los instrumentos de viento poseen un único tubo sonoro (a excepción del órgano), por lo que para poder generar las diferentes notas se recurre a diversos artificios con la finalidad de variar la longitud de la columna de aire. Los procedimientos para llevar a cabo esta variación son básicamente dos. El primero consiste en perforar a lo largo del tubo una serie de orificios de tamaño y posición convenientes. Estos agujeros se pueden tapar, bien con los dedos (flautas) o con llaves (oboes y otros, clarinetes, saxofones...). Un segundo método consiste en añadir porciones de tubo que se conectan al principal mediante pistones (trompeta), o llaves (trompa) o tubos deslizantes (trombón de varas).
En música se denomina taladro al agujero del tubo sonoro. La forma del taladro del tubo influye en la longitud de onda. En una flauta el taladro está abierto por los dos extremos, por lo que en estos, la presión del aire será muy similar a la atmosférica y éste podrá moverse libremente. Dentro del tubo la presión podrá ser mayor o menor. En un clarinete el taladro es casi cilíndrico. Un oboe éste tiene forma cónica al igual que en los saxofones. También existen algunos tubos de órgano con forma prismática.
A continuación se muestra una grafica con el taladro de una flauta, un clarinete y un oboe. El diagrama muestra los diferentes patrones de vibración o modos que satisfacen estas condiciones que impone la estructura de la flauta: como los extremos están abiertos, en ellos se producirán vientres. El gráfico superior es el patrón de una onda cuya longitud de onda es el doble que que la longitud de la flauta, L, (primer armónico, f1), el segundo gráfico corresponde a una longitud de onda 2L/2 (segundo armónico, f2), el tercero a 2L/3 (tercero, f3) y así sucesivamente...
Los instrumentos de embocadura, en el extremo por donde músico coloca su boca, no están abiertos, es decir, el aire no puede desplazarse libremente y en dicho lugar aparecerá un nodo. Consideremos el clarinete: es prácticamente cilíndrico y está abierto en la campana de salida, pero cerrado en la embocadura por la boca. Como ya hemos comprobado en el diagrama que aparece en el centro, el clarinete sólo produce los armónicos impares. Esta es la causa por la que puede tocar una octava por debajo de lo que lo hace una flauta de la misma longitud.
El oboe y el fagot, son básicamente tubos con columnas de aire cónicas en los que un extremo ha sido cortado para introducir una lengüeta doble, consistente en dos mitades de caña que se golpean una con otra. La columna cónica vibra con los modos impares, sin embargo tienen un sobre-soplado de una octava.
El oboe es un cono recto hecho esencialmente de tres piezas de madera, todas con sus correspondientes llaves denominadas, inferior, superior y campana. Utiliza las vibraciones mecánicas de una pequeña pieza de material elástico, la lengüeta. La lengüeta se une a una pieza cónica de metal llamada horquilla, que se inserta en la parte superior. Las piezas superior e inferior tienen seis agujeros para la escala básica, que se extiende desde RE4 hasta DO5. Los agujeros y llaves adicionales en la pieza inferior y la campana permiten llegar hasta SI3b por debajo y hasta DO6 por arriba. Como la frecuencia fundamental del cono completo es la misma que la de un tubo abierto de la misma longitud, el oboe tendrá un tono fundamental similar al de la flauta y una octava más alta que el del clarinete. Los sonidos del Sib 3 hasta el Do#5 son fundamentales. El resto son armónicos de orden superior.
El tubo sonoro consta de un sistema excitador y de un sistema resonador. El sistema excitador es la lengüeta. El sistema resonador es el tubo del instrumento.
Las lengüetas y la producción de sonido.
El efecto de la producción de ondas sonoras periódicas en los instrumentos de lengüetas es el siguiente: la corriente de aire se introduce por una abertura que queda casi totalmente cubierta por una lámina capaz de vibrar elásticamente. Al entrar dicha corriente por la estrecha hendidura que deja libre la lámina ejerce tal presión sobre esta que la obliga a ceder hasta que por impulso elástico de su resistencia se dispara en sentido contrario, volviendo a ceder y a volver sucesivamente en una periodicidad rítmica. Cuando la lengüeta torcida por el aire da acceso a éste al interior del tubo, se produce una compresión del aire que actúa en sentido de retroceso y debido al equilibrio establecido entre el aire saliente de la boca del músico y del comprimido en el tubo se produce un equilibrio consistente en la interrupción momentánea de la conducción de aire (rítmica periodicidad) De este modo, el aire del tubo puede compensarse en el extremo opuesto con el aire envolvente, es decir, dar a este el impulso de movimiento, mientras que el aire menos denso que se encuentra de nuevo ante el soplador atrae hacia si la lengüeta. Esta periodicidad produce un sonido concreto. La entonación de este sonido dependerá de la velocidad del vientre.
El contacto de una corriente de aire sobre la punta de la lengüeta produce sonidos: en los lados del borde de la lengüeta, se forman remolinos de aire que en el caso de formarse a intervalos perfectamente regulares dan lugar a una nota de entonación definida que conocemos con el nombre de “tono de embocadura”.
La altura del sonido producido en los tubos de lengüeta depende de la velocidad de la vibración de la lámina vibrante. A mayor velocidad, mas agudo es el sonido y viceversa. Esto dependerá de la masa (peso) y de la rigidez (elasticidad) del cuerpo vibratorio, así como de la longitud de la lengüeta (en el oboe unos 72-73 milímetros) y de la columna de aire. La lengüeta no debe ser demasiado rígida ya que en ese caso la columna de aire encerrada en el tubo no ejercerá influencia alguna en su ritmo vibratorio ni demasiado flexible ya que en el conflicto entre los dos ritmos, ganará predominio el del aire encerrado en el tubo y el efecto tampoco será el deseado.
Por supuesto la forma del tubo también influye en el acto para vencer las vibraciones propias de la lengüeta ya que de la forma del tubo depende la presión de la columna de aire. La longitud del tubo también influye, porque aunque la vibración la produce la lengüeta, la cantidad de vibraciones ( y por tanto la altura del sonido) depende de la longitud del tubo.
En cuanto a la consecución de distintos sonidos en un mismo instrumento, decir que el único instrumento capaz de reducir o expandir la columna de aire a voluntad es el trombón de baras. Para el resto de instrumentos, especialmente en los de maderas, el acortamiento o expansión de la columna de aire, se produce mediante la realización de agujeros a lo largo del tubo coincidiendo con la medida de la columna de aire correspondiente con cada sonido. De este modo, si todos los agujeros practicados se encontrasen cerrados, el tubo funcionaria igual que si no estuviese taladrado, pero en el caso de abrir agujeros, la parte del tubo posterior al agujero abierto, queda virtualmente anulada y acortada produciendo por lo tanto un sonido mas agudo.
El uso de agujeros en el tubo sonoro.
Lo que determina el sonido, en cuanto a altura o entonación, es la longitud de la columna de aire que vibra. Pero la longitud de esta columna no coincide con la medida exacta del tubo del instrumento; en realidad es algo mayor la primera, porque la diferencia de presión en el tubo no puede quedar compensada exactamente en el punto mismo en que éste desemboca en la atmósfera envolvente.
Disponemos de dos sistemas para obtener la altura de los sonidos en tubos.
- Acortar el tubo, con lo que quedaría reducida también la columna de aire (como el trombón de varas puede hacer)
- Realizar agujeros que coinciden con la longitud del tubo necesaria para la consecución del sonido deseado.
En la extensión total del tubo se toman las medidas de la columna de aire correspondiente a cada uno de los sonidos posibles y se taladra la pared del tubo en los puntos respectivos. EL numero de orificios sería de seis, igual al de los dedos de que se sirve el ejecutante para tocar. Es decir que si se mantienen cerrados los seis dedos, el tubo funcionaría como si no hubiera sufrido alteración alguna.
Esto es la teoría. En la práctica hay un pequeño problema: La columna de aire, como hemos dicho, no coincide exactamente con el tubo del instrumento que la contiene. Pues el mismo principio funciona para los distintos fragmentos parciales del tubo delimitados por los orificios. La columna correspondiente se prolonga algo hacia el resto del tubo, más allá del último agujero abierto, por lo que, para ser exactos, hay que formular la definición diciendo: la altura del sonido depende de la dimensión de la columna de aire encerrada en el tubo desde la embocadura hasta el orificio abierto y del trozo inferior al orificio que aún forma parte de la zona influida.
Este último trozo será tanto más reducido como más fácilmente pueda quedar compensada la diferencia de presión del tubo con la atmósfera envolvente, o cuanto mayor sea el taladro del orificio. Así, es posible alcanzar una entonación de una exactitud casi matemática. Inversamente, cuanto menor sea el orificio mas difícilmente se efectuará la compensación, tanto mayor será el trozo de columna apéndice y por tanto más grave resultará el sonido producido. Pero esta circunstancia constituye una ventaja para flautas, oboes y fagotes antiguos, ya que les permitía producir semitonos y por tanto, la escala cromática entera, prolongando artificialmente el trozo apéndice de la columna vibratoria, dificultando adrede la compensación, mediante “medios agujeros” o empleando empalmes.
Se empezaron a colocar llaves por un problema en la flauta, que no podía producir el mib más que mediante una llave. Después de eso, el uso de llaves aplicadas a instrumentos de madera para facilitar la consecución de semitonos fue simplemente cuestión de tiempo.
El timbre en los instrumentos de viento y en el oboe.
Según la teoría de Helmholtz, el timbre de un instrumento resulta de la cantidad y selección de los sonidos armónicos o concomitantes de un sonido fundamental y de su relación de intensidad con este.
Otro teórico, L. Hermann dice que o que constituye el carácter específico de un sonido instrumental es la existencia de uno o varios máximos de resonancia peculiares a cada instrumento.
El sonido del oboe es bastante particular y nunca dos oboístas producirán la misma calidad de sonido, aun tocando la misma caña. Se ha descrito como nasal, penetrante, un poco acre, cualidades sin duda comunes a los instrumentos de doble lengüeta. Crece en intensidad a medida que desciende al ámbito sonoro mas grave. En este registro, el oboísta debe controlar la tendencia natural a una sonoridad un tanto excesiva y los sonidos con dinámica piano se vuelven más difíciles a medida que se desciende en el registro. El color distintivo y la capacidad expresiva le convierten en un instrumento muy mimado para los solos.
La calidad de sonido que pretendemos conseguir depende básicamente de dos cosas: del sonido básico aceptado en el país o región donde se vive y el gusto personal de cada uno.
Factores que influyen en el timbre:
Las cañas:
Un factor clave en la calidad de sonido son las cañas escogidas a la hora de tocar. Por ello hay que tener en cuenta varios factores:
- que sea posible obtener grados extremos en la gama dinámica manteniendo una buena calidad del sonido.
- Que la caña sea lo bastante resistente para dar sustancia al sonido pero a la vez lo suficientemente flexible para permitir realizar ataques de articulación.
- Que además de cumplir estas condiciones, la caña permita mantener una embocadura relajada.
El factor sonoro desde el punto de vista acústico que produce y determina el timbre,
consiste en realidad en el dispositivo de insuflación. (la lengüeta en el caso del oboe) En un experimento realizado por Fritz Volbach se demuestra que un tubo de trompeta tocado con la lengüeta de un oboe produce el timbre característico del oboe. El problema es que al no ser un tubo adaptado a la vibración propia de la lengüeta se podrá lograr con cierta facilidad un sonido fundamental pero seguramente será muy complicado o incluso imposible obtener otro tipo de sonidos.
La campana:
Es importante decir que la campana del oboe no afecta al timbre: su objetivo es condensar el chorro sonoro, determinando su dirección y propagándolo homogéneamente al exterior.
El material:
Tampoco el material del instrumento puede variar su esencia tímbrica. Quizás un cierto color, pero nunca el timbre que lo hace característico.
El sonido en el oboe ha cambiado a lo largo de los años, por ejemplo a principios del SXX era mucho menos flexible, mas oscuro, menos proyectado que en la actualidad.
En el Corno Inglés en general es mas fácil producir uno sonido agradable puesto que el tamaño mayor tanto de la caña como del instrumento hacen que responda mas fácilmente a nuestras pretensiones acústicas. El registro mas grave enriquece el sonido, dotándolo de un brillo aterciopelado.
Resumiendo:
- el timbre depende únicamente de la forma fundamental de la onda vibratoria.
- La forma de la onda vibratoria viene determinada por la clase de embocadura (en el oboe es la lengüeta doble de caña)
- El tubo de los instrumentos de viento tiene como objeto establecer la coincidencia de en la periodicidad de las vibraciones de la columna de aire del tubo con las del mecanismo de embocadura (labios, lengüeta, etc.)
- Los sonidos armónicos no intervienen en la constitución del timbre, sino que influyen en el dándole determinados matices.
Los sonidos armónicos en el oboe:
De las conclusiones expuestas anteriormente sobre el sonido del oboe, hay que distinguir entre el timbre de un sonido, determinado por lo que se ha dicho en el subcapítulo anterior y la mezcla de un sonido fundamental con una serie de armónicos con vistas a producir una sonoridad determinada.
El desarrollo de los instrumentos de madera se ha ido acercando a un método científico consistente en aprovechar el principio acústico en que se basa el sistema mixto de producción del sonido.
Este sistema mixto consiste en una gama de fundamentales en el registro mas grave del instrumento así como sus varios armónicos de los cuales derivan las notas más agudas, cuya longitud de onda es una fracción integral de las fundamentales ½ , 1/3, ¼, 1/5, y 1/6. Estos sonidos parcialmente son los armónicos de octava, doceava, doble octava y decimonovena respectivamente.
En el oboe, las notas fundamentales corresponden a las notas del registro grave y medio. Desde Sib al Do#. Mediante la utilización de medios agujeros y las dos llaves de octava del Re hasta el Do siguientes. Estas notas son armónicos de orden 2; los sonidos restantes hasta el sol sobreagudo son armónicos de orden 3, orden 4 y orden 5. Los sonidos obtenidos como terceros y cuartos armónicos son de una sonoridad muy punzante.
ARMONICOS CONVENCIONALES Y NO CONVENCIONALES.
La extensión de notas del oboe se deriva de un sistema de tonos fundamentales en el registro mas grave y de armónicos derivados de estos para el registro superior. Estos son armónicos naturales (convencionales) extendidos sobre la fundamental según la serie armónica. Todas las digitaciones básicas se han derivado de estas constantes. Pero estos armónicos naturales no son las únicas combinaciones posibles, sino que el oboe moderno puede producir ocho notas mas que llamamos “armónicos artificiales” y que se producen mediante una digitación alternativa para un sonido fundamental. Así, esta nueva fundamental producirá una nueva serie armónica no basada en las fundamentales naturales del instrumento. La característica inmediata de estas fundamentales variables es la evidente en cuanto a la sonoridad y dinámica muy contrastada, creadas por la supresión de los armónicos naturales del sonido a favor de los parcialmente superiores de derivación natural.
Los armónicos adicionales (no convencionales) se obtienen con la octavación de las posiciones normales del primer registro y abriendo el medio agujero. Son una útil adición a los recursos del oboísta pero exigen cuidado en su producción y además no pueden ser tocados fuerte. Usado bien, su particular color de sonido y su fácil uso en pianísimos puede ser muy eficaz. La música del siglo XX ha explotado este fenómeno aumentando considerablemente las posibilidades sonoras y estéticas de los instrumentos de viento-madera.
Dentro del tema de armónicos puede hablarse de las distintas posiciones en el registro agudo donde puede buscarse posiciones modificadas o adicionales que se ajusten al instrumento y al oboísta en particular sacando partido de estas alternativas (algunas funcionan bien para corregir la entonación, algunas para pasajes rápidos, otras para dinámicas extremas...).
