¿Es importante el material de construcción en el sonido de los instrumentos de viento-madera?

Los músicos a menudo utilizamos adjetivos de color para describir el sonido de nuestro instrumento: sonido brillante, oscuro, mate, rico… Al mismo tiempo, solemos asociar un determinado sonido en función del material de construcción. Sin embargo, los científicos no han encontrado suficientes evidencias que permitan relacionar el material de construcción del instrumento con su calidad tonal. Entonces, ¿en qué medida el material de fabricación tiene un efecto en el sonido que produce el instrumento?

El efecto del material con el que se construyen los instrumentos sobre sus propiedades acústicas ha sido motivo de controversia entre los músicos y los físicos. Un músico experimentado es capaz de reconocer la mínima diferencia de sonido que se produce entre dos instrumentos construidos con diferentes materiales –por ejemplo una flauta de plata o de oro, o un clarinete de madera de ébano o de un material sintético como el Delrin-, aunque le resultaría complicado identificarlos. Los fabricantes y los instrumentistas también son conscientes de los sutiles cambios en las propiedades acústicas de un instrumento cuando se utilizan diferentes materiales para las almohadillas de las llaves o para el diseño del tubo. Sin embargo, se plantean numerosas dificultades para evaluar y cuantificar la influencia del material de construcción del instrumento en su respuesta acústica, y por tanto, en su sonido. Varios experimentos de percepción sonora a un público especializado han sido realizados con instrumentos fabricados por diferentes materiales, pero ninguno ha demostrado suficientes evidencias. En este sentido, aunque la mayoría de músicos sí han sido capaces de distinguir sutiles diferencias de color entre un instrumento y otro, no ha habido consenso en cuanto a asociar esas diferencia tímbricas con un material u otro.

El sonido que percibimos es el resultado de la cantidad de energía en varias frecuencias relacionadas armónicamente que el instrumento es capaz de radiar. En el caso de los instrumentos de cuerda o de percusión, las propiedades mecánicas del material es fundamental dado que el cuerpo del instrumento también participa de la vibración, y por tanto, el sonido es radiado por toda su estructura. Sin embargo, en los instrumentos de viento-madera esta influencia es prácticamente despreciable ya que las paredes del tubo no vibran lo suficiente como para radiar sonido audible debido a su densidad y/o grosor, y por tanto el sonido en este caso depende estrictamente de la geometría del tubo y  del comportamiento de la columna de aire que encierra. En este caso el sonido se radia estrictamente por los orificios abiertos y la vibración de las paredes es prácticamente despreciable. No obstante, coexisten otros factores físicos, pero también psicológicos, que coadyuvan al músico a percibir sutiles cambios en el color del sonido de su instrumento. Generalmente estos ligeros cambios solo son percibidos por el instrumentista.

Por lo que respecta a los factores físicos, las paredes del tubo del instrumento influyen en cierta medida en el comportamiento de las vibraciones de la columna de aire debido a las pérdidas de energía sonora -viscosas y termales- que se producen por la porosidad de la pared, pero también, por los rozamientos y los intercambios de calor entre la sustancia vibrante y las paredes del tubo. Estos factores se traducen en pérdidas de intensidad de algunos de los armónicos constitutivos del sonido que escuchamos, lo que da lugar a cambios en el color sonoro percibido por el oyente.

La principal propiedad que debe tener el material en estos instrumentos es reducir el efecto de la humectación y la condensación del agua, así como prevenir las pérdidas que se producen por absorción e intercambios de calor entre la sustancia sonora y las paredes del tubo, pero también por los rozamientos del aire con las paredes. Por ello, las paredes del tubo deben ser rígidas y lisas y no presentar porosidades ni rebordes para evitar al máximo turbulencias y pérdidas. Estas pérdidas pueden generarse como consecuencia de la reflexión en las paredes del tubo, pero especialmente, en las zapatillas de las llaves que obturan los orificios, con coeficientes de absorción mayores al de la madera del tubo.

Las pérdidas de energía por los intercambios de calor entre la sustancia vibrante y las paredes del tubo también es un factor a tener en cuenta en la calidad del sonido. Nótese que las paredes del tubo tienen una temperatura constante, mientras que la temperatura de la columna de aire que encierra el tubo oscila con un máximo de temperatura en las zonas de máxima presión –vientres- y un mínimo en las de mínima presión –nodos-. En este sentido, materiales más densos o gruesos también contribuyen a paliar las pérdidas de energía por absorción, pero también por los intercambios de calor dado que un mayor grosor en las paredes del tubo contribuye a mantener constante la temperatura de las paredes.

Un factor a considerar también es la calidad de la superficie de la madera. Un material poroso incrementa las pérdidas de energía y por tanto reduce las intensidades de los armónicos, lo que se traduce en cambios en el timbre del instrumento. En este sentido, sonidos cuyos armónicos constitutivos están debilitados se asocian con un color más oscuro, y viceversa. Del mismo modo, sonidos que escuchamos con picos de intensidad desnivelados dan lugar a un timbre inconsistente.

También la estabilidad dimensional del material puede influir en el color tonal, dado que cambios bruscos en la humedad o temperatura pueden modificar las propiedades mecánicas de ciertos materiales e incluso su geometría interna, lo que provocará una modificación del comportamiento de la columna de aire que encierra. Y por supuesto su maleabilidad ya que el instrumento debe ser moldeado y taladrado sin fisuras hasta conseguir su diseño final.

En cuanto a los factores psicológicos, hay que tener en cuenta que la energía que produce el sonido en los instrumentos de viento se suministra directamente por el soplo del instrumentista. En este sentido, la embocadura, el tracto vocal y el sistema respiratorio del músico introducen variables en una compleja vía que es difícil de cuantificar. Por ejemplo, el tracto vocal actúa como un resonador adicional que puede ajustar su presión y volumen de aire según las necesidades que se planteen. Del mismo modo, la embocadura aplicada por el músico modifica el comportamiento del sistema de excitación del instrumento -la lengüeta o la presión de soplo-, lo que introduce cambios en el color del sonido al potenciar o debilitar determinados componentes armónicos de la vibración fundamental. Pero lo más interesante de este factor lo constituye el hecho de que generalmente estos cambios sutiles en la embocadura o el tracto vocal son aplicados por el músico casi de forma intuitiva e inconsciente, sin tener en cuenta, por ejemplo, qué músculos están implicados o qué volumen de aire alberga nuestro tracto vocal.

Otro factor psicológico a tener en cuenta es la percepción sonora que espera el músico de un instrumento fabricado con un material u otro. Estamos de alguna forma sugestionados en cuanto al sonido que debe producir un clarinete o un oboe fabricado con madera negra africana –Dalbergia melanoxylon– o un fagot de madera de arce, y esperamos inconscientemente que el sonido producido por estos instrumentos sea un sonido con mayor calidad tonal que el generado por un instrumento fabricado con un material sintético o una madera de menor calidad. Del mismo modo, el sonido de un instrumento se ha ido consolidando a lo largo de su historia y se ha asociado a un tipo de material determinado, lo que ha supuesto de alguna forma estandarizar el sonido de cada instrumento. Esta cuestión, sin ser baladí, constituye un factor muy determinante, ya que los músicos son muy reacios a aplicar cambios en su instrumento, tanto en lo que se refiere a digitaciones como al sonido que produce el instrumento.

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Fig. 1 Madera negra africana –Dalbergia melanoxylon

Otro interesante fenómeno que puede tener de forma indirecta relación con el efecto de la calidad del material sobre el sonido y que ha sido estudiado por varios físicos es el acople que puede producirse entre un modo de vibración del tubo y otro de la columna de aire que encierra. En este sentido, diferentes estudios han demostrado que las paredes de un tubo perfectamente cilíndrico no pueden vibrar lo suficiente para radiar sonido en el espacio. De la misma forma que las vibraciones del piano pueden cambiar las frecuencias naturales de los modos de la cuerda, las vibraciones de la pared del tubo también pueden modificar las frecuencias de la columna aérea. Así, si la frecuencia natural de uno de los modos de resonancia de la pared está próxima a uno de los modos de resonancia de la columna es posible el enganche y la consiguiente inestabilidad del tono. En estas condiciones, la presión de amplitud generada en el interior del tubo puede ser lo suficientemente importante como para producir una deformación en la estructura del material y por tanto radiar sonido por las paredes. En este sentido, varios físicos han estudiado este fenómeno de acoplamiento entre el tubo y el fluido interno y han concluido que la amplitud de presión generada en el interior de un tubo cilíndrico no produce una deformación -a no ser que la geometría del tubo se modifique a una forma elíptica o incluso cuadrada- y por tanto el efecto en la radiación de energía por las paredes del tubo es despreciable. Por tanto, no queda bien definida la influencia de este factor sobre la calidad del tono, aunque es evidente que las vibraciones de la pared pueden excitarse por presiones internas ya que, por ejemplo, el tubo del clarinete no es un cilindro ideal.

En resumen, las opiniones son muy variadas en lo relativo a este tema. Mientras los músicos somos conscientes de sutiles cambios en el color sonoro de instrumentos fabricados con materiales diferentes, la mayoría de científicos convienen en que el material de fabricación no tiene efecto perceptible en el timbre del instrumento. En este sentido, el material no puede influir en el sonido de forma notoria en la medida en la que el sonido depende de la radiación de la paredes del tubo, y éstas no vibran lo suficiente como para radiar energía sonora perceptible. El sonido que le llega al oyente está determinado principalmente por la geometría interior del tubo del instrumento, el diseño de los orificios tonales y el efecto de la caña y las resonancias de la cavidad bucal del instrumentista. Paredes de un tubo rígidas y lisas contribuyen a evitar pérdidas de energía por absorción o rozamientos que sí tienen un efecto en el color sonoro que es percibido por el intérprete. Otros factores como el tipo de material y el grosor de la pared pueden en algunos casos tener efectos que pueden ser percibidos subliminalmente por el instrumentista, pues está en contacto físico con el instrumento y es el que mejor oye el sonido irradiado del instrumento, pero es difícil que el oyente perciba alguna variación. Sin olvidar los factores psicológicos, teniendo en cuenta que el sonido es una sensación que se produce en el oyente y que depende de los datos almacenados en su memoria a lo largo de su entrenamiento musical. En definitiva, el rol del material es un tema habitual de debate entre músicos, constructores de instrumentos y científicos y todavía queda mucho por demostrar.

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