El Clarinete y su acústica

El clarinete es el único instrumento de la familia de las maderas que se comporta acústicamente de forma diferente al resto de sus homólogos, lo que constituye su particular excelencia que lo convierte en el instrumento más interesante desde el punto de vista acústico. Aunque el modelo actual se ha desarrollado empíricamente, en los últimos años las nuevas tecnologías y los innovadores medios que aporta la física han incentivado la investigación científica sobre la acústica del clarinete por parte del músico y el físico, lo que ha contribuido a avanzar significativamente en este campo. Estos trabajos se centran en el diseño de un clarinete ideal mediante la acústica lineal. Sin embargo, la descripción lineal es muy útil para predecir la afinación en niveles sonoros bajos, pero no es tan eficaz para niveles sonoros altos debido a la no linealidad que el sistema ofrece. El objetivo principal de estas investigaciones científicas se centra en encontrar un método para calcular las posiciones idóneas y el tamaño de los orificios tonales que deben dar las frecuencias armónicas, así como diseñar mecanismos que eviten ciertas disfunciones acústicas, lo que se consigue parcialmente.

Aunque el tubo del clarinete está considerado un cilindro cerrado en términos puramente acústicos, la cavidad de la boquilla en el extremo de la caña, el hueco que dejan los orificios tapados por los dedos, las zonas ampliadas en algunas regiones del tubo y la campana, introducen cambios que desvían la simetría de un cilindro. Como tal, el clarinete solo emite las resonancias que siguen los armónicos impares de una serie armónica, si bien algunos componentes pares también participan de la vibración, generados por el efecto de la lengüeta, las resonancias del tracto vocal y las zonas ampliadas del tubo. Sin embargo, estos armónicos no pueden ser utilizados como notas de la escala, pero tiene una especial contribución en la calidad tonal del instrumento. Este particular funcionamiento le reporta ciertas ventajas en relación con sus homólogos de la orquesta, tales como un amplio rango tonal o unas mayores posibilidades sonoras. En su contra, sin embargo, presenta ciertas anomalías en algunos tonos y marcadas diferencias tímbricas entre sus registros que, lejos de resultar una minusvalía acústica, constituyen su particular excelencia.

El clarinete constituye un sistema acústico cuyas partes integrantes funcionan cooperativamente para generar el sonido del instrumento. El proceso sonoro se inicia con el soplo del instrumentista, el cual suministra una presión por encima de la presión atmosférica. La sucesiva y periódica apertura de la caña transforma el flujo continuo en oscilaciones periódicas que comienzan su viaje en el interior del tubo. Las reflexiones en el extremo abierto como consecuencia de las diferentes impedancias entre ambos medios –el interno y el externo- devuelven los pulsos de onda al tubo para viajar en sentido contrario. Este proceso se repite dos veces a causa de la obturación de la caña en ese extremo. Cumplidos los cuatro trayectos en el interior del tubo, el establecimiento del régimen de oscilación dependerá del enganche entre los armónicos de la caña y del tubo, lo cual se verificará más fácilmente cuanto más resonancias estén presentes en la vibración del tubo y mejor relacionadas armónicamente se hallen. En este proceso, las resonancias del tubo imponen la frecuencia, salvo cuando un imponderable aborta el proceso y la resonancia de la caña se convierte en la frecuencia emitida, a saber, el impertinente e inoportuno pitido de la caña.

Las frecuencias de resonancia del tubo dependen de la geometría del mismo. En este sentido, hay ciertos principios físicos que se deben considerar. En los extremos cerrados siempre se configura un vientre de presión,  dado que constituye el punto de excitación y ahí la presión acústica y la impedancia es alta. Por su parte, en el extremo abierto siempre se forma un nodo de presión, dado que en ese punto la presión acústica interna conecta con la externa, y por lo tanto se sitúa cerca de la presión atmosférica.

El principio descrito permite explicar una de las particularidades acústicas del clarinete que tiene que ver con sus modos de resonancia o armónicos. A diferencia de la flauta que utiliza un cilindro abierto y que por tanto la onda estacionaria resultante proporciona un nodo de presión en cada extremo, el tubo cerrado del clarinete presenta una onda estacionaria asimétrica con un vientre de presión en el extremo cerrado y un nodo de presión en el extremo abierto. Por tanto, su vibración fundamental no puede subdividirse en mitades pares, sino en segmentos impares con frecuencias que siguen, por consiguiente, los números impares de una serie armónica: por ejemplo, 100 Hz, 300 Hz, 500 Hz, etc. Sin embargo, en la práctica este especial comportamiento del clarinete suele inducir a error en el músico, dado que su sistema acústico también produce ciertos armónicos pares de baja intensidad, como se ha dicho anteriormente, que configuran su particular timbre.

La otra particularidad acústica relacionada con el uso de un cilindro cerrado afecta a las frecuencias de sus resonancias armónicas, dado que, a diferencia del cilindro abierto o el cono donde las ondas viajeras recorren dos longitudes de tubo para completar un ciclo en el modo fundamental, en el cilindro cerrado las ondas viajeras recorren cuatro veces el tubo. De este modo, su longitud de onda constituye el doble en relación con la de la flauta y el oboe y, dado que ésta es inversamente proporcional a la frecuencia y que el doble constituye la octava de acuerdo con la serie armónica, los cilindros abiertos y los conos emiten su fundamental a la octava respecto de los cilindros cerrados. En otras palabras, el tubo abierto requiere el doble de longitud que el cerrado para tocar la misma fundamental.

La calidad tonal del clarinete está sometida a diversos factores que derivan de su condición de octaveador a la doceava -debido a la utilización de un tubo cilíndrico cerrado-, del uso de un solo orificio de registro y de su principio acústico de vibración de las columnas aéreas. El orificio de registro debe proporcionar las doceavas y funcionar también como orificio tonal para el Sib3. Por esta razón, debe encontrase un compromiso para diseñar su diámetro, dado que si se amplía se mejora el Sib3 pero se desafinan las doceavas de los extremos del tubo, además de comprometer su funcionamiento como orificio de registro. La solución de este problema ha sido abordada en varios modelos separando ambas funciones con dos llaves independientes.

Las desviaciones del modelo ideal pueden ser corregidas relativamente en forma de ampliaciones en el tubo y retoques en el diámetro, el espaciado y la profundidad de los orificios –en forma de retoques en el diámetro y su profundidad-. Ahora bien, cualquier retoque tiene un efecto diferente en cada uno de los modos resonantes, por lo que debe buscarse un compromiso que satisfaga las necesidades del músico, aspecto que conocen muy bien los mecánicos. Así, el ajuste de las frecuencias en un instrumento de viento-madera depende en gran medida de las alteraciones que puedan efectuarse en su tubo, dado que de esta forma se modificará la cantidad de masa móvil en el sistema y, por tanto, la vibración de la columna de aire. Se sabe, en este sentido, que un aumento local de masa en un sistema vibrante siempre baja sus frecuencias, mientras que una reducción las sube. Sin embargo, el efecto puede divergir en función de si esta alteración se sitúa en un vientre o en un nodo de presión, lo que explica que el efecto de la alteración será diferente para cada uno de los modos resonantes debido a que las zonas de presión se constituyen en puntos diferentes para cada armónico.

El otro método para ajustar las relaciones de frecuencia entre los diferentes modos y por tanto afinar el insrumento, consiste en rebajar el diámetro del orificio tonal en el punto de unión con el taladro del instrumento, lo que se conoce como fraising. Este procedimiento reduce la turbulencia del aire en la cavidad del orificio y contribuye a mejorar la afinación. De esta forma, es posible aumentar la sonoridad, mejorar el timbre, realizar ajustes de afinación o cambiar el intervalo entre los diferentes registros. No obstante, este método no está exento de ciertos efectos colaterales que pueden desequilibrar la balanza cromática. Efectivamente ampliando un orificio, la frecuencia del modo fundamental se sube ligeramente dado que la onda se refleja antes en un orificio más grande que en uno pequeño.

Finalmente, no hay que olvidar que la capacidad del músico para modificar la afinación y el timbre con las resonancias del tracto vocal y las digitaciones auxiliares deviene, por tanto, en un factor esencial para obtener una óptima calidad tonal. Natural, para eso ha sido entrenado y esa es su principal función, ejecutar e interpretar sonidos afinados y con un timbre homogéneo. En definitiva, el músico convierte la física del sonido en arte, qué paradoja!

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