¿Por qué puedo distinguir una flauta de una trompeta?

Question

La historia usual que he escuchado describiendo la diferencia entre una nota de 440 Hz tocada por una flauta y una trompeta es que los sobretonos son diferentes. Es decir, si tocas una nota a 440 Hz, también habrá componentes de Fourier a 880 Hz, 1320 Hz, etc. La diferencia en las amplitudes relativas de esos armónicos superiores constituye la diferencia entre los instrumentos.

Sin embargo, si te metes con un applet de Fourier (como este el primero de una búsqueda en Google), creo que rápidamente te convencerás de que no puedes hacer un sonido como el de una trompeta, una flauta o cualquier otra cosa que no sea una caja electrónica con ella.

¿Cuál es la diferencia esencial entre la fuente de sonido idealizada y la fuente de sonido real?

Answer 1

Hay varias cosas que suceden aquí:

1. El espectro de un instrumento musical es bastante complejo, con contribuciones de un lote de diferentes frecuencias, y tienen que estar equilibradas con bastante precisión para que suene bien. Es poco probable que te tropieces con sólo la combinación correcta de armónicos mientras se juega con un sintetizador como ese applet. Pero si, por ejemplo, estás mirando una tabla de la intensidad relativa de los diferentes picos para un instrumento en particular, entonces sabrías dónde ajustar los deslizadores, y de esa manera puedes acercarte lo suficiente como para ser reconocible. Es más fácil con ciertos instrumentos (flautas y guitarras) que con otros (metales bajos), debido a la relativa complejidad de los espectros.
2. Incluso si consigues que las intensidades relativas de los armónicos sean exactamente correctas, el espectro es mucho más que eso, es decir, las frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia de la nota que se está tocando no son las únicas que importan. Un instrumento real es un sistema complejo con muchos modos resonantes diferentes que pueden excitarse en proporciones variables, y no todos son armónicos. Para conseguir algo que suene mejor que un sintetizador MIDI barato, hay que duplicar todos esos modos. (Hacer esto puede ser muy intensivo desde el punto de vista computacional, y por eso los sintetizadores MIDI baratos no suenan de verdad: sólo reproducen los 6-10 picos más grandes en el espacio de frecuencias)
3. De hecho, ni siquiera es tan sencillo como hablar de un instrumento: también hay que tener en cuenta al músico, el entorno acústico (reverberación, etc.) e incluso la nota que se toca. El mismo instrumento puede tener un espectro ligeramente diferente cuando toca una nota alta frente a una baja, por ejemplo, debido a los modos no armónicos. Nos acostumbramos a escuchar esas diferencias en una interpretación musical. Por eso, cuando se intenta sintetizar una nota sin hacer ajustes basados en la frecuencia absoluta, tiende a sonar mecánica.
4. Y, por supuesto, están las cosas que mencionan las otras respuestas sobre los sutiles ajustes de amplitud y frecuencia que hacen los músicos, intencionadamente o no, mientras tocan. También son efectos que nos acostumbramos a escuchar en las interpretaciones musicales reales, y notamos la diferencia cuando faltan.

Answer 2

Para los instrumentos físicos reales, no es cierto que los armónicos sean múltiplos enteros de la fundamental. Por lo general, se acercan, pero hay ligeras desviaciones. Además, ningún músico toca una nota perfectamente uniforme. Hay pequeñas variaciones aleatorias en el tono y el volumen, y éstas tienen características diferentes en los distintos instrumentos.

Answer 3

Una cosa que aún no se ha señalado (creo), es que el espectro de frecuencias de un instrumento cambia con el tiempo. Así que no sólo importan los sobretonos, sino que también cambian con el tiempo.

Algunos sintetizadores pueden sintetizar sonidos a partir de un espectro de frecuencias y, combinados con otros efectos que cambian el sonido sintetizado de alguna manera (como un filtro de paso bajo que cambia el corte con el tiempo), pueden producir un sonido que se asemeja bastante al instrumento. Sin embargo, hay tantas variables en un instrumento real que es imposible modelarlas todas y, por tanto, el sonido sintetizado sonará ligeramente diferente.

Answer 4

La principal diferencia son las lentas modulaciones de amplitud y frecuencia de los instrumentos naturales, que doblan ligeramente la nota. El instrumento electrónico puede producir estos efectos, por supuesto, pero no son cosas naturales que se encuentren en el espacio de Fourier. Para producir una nota que se desvanece gradualmente, o que se desplaza un poco en la frecuencia, se necesitan elecciones especiales de amplitudes para las frecuencias muy bajas en comparación con el tono fundamental, y no se van a encontrar buscando a ciegas en el espacio de los sobretonos.

Se puede utilizar una grabación del instrumento natural para encontrar una secuencia de sobretonos característica razonable, y esto reproducirá un facsímil reconocible del instrumento la serie de Fourier, pero sonará a madera y a lata sin añadir modulaciones de amplitud y frecuencia.