Por que instrumentos musicais diferentes produzem sons diferentes?

A música é uma parte essencial de nossas vidas; para alguns, é uma forma de entretenimento e, para outros, é uma fuga amada.É e tem sido um aspecto integrante não apenas das culturas individuais, mas de nações inteiras e da humanidade como um todo. Usamos a música para organizar nossa sociedade, celebrar nossos festivais, expressar amor e nos preparar para a guerra, entre muitas outras coisas.Ao longo dos anos, vimos uma evolução da música e seus vários gêneros, impulsionados por artistas que lançam um single ou um álbum de músicas.

Uma música é produzida misturando diferentes instrumentos e vocais, criando novos sons a partir dela. No entanto, você já se perguntou por que cada instrumento soa tão diferente? Por que um tambor soa duro e profundo, mas uma flauta soa tão fluida e arejada? Por que um piano soa suave, comparado a uma guitarra elétrica com seu som sujo e sujo?

O que dá aos instrumentos seus sons únicos? (Crédito da foto: Anna_Kuzmina / Shutterstock)

Para entender por que instrumentos diferentes produzem sons diferentes, primeiro precisamos entender a física da música.

O que é som?

O som é uma onda criada quando um objeto vibra. A vibração do objeto é transferida através do deslocamento das partículas no meio em particular. Quando ouvimos algo, a onda sonora é transferida do objeto em vibração e atinge nosso tímpano, que é entãoprocessado pelo cérebro como a percepção do som.

Ondas sonoras viajando no ar, atingindo o tímpano

A qualidade do som ouvido depende das propriedades físicas da onda sonora. Essas propriedades físicas são caracterizadas da seguinte forma:

Comprimento de onda

Uma onda viaja em intervalos de cristas e vales correspondentes. Um comprimento de onda é considerado a conclusão de um ciclo dessa crista e vale.

Comprimento de onda (Crédito da foto: udaix / Shutterstock)

O que deve ser observado aqui é que as próprias partículas não viajam pelo meio, mas deslocam a partícula adjacente; é assim que uma onda viaja. Semelhante à onda formada quando uma corda solta é puxada, as cordas da corda não viajam, mas deslocam as partículas adjacentes, formando uma onda fazendo essencialmente um movimento de vaivém.

Movimento para a frente e para trás da onda.

Frequência

O número de vezes que as ondas vão e voltam em um segundo é a frequência desse som. Assim, Frequência = Ciclos completos de ondas / Unidade de tempo. Sua unidade de medida é Hertz, o que significa que uma frequência de 1 Hz é igual a 1 movimento de vaivém em 1 segundo.

A frequência do som determina seu tom, que é o quão alto ou baixo o som é. Uma frequência maior e um som mais agudo seriam arranhar as unhas em um quadro-negro. Uma frequência menor e um som grave seria um bumbo profundo.

O ouvido humano detecta uma quantidade limitada de frequências. Na extremidade inferior, o mais profundo que podemos ouvir é20 Hze na extremidade superior, podemos ouvir até20000 Hz.

Amplitude

Amplitude é a altura da onda. A altura determina a intensidade do som. Uma amplitude maior resulta em um som mais alto. O centro da onda é considerado a posição de repouso da onda. A medição da amplitude é feita do centro para as extremidades superior e inferior da crista e da calha, respectivamente.

Notas

Você provavelmente já viu as teclas de um piano em algum momento de sua vida. Cada tecla corresponde a uma nota. As teclas estão dispostas em pares de 7 teclas brancas e 5 teclas pretas. Cada tecla produz um som único porque o som que sai dela vibra em uma frequência específica. As doze teclas são organizadas de C a A. Juntas, cada conjunto de 12 é chamado de oitava.

Notas e oitavas em um piano. (Crédito da foto: Toponium / Shutterstock)

C1 vibra a 32,70 Hz e A1 vibra a 55,00 Hz. Essas notas são organizadas em ordem crescente de frequência. Portanto, C1 a A1 se torna uma oitava. Essas oitavas também continuam subindo em ordem, C2 a A2, C3 a A3 e assim por diante.

Essas notações musicais são universais para todos os instrumentos. O A4 tocado no piano é a mesma frequência que o A4 tocado no violão. No entanto, se isso for verdade, por que eles emitem sons diferentes?

O que dá aos instrumentos seu som particular?

Overtones e harmônicos

A proposição parece intuitiva, que uma nota com a mesma frequência deve soar a mesma em todos os instrumentos, mas há muito mais acontecendo nos bastidores.

Quando tocamos a corda de um violão na nota A3 (110 Hz), o som queouvimosnão é feito de apenas uma frequência. O som contém frequências ocultas abaixo da frequência base (A3).

Várias camadas de ondas em um som, cada uma delas exclusiva do instrumento.

Portanto, a corda vibra uma vez a 110 Hz, vibra duas vezes a 220 Hz e três vezes a 330 Hz. Isso está acontecendo simultaneamente, então todos eles se juntam para dar à guitarra seu som único.

Strings fazem ondas complexas

Estes passos de frequências são harmónicos, por isso torna-se 220 Hz a 1rBifónico e 330 Hz torna-se o 2ndBifónico. Isso pode acontecer infinitamente. O movimento da corda se torna muito complexo quando observado na realidade devido a essa interação de ondas. Somos incapazes de diferenciar entre as muitas conotações, pois parece ser um som, mesmo que seja realmente a soma de tantas.

(Crédito da foto: Fouad A. Saad / Shutterstock)

Embora possamosouvirmuitas frequências juntas, ao todo, a corda vibra apenas 110 vezes por segundo. Isso acontece porque, quando a frequência fundamental completa um ciclo completo, o1ºtom harmônico completa dois ciclos e o terceiro completa três ciclos. Assim, todo o padrão vibra na frequência fundamental de 110 Hz, que é tornada mais complexa pelas frequências adicionadas.

As frequências adicionais são números inteiros da frequência fundamental. Esses números inteiros são chamados de harmônicos. Em uma série harmônica, a próxima frequência é sempre um múltiplo da frequência fundamental. Se a frequência base fosse 110 Hz, o próximo seria (2 × 110 = 220), (3 × 110 = 330) e assim por diante.

Harmônicos – Inteiros da frequência fundamental. (Crédito da foto: Fouad A. Saad / Shutterstock)

Os sobretons correspondem a harmônicos, mas às vezes os sobretons não são números inteiros da frequência fundamental, que é onde os dois termos se afastam.

Conquistas e harmônicos são uma das razões pelas quais uma guitarra soa diferente do piano, porque possuem cordas de diferentes comprimentos, produzindo frequências diferentes.

Timbre

Nossos ouvidos são muito bons em perceber sons diferentes. Uma maneira de fazer isso é através do “timbre” do som. Timbre é a qualidade tonal ou a cor tonal do som. O timbre do som é determinado pelos tons e harmônicos que o som produz.

O timbre diferente de diferentes instrumentos. (Crédito da foto: Vecton / Shutterstock)

A mudança de amplitude e afinação em cada harmônica fornece aos instrumentos seu timbre particular. Essa “qualidade” do som é tanto um fenômeno perceptivo quanto físico. As pessoas podem diferenciar entre duas fontes sonoras devido às capacidades perceptivas do ouvido.

As características físicas do som que determinam seu timbre são espectro e envelope. Um espectrograma exibe as várias frequências de um som em uma forma visual. O envelope descreve como um som muda ao longo do tempo, tanto em amplitude quanto em tom.

Espectrograma mostrando a ‘cor’ do som

Material

O material dos instrumentos também é uma das principais razões para seus sons diferenciados, pois afeta diretamente o timbre de um instrumento.

Diferentes materiais também têm densidades diferentes, o que afeta a velocidade do som. Alguns materiais são muito reflexivos, o que adiciona mais camadas ao som.

Velocidade do som em diferentes materiais (Crédito da foto: Fouad A. Saad / Shutterstock)

As vibrações dos materiais também são um fator a considerar. O metal vibra de maneira diferente do plástico, proporcionando um som mais rico e nítido.

Em conclusão

O som é uma das forças fundamentais da natureza, uma parte importante da experiência humana. A diferenciação de sons diferentes nos ajudou a sobreviver, permitindo-nos comunicar uns com os outros em momentos de perigo. Também nos ajudou a nos conectar com os outros, ajudando-nos a expressar o intangível.

Overtones, harmônicos, timbre e materiais diferenciam sons e conferem aos instrumentos sua qualidade única. Graças a Deus por isso! Como seria este mundo sem graça se todos os instrumentos soassem iguais?

Referências:

1. Universidade de Toronto
2. Universidade Tecnológica de Michigan
3. Georgia State University
4. Instituto de Tecnologia de Illinois