Tubos sonoros

«Aquellos que contienen una columna de gas capaz, al ser excitada, de producir un sonido. El cuerpo sonoro es la columna gaseosa y no el tubo que la contiene, siendo su misión definir la forma de la columna y teniendo poca importancia en el complejo sonoro producido» (Calvo-Manzano, 1991). A este grupo pertenece la mayoría de los aerófonos. Dos tipos:

• Tubos abiertos: aquellos que disponen de dos o más orificios (de soplo). Las flautas son tubos abiertos
• Tubos cerrados o semicerrados: disponen de un solo orificio. Los instrumentos de viento madera y viento metal son tubos cerrados

Proceso de reflexión de la onda en un tubo

El movimiento de las partículas gaseosas que vibran dentro del tubo debido a los cambios de presión que producimos en el aire al soplar por la embocadura tiene la misma dirección que el desplazamiento de la onda que se produce. Nos encontramos pues ante ondas estacionarias longitudinales, es decir, ondas que se propagan a lo largo del tubo y se reflejan en los extremos. En el caso de tubos sin orificios digitales, perfectamente cilíndricos y de sección estrecha comparada con la longitud de onda podemos encontrarnos con dos supuestos:

• En los tubos cerrados: los extremos cerrados son siempre nodos
• En los tubos abiertos: la reflexión es más compleja. Cuando el tubo es estrecho en comparación con la longitud de onda se produce un vientre en dicho extremo. Así sucede en los instrumentos musicales.

Debido a la reflexión de las ondas longitudinales en los extremos, en los tubos sonoros se producen ondas estacionarias, como sucede en las cuerdas. La reflexión se produce ligeramente más lejos del final del tubo debido a que la onda, en contacto con la atmósfera, se propaga en todas las direcciones.

Pincha aquí para ver en un Ipad este vídeo sobre ondas estacionarias en tubos sonoros

Pincha aquí para recordar las magnitudes del sonido.

¿Cómo se excita la columna gaseosa de los tubos sonoros?

Por medio de una embocadura se comunica el movimiento vibratorio del elemento vibrante (lengüeta/s, labios, aire… ). Las aberturas situadas a lo largo del tubo (orificios digitales) tienen por objeto el dividir la columna gaseosa en segmentos, de modo que cada una produzca una frecuencia propia. Este proceso es homólogo al que ocurre en las cuerdas cuando son acortadas al apoyar un dedo sobre ellas.

Frecuencia del sonido producido

• En tubos cilíndricos
  1. Tubos abiertos: flautas
     • Sonido fundamental: en el centro del tubo se produce un nodo y en cada extremo un vientre
     • Segundo armónico: en el interior del tubo se producen dos nodos y tres vientres
     • Tercer armónico: en el interior del tubo se producen tres nodos y cuatro vientres
     • Etc.
  2. Tubos cerrados: clarinetes
     • Sonido fundamental: en el extremo cerrado un nodo y un vientre en el abierto
     • Segundo armónico: dos nodos y dos vientres
     • Tercer armónico: tres nodos y tres vientres
     • Etc.

Frecuencias de los primeros parciales en un tubo cilíndrico abierto:

Frecuencia de los primeros parciales en un tubo cilíndrico cerrado:

Ver en Ipad este vídeo sobre la frecuencia de los tres primeros parciales de un tubo cerrado

Debido a que en el extremo cerrado siempre se produce un nodo, los tubos cerrados únicamente pueden producir los armónicos impares.

• En tubos cónicos: 
  1. Tubos cerrados: oboes, fagotes, saxofones, trompas
     • Mientras que en un cilindro las variaciones en la amplitud son constantes, en un cono los cambios en la amplitud son decrecientes, debido al modo en que se propaga el sonido. Por eso cuanto más lejos nos encontramos de la fuente sonora, más débil es la intensidad del sonido y por tanto, menor la amplitud de la onda que nos llega. Para entenderlo, observa este gráfico en donde el cono sería el instrumento musical y la circunferencia la forma de propagación de la onda sonora:
     • Así, los sonidos producidos en un tubo cónico cerrado son equivalentes a los de un tubo cilíndrico abierto, dado que en el extremo abierto se produce casi un nodo. De esta forma la longitud del tubo es muy similar a media longitud de onda, al igual que sucede en los tubos cilíndricos abiertos
     • Ojo: la trompeta es mitad cilíndrica mitad cónica, pero se comporta como un tubo cónico

Flauta vs. clarinete: un tubo abierto vs. uno cerrado

La flauta travesera (un tubo abierto) produce con su fundamental una longitud de onda que equivale a dos veces la longitud del tubo. Si una flauta mide aproximadamente 0’6 metros, la longitud de onda de su sonido fundamental medirá 1’2 metros. En cambio en el clarinete (un tubo cerrado) la longitud de onda de su sonido fundamental equivaldrá a cuatro veces la longitud del tubo. Esto es debido a que en el interior de un tubo de una flauta el sonido fundamental produce media longitud de onda y en el interior del tubo de un clarinete el sonido fundamental produce un cuarto de longitud de onda. Para que se cumpla este hecho que podemos ver en el siguiente cuadro hemos de considerar de forma hipotética que:

• La flauta y el clarinete tengan la misma longitud de 0,6m
• Que ambos sean tubos perfectamente cilíndricos
• Que todos los orificios digitales estén tapados
• Que ambos tengan el mismo taladro

Leyes de Bernoulli (1667-1748)

1. La frecuencia del sonido producido por un tubo, tanto abierto como cerrado, es directamente proporcional a la velocidad de propagación. De ahí que para producir los diferentes armónicos de un tubo haya que aumentar la velocidad de propagación de la onda
2. La frecuencia del sonido producido por un tubo, tanto abierto como cerrado, es inversamente proporcional a la longitud del tubo. A mayor longitud del tubo, la frecuencia es más grave
3. A igualdad de longitud entre un tubo abierto y otro cerrado, el tubo abierto produce un sonido de frecuencia el doble que el cerrado, es decir, el abierto produce un sonido a la octava. Esta circunstancia se aprovecha en los tubos más graves de los órganos para acortar su distancia
4. Los tubos (cilíndricos) abiertos producen la serie completa de armónicos, mientras que los cerrados sólo los armónicos de frecuencia impar de la fundamental. Esto proporciona a los tubos abiertos mayor riqueza sonora que a los cerrados

Un instrumento particular. ¿Cómo lo clasificarías?

Pincha aquí para ver en un Ipad este vídeo sobre un sho