Instrumentos Musicais

Este artigo é um excerto de The Audio Expert, de Ethan Winer. Você pode ler mais sobre este livro no site de Ethan: http://ethanwiner.com/book.htm

Para instrumentos de arco, como violinos e violoncelos, a qualidade do tom, ou timbre, é afetada pela posição onde o arco é colocado na corda, quão forte é pressionado contra a corda, e quão rápido é puxado sobre a corda. Esses três parâmetros variam o timbre em toda a sua gama de possibilidades. Aqui, timbre descreve os volumes relativos da tonalidade fundamental e suas muitas harmônicas.

Com instrumentos de sopro, a forma dos lábios e da boca, e quão forte você soprar, determinam o timbre. Soprar mais forte cria harmônicos que são mais altos do que quando se sopra com menos força. O mesmo se aplica a instrumentos dedilhados, como a guitarra ou o banjo - tocar a corda com mais força, ou mais perto de uma extremidade, cria um conteúdo harmônico mais forte. O mesmo princípio se aplica a instrumentos acústicos. Quanto mais forte você soprar uma trompete ou oboé, ou bater em um tambor, mais brilhante será o som. Os harmônicos de um tambor também variam em nível dependendo de onde você toca e quão forte. Bater em um tambor perto da borda torna os harmônicos mais altos em relação ao fundamental, em comparação com bater perto do centro. Isso se aplica praticamente a qualquer outra fonte de som acústico que ocorre na natureza.

Muitas pessoas não percebem que aprender a controlar o arco é a parte mais difícil de tocar um violino ou violoncelo. O arco é a voz do instrumento, e tudo o mais é secundário. Com certeza, leva anos para desenvolver o controle motor fino necessário para colocar os dedos exatamente no lugar certo do fingerboard - um erro de apenas alguns milímetros pode deixar uma nota seriamente desafinada. Mas controlar o arco é ainda mais difícil. É semelhante para instrumentos de sopro, como o saxofone e o oboé. Depois de um ou dois anos, um aluno dedicado pode aprender a mapear notas na partitura impressa para os dedos das chaves equivalentes automaticamente, sem pensar. Mas desenvolver o controle de respiração e da boca necessário é muito mais difícil, levando milhares de horas de prática ao longo de muitos anos para realmente dominar.

Tipos de Instrumentos

Existem dois tipos básicos de instrumentos musicais: instrumentos percussivos, onde o som é iniciado uma vez e depois morre por conta própria, como um piano ou um prato, e instrumentos sustentados, onde o músico tem controle contínuo sobre a duração, volume, timbre e vibrato, como um violino ou um trombone. Por exemplo, um violinista pode iniciar uma nota suavemente usando uma velocidade de arco lenta, em seguida, aumentar o volume puxando o arco mais rapidamente, e depois aumentar o brilho da nota movendo o arco mais perto da ponte, finalmente adicionando um vibrato que gradualmente se torna mais rápido. Essas variações ao longo do tempo tornam a música mais expressiva e, portanto, mais interessante de ouvir.

Instrumentos percussivos também podem ser tocados de maneira expressiva e sustentada, como um rolamento em um tambor de caixa ou timbales, onde o tambor é golpeado repetidamente. Um rolamento de tambor também pode mudar a qualidade do tom ao longo do tempo, variando a força com que você atinge o tambor e onde, assim como a velocidade da repetição do rolamento. Da mesma forma, os jogadores de bandolim criam um tremolo sustentado ao tocar a mesma nota rapidamente, para continuar a nota indefinidamente. Mas, para a minha maneira de pensar, os instrumentos se enquadram nessas duas categorias básicas - percussivos e sustentados.

Além de controlar o tom com a técnica de execução, outro fator que afeta o timbre de um instrumento ouvido por um público ou microfone é sua diretividade. Assim como nas caixas de som, as placas de madeira vibrantes de um violino irradiam de maneira mais direcional em altas frequências. Abaixo de cerca de 400 Hz, os violinos irradiam quase omnidirecionalmente, mas a 4 ou 5 kHz praticamente todo o som vai para cima em um feixe estreito, com muito pouca energia enviada para frente. Instrumentos de palheta, como o clarinete e o saxofone, também irradiam em diferentes direções em diferentes frequências, assim como de diferentes partes do instrumento, dependendo de quais chaves são pressionadas. Em uma sala de concerto, todo o espectro sonoro chega ao público em grande parte através de reflexões da parede de fundo do palco, dos músicos, e do teto curvado e das paredes laterais anguladas.

Os capítulos anteriores explicaram que um analisador FFT pode exibir a quantidade de energia em diferentes frequências em uma gravação, e essa ferramenta também pode analisar a saída de instrumentos musicais. Compreender o espectro de instrumentos ajuda a ser um melhor programador de sintetizador, engenheiro de mixagem, arranjador de orquestra ou apenas um ouvinte mais conhecedor e apreciativo. Por exemplo, um baixo elétrico muitas vezes tem menos energia na frequência fundamental do que nas primeiras harmônicas, dependendo de onde ao longo de seu comprimento a corda é dedilhada. Grande parte da plenitude dos instrumentos baixos é determinada pelo nível da segunda harmônica, portanto, realçá-la com EQ pode fazer uma mixagem soar sólida sem depender de frequências muito baixas que são difíceis para muitos alto-falantes reproduzirem em volumes altos.

A Figura 1 mostra o espectro do meu baixo elétrico Fender Precision tocando uma nota A baixa, quando dedilhado com um dedo diretamente sobre o captador. Você pode ver que os componentes de segunda e terceira harmônicas são mais altos do que o fundamental. No entanto, dedilhar a corda mais longe da ponte, mais perto do centro da corda, cria um tom mais suave, com mais fundamental e harmônicos mais suaves. Dedilhar uma corda com menos força também reduz o conteúdo harmônico.

Figura 1: Dependendo de onde você dedilha uma corda e quão forte, a frequência fundamental pode ser mais suave do que algumas das harmônicas. Esta FFT mostra o espectro de uma nota A baixa em um Fender Precision Bass quando dedilhada com um dedo, sem EQ aplicada. Você pode ver que a segunda harmônica a 110 Hz é cerca de 7 dB mais alta do que o fundamental a 55 Hz, e a terceira harmônica a 165 Hz é cerca de 3 dB mais alta do que a segunda harmônica.

A Figura 2 mostra uma FFT da mesma nota A baixa gravada de um piano de cauda Yamaha. Novamente, o fundamental é mais suave do que a segunda harmônica, que por sua vez é mais suave do que a terceira harmônica. No entanto, um piano soa mais brilhante do que um baixo elétrico tocado com dedos (em contraste com uma palheta), e isso se reflete nas harmônicas mais altas caindo em nível muito menos rapidamente do que um baixo elétrico.

Figura 2: Notas baixas em um piano muitas vezes têm menos energia na tonalidade fundamental do que nas primeiras harmônicas, embora as harmônicas mais altas caiam menos rapidamente do que em um baixo elétrico.

A Série Harmônica está Desafinada

Cordas vibrantes em um violino ou guitarra, e ar vibrante em instrumentos de sopro e metais, criam harmônicos, também chamados de overtones, que seguem uma série matemática específica. A frequência mais baixa é a fundamental, e cada harmônica é um múltiplo inteiro daquela frequência. Harmônicos de ondas estáticas, como dente de serra e pulso, também seguem a mesma série. A Tabela 1 mostra a série harmônica de uma nota A baixa cuja tonalidade fundamental é 55 Hz, e cada harmônica é 55 Hz mais alta do que a anterior.

Tabela 1: A série harmônica da maioria dos instrumentos musicais segue essa mesma sequência básica, tornando-se desafinada em algumas frequências mais altas. Esta tabela mostra as primeiras 15 frequências produzidas por uma nota A baixa, e você pode ver que a tonalidade da quinta harmônica está fora por quase um por cento. Na 11ª harmônica, que pode ser audível em um instrumento com som brilhante tocando uma nota baixa, a frequência está deslocada em três por cento. A distância musical entre duas notas adjacentes é de cerca de seis por cento, então três por cento está seriamente desafinado!

Os harmônicos geralmente se tornam mais suaves à medida que aumentam de altura, então uma única nota não soa necessariamente desafinada consigo mesma. Mesmo que a 11ª harmônica esteja desviada em três por cento, o que representa metade de um intervalo musical é muito, nesta configuração particular de piano e microfone, está 11 dB mais suave do que o fundamental. Também está parcialmente mascarada por todos os outros harmônicos que estão afinados.

As notas fundamentais disponíveis em instrumentos de metais também seguem a série harmônica mostrada na Tabela 1. Considere o clarim, que é semelhante a uma trompete, mas não possui válvulas para variar o comprimento do tubo. Clarins podem tocar apenas notas na série harmônica, que o músico seleciona ajustando a forma de sua boca e lábios, coletivamente conhecidos como embouchure. Existem muitos “standards” bem conhecidos na literatura do clarim, como Taps e Reveille. Todas as melodias de clarim contêm somente a mesma gama limitada de notas - basicamente os tons de acorde de uma tonalidade maior. À medida que um clarim toca notas mais altas, as frequências fundamentais estão intrinsecamente desafinadas, exigindo que o músico ajuste sua embouchure e sopre mais forte ou mais fraco para forçar a tonalidade correta. Quando um músico ajusta a tonalidade de uma nota dessa forma, diz-se que ele está 'lipando' a nota.

Como uma observação, uma única nota tocada em uma guitarra pode soar desafinada se as cordas estiverem velhas. As cordas muitas vezes se esticam de maneira não uniforme, criando uma ou mais partes mais finas. Dependendo de onde essas partes finas ocorrem ao longo do comprimento da corda, alguns dos harmônicos mais baixos proeminentes podem soar desafinados em relação ao fundamental. É muito difícil afinar uma guitarra com cordas velhas!

Como usado aqui, o termo “harmônico” refere-se à série de overtones naturais de uma corda vibrante, ou à coluna de ar vibrante em um instrumento de sopro. Outro tipo de harmônico é criado artificialmente com instrumentos de corda, colocando um dedo levemente na corda em locais específicos enquanto dedilha ou arco. Tocar uma corda levemente em um ponto a meio caminho ao longo de seu comprimento cria uma nota uma oitava mais alta do que a corda aberta. Pressionar a corda com força contra o fingerboard cria uma nota com os overtones usuais, mas esse tipo de harmônico está mais próximo de uma onda senoidal pura. Outros locais ao longo do braço fazem o mesmo - locais comuns são 1/3 e 1/4 do comprimento, mas outras divisões inteiras também funcionam. Na verdade, fazer isso a 1/7 do comprimento do braço cria a mesma 7ª musical desafinada (mais duas oitavas) que o overtone que ocorre naturalmente dentro de uma única nota.

Temperamento Igual

Temperamento igual é um método de afinação que usa um intervalo fixo entre notas adjacentes, em vez de seguir a série harmônica que ocorre naturalmente. O temperamento igual divide uma oitava em doze intervalos igualmente espaçados, chamados de semitons musicais. A proporção exata entre qualquer nota e a próxima nota mais alta é 1.0595 para 1, onde 1.0595 é a 12ª raiz de 2. Os trastes em um braço de guitarra estão organizados nessa proporção, e todos os medidores de afinação de instrumentos modernos usam esse método para mostrar se a tonalidade está muito alta ou muito baixa.

Centenas de anos atrás, os instrumentos de metais não tinham válvulas. Assim como um clarim, os primeiros trompetes e trompas podiam produzir apenas um número limitado de notas específicas. Mesmo que uma trompa F sem válvulas possa tocar um Dó alto, essa nota está desafinada, tornando a trompa inadequada para tocar música na tonalidade de Dó. Assim, os músicos tinham que ter vários instrumentos, cada um projetado para tocar em uma tonalidade diferente, ou inseririam curvas substituíveis - seções curtas de tubo - para variar o comprimento geral da tubulação. Trocar as curvas durante uma apresentação leva tempo, então válvulas foram adicionadas a trompetes e trompas francesas por volta de 1815. Isso também permitiu que os músicos tocassem notas na escala temperada igual, em vez de apenas notas na série harmônica.

O conceito de temperamento igual remonta a milhares de anos, mas J.S. Bach o defendeu e tornou-o uma realidade moderna. Seu The Well-Tempered Clavier de 1722 é uma série de 24 peças - uma em cada tonalidade maior e menor - escritas para os instrumentos de teclado de sua época. Isso teve um grande impacto musical, assim como técnico, porque permitiu que composições musicais modulassem para tonalidades distantes, sem que alguns instrumentos soassem desafinados.

Outro método de afinação chamado entonação justa afina as quintas para frequências harmônicas exatas. Nesse caso, a nota E mais baixa na Tabela 1 seria afinada para 165 Hz em vez de 164,8 Hz. Músicos de corda muitas vezes afinam seus instrumentos dessa forma tocando cordas abertas adjacentes enquanto ouvem por tons de batida - uma ondulação lenta de volume à medida que duas notas se aproximam de um uníssono perfeito. Você toca ambas as notas ao mesmo tempo e ajusta a afinação de uma até que a pulsação diminua até parar. Não há diferença entre tocar duas notas ao mesmo tempo com ligeiramente diferentes alturas, ou uma nota que é modulada em amplitude por um efeito de tremolo lento. O som resultante, a forma de onda e o espectro são idênticos.

Outra técnica de afinação usa harmônicos para alcançar um uníssono perfeito. Tocar uma corda A de guitarra levemente no sétimo traste cria uma nota E uma oitava e meia mais alta do que a corda aberta. Tocar levemente a corda E abaixo da A em seu quinto traste cria a mesma nota E. Assim, você pode tocar ambos os harmônicos, um após o outro, permitindo que ambos continuem a soar, e afinar qualquer uma das cordas até que a pulsação desacelere até parar. A afinação via harmônicos é especialmente útil para baixos, porque nossa percepção de altura é ruim em frequências baixas.

Muitos músicos tocam intencionalmente notas ligeiramente agudas ou flat para expressão ou efeito. Se não for durante toda a duração da nota, eles podem deslizar para uma nota de um tom mais baixo. Tocar uma nota ligeiramente flat pode projetar um sentido de calma, e tocar ligeiramente agudo adiciona tensão. Novamente, estou falando sobre quantidades extremamente pequenas, na ordem de cinco ou dez cents - 1/100 de um semitom musical. Tocar desafinado intencionalmente é fácil com instrumentos sem trastes, como violino ou violoncelo, e os músicos de instrumentos de sopro fazem isso variando sua embouchure. Os guitarristas alteram a altura em grandes ou pequenas quantidades ao curvar as cordas, que é uma das razões pelas quais suas cordas podem se esticar de maneira não uniforme, conforme mencionado anteriormente. Os músicos também podem tocar ligeiramente atrás do ritmo, ou um pouco à frente - digamos, 10 a 30 milissegundos - para adicionar uma sensação de calma ou tensão.

Instrumentos “Caixa de Madeira”

Assim como em salas de audição, instrumentos feitos de uma “caixa” de madeira oca de algum tipo também têm modos ressonantes cujas frequências estão relacionadas às dimensões da caixa. Para evitar que as ressonâncias modais façam algumas notas muito mais altas que outras, violinos, guitarras e outros instrumentos de caixa de madeira são projetados com uma forma curva irregular. Esses instrumentos ainda têm modos, mas as curvas contínuas ao longo das laterais minimizam o acúmulo forte em frequências únicas e seus múltiplos.

Assim como em salas, quando um modo ressonante está próximo, mas não exatamente a uma frequência sendo tocada, o resultado é uma frequência de batida desafinada causada pela diferença de frequência. Isso produz um efeito conhecido como tom lobo, e é mais proeminente em violoncelos e baixos acústicos do que em instrumentos de caixa de madeira menores. Em muitos violoncelos, uma ressonância forte ocorre em algum lugar entre o E a 164,8 Hz e o F# a 185 Hz. Se a ressonância está ou não exatamente afinada com uma frequência de nota padrão, essa nota soará mais alta do que as outras e será mais difícil para o músico controlar com o arco. Mesmo violoncelos muito bons podem ter tons lobos, e vários dispositivos que se conectam ao corpo do violoncelo ou a uma corda baixa estão disponíveis para reduzir o efeito.

Os instrumentos de caixa de madeira também têm um ou mais buracos na placa frontal para permitir que frequências mais baixas escapem. As violas acústicas típicas têm um único buraco redondo com cerca de quatro polegadas de diâmetro, e os instrumentos da família do violino têm dois buracos em forma de 'f' minúscula itálica, adequadamente chamados de buracos F. Todos os instrumentos de caixa de madeira criam som usando o mesmo princípio básico que o violoncelo mostrado na Figura 3. Quatro ou mais cordas são esticadas firmemente acima do fingerboard, com ambas as extremidades ancoradas firmemente pelos pinos de afinação e pela peça de cauda. O comprimento vibrante ativo das cordas é entre o nut em uma extremidade, perto dos pinos de afinação, e a ponte que repousa no corpo. Estes também mantêm as cordas em posição lateralmente. Os mesmos nomes são usados para peças relacionadas em violões e banjos, embora nesses instrumentos a ponte e a peça de cauda sejam uma única unidade chamada sela. O abafador de violoncelos mostrado aqui é um pequeno bloco de borracha que é colocado na ponte para amortecer parcialmente sua vibração.