¿Como se produce la Música?

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¿Como se produce la Música?

La Música y las Matemáticas
Los sonidos musicales son producidos por algunos procesos físicos que tienen un carácter periódico - una cuerda vibrando, el aire en el interior de un instrumento de viento, etc. Aun siendo muy diferentes entre ellos, estos procesos pueden ser descritos con un mismo modelo matemático. La característica más fundamental de esos sonidos es su "altura" o frecuencia. Imaginémonos una cuerda que al ser tocada vibra, dando oscilaciones en las proximidades de su posición de reposo o equilibrio. Cuanto más oscilaciones da en un período de tiempo, más alta será la frecuencia del sonido producido, y más aguda o "alta" será la nota musical resultante. La magnitud de la frecuencia se mide en Hertz (Hz), que es simplemente el número de oscilaciones o ciclos por segundo. En la música, las frecuencias absolutas no son tan importantes, como sí lo son las relaciones de frecuencia entre diferentes sonidos, las cuales denominaremos intervalos o distancias. Una melodía puede ser tocada con instrumentos de sonido grave o agudo, o en diferentes "octavas", sin dejar de ser la misma melodía, siempre y cuando las distancias entre las notas sean preservadas.
Se puede definir un etalón, o sea, una nota estándard, de la cual podemos derivar todas las otras notas. La distancia musical que separa alguna nota de la del etalón, la denominaremos escala (pitch en inglés). El oído humano es un "instrumento" muy sensible, y en ciertas condiciones es capaz de percibir sonidos en el rango de 20 Hz hasta 20,000 Hz, aúnque el diapasón musical es significativamente menor - hasta unos 4,500 Hz. Los sonidos más agudos, aunque son audibles, se escuchan como ruidos, silbatos o timbres brillantes de los sonidos musicales. Dentro de ese diapasón, el oído puede distinguir los sonidos cuyas frecuencias difieren en un solo Hertz. Podríamos suponer que la música debería contar con unas 4,000 notas... Pero en realidad, las 88 teclas del piano es casi todo lo que tenemos.
El siguiente esquema muestra un fragmento del teclado de piano, a cada tecla le corresponde una nota musical. La última columna indica la frecuencia correspondiente (en Hertz):

En este esquema se puede ver que las teclas forman grupos de 12 (7 blancas y 5 negras), y estos grupos se repiten de izquierda a derecha. Cada octava tecla blanca cierra un grupo y abre el otro, y por eso la distancia musical entre esas teclas se llama octava (normalmente se llama octava también el mismo grupo de 12 teclas), y su escala es igual a 2:1 - esto es, la frecuencia de la misma nota de siguiente octava es el doble, y la de octava anterior es la mitad. La distancia de dos octavas le corresponde a la relación de frecuencias de 4:1, tres octavas - 8:1 etc.: para sumar distancias tenemos que multiplicar las relaciones de frecuencias. La nota "La" (o "A") es la nota de etalón - su frecuencia es 440 Hz.

Dentro de cada octava, pareciera que las frecuencias de las notas son esporádicas y no siguen ninguna regla... En realidad existe un sistema bien definido. En adelante trataremos de explicar con más detalle este sistema.

Escala natural

El oído humano tiene una "construcción" tal, que los sonidos cuyas frecuencias están en la proporción simple (2/1, 3/2, 4/3 etc), suenan juntos de una manera agradable. Por otro lado, casi todos los procesos físicos que producen sonidos, además de la frecuencia principal (o el tono básico) producen también "armónicas", es decir, las frecuencias que son dos, tres, cuatro -una cantidad entera- veces más altas. El conjunto de las armónicas constituye el timbre que es único para cada instrumento musical.
Escogeremos como base la frecuencia de 55 Hertz (esta frecuencia es absolutamente arbitraria, la única razón es que nos lleve a la frecuencia 440 Hertz que es un etalón musical contemporáneo) y vamos a multiplicarla por 2, 3, 4, etc. Obtendremos la siguiente serie:
55; 110, 165; 220, 275, 330, 385; 440, 495, 550, 605, 660, 715, 770, 825; 880
Colocaremos estas frecuencias en sus octavas correspondientes, y arreglaremos la serie en forma de una tabla: 

Octava 1	55
Octava 2	110				165
Octava 3	220		275		330		385
Octava 4	440	495	550	605	660	715	770	825
Octava 5	880
	A	B	C	D	E	F	G	H

Observamos que la segunda octava tiene dos notas, la tercera - cuatro, y la cuarta - ocho, eso es, ¡una octava completa natural! Ahora vamos a calcular las distancias entre las notas: 

440

8:9

495

9:10

550

10:11

605

11:12

660

12:13

715

13:14

770

14:15

825

15:16

880

A4

B4

C5

D5

E5

F5

G5

H5

A5

1:1

9:8

5:4

11:8

3:2

13:8

7:4

15:8

2:1

En las celdas superiores intermedias se indica las distancias entre las frecuencias vecinas, y en las celdas inferiores, las distancias con respeto a la frecuencia principal, que en nuestro ejemplo es 440 Hz. La numeración de octavas (4-a o 5-a) corresponde al estándard contemporáneo.
El producto de todas las relaciones intermedias es igual a 2, esto es, a una octava. La serie ordenada de esta manera se conoce como escala. La escala que acabamos de construir se conoce como escala natural.
La distancia musical entre la nota principal y la segunda armónica es 2/1 - una octava. La distancia musical entre la segunda y la tercera armónica en la música se llama quinta, le corresponde la relacion de frecuencias 3/2. En nuestra escala es la distancia entre las notas A4 y E5. La distancia entre la 3-a y 4-a armónica es cuarta -con la relación 4/3-, como entre las notas E5 y A5. Estos son distancias o intervalos fundamentales en la música.

Escala pentatónica

Los músicos antiguos, que no tenían el concepto de escala natural, intuitivamente ajustaban (afinaban) las cuerdas (o en el caso de instrumentos de viento, adecuaban su longitud y grosor, distancia entre agujeros, etc.) de manera que produzcan un sonido lo más agradable posible para el oído humano.
Dentro de una octava, la combinación de sonidos más pura es la quinta, es decir, el intervalo musical entre dos notas cuyas frecuencias se relacionan como 3:2. (En nuestro ejemplo, estas notas son A y E.) Al escoger como la base la nota A4, iremos dos quintas arriba y abajo, tenemos la siguiente serie de 5 sonidos:
195.5556, 293.3333, 440, 660, 990
Estas frecuencias están más cerca de las notas: G3, D4, A4, E5 y B5. Vamos a transportarlas a la misma octava (multiplicando o dividiendo por 2 cuando es necesario) y calcular distancias entre las notas, tenemos:  

293.33	8:9	330.00	27:32	391.11	8:9	440.00	8:9	495.00	27:32	586.67
D4		E4		G4		A4		B4		D5

La distancia de 9/8 se llama tono (T). La distancia de 32/27 es igual a 1.5 tonos (TS). Esta serie de cinco intervalos musicales: T-TS-T-T-TS se llama escala pentatónica, y el sistema musical en que se usa esta escala, se llama pentafonía.
La pentafonía se usa en la mayoría de los sistemas musicales tradicionales, ya que es la escala más simple e intuitiva. Este es un ejemplo - un fragmento del tema andino «Sark'inani»:
NOTA: Dar un click sobre el a para escuchar la melodia en formato MIDI.

Cabe mencionar que se puede escoger como base cualquiera de las 12 notas del piano y construir una escala pentatónica. Por ejemplo, las cinco teclas negras forman precisamente una pentafonía.

Escala diatónica

Ya sabemos que dos notas de una quinta producen juntas un sonido muy agradable. Dentro de la quinta, se encuentra un sonido más formando un triplete en que las frecuencias se relacionan como 4:5:6. Este triplete se llama armonía. La escala natural tiene una sola combinación armónica, las notas A-C-E. Al descubrir la armonía, los músicos antiguos empezaron a afinar sus instrumentos de manera que toda la escala musical fue compuesta de armonías continuas, como esta:  

352

4:5

440

5:6

528

4:5

660

5:6

792

4:5

990

5:6

1188

F4

A4

C5

E5

G5

B5

D6

Vamos a construir una octava y calcular distancias entre las notas vecinas:  

264

8:9

297

9:10

330

15:16

352

8:9

396

9:10

440

8:9

495

15:16

528

C4

D4

E4

F4

G4

A4

B4

C5

do

re

mi

fa

sol

la

si

do

Esta serie de notas o distancias entre ellas se llama escala diatónica. Como habíamos dicho antes, la distancia de 9/8 es un tono. La distancia de 10/9 está muy cerca y se llama tono menor, y la distancia de 16/15 es aproximadamente igual a una mitad del tono, y se llama semitono. La serie de tonos (T) y semitonos (S): T-T-S-T-T-T-S, donde el semitono es el tercer intervalo, se llama tonalidad mayor. Para construir una tonalidad menor tenemos que iniciar esta secuencia desde la nota A: T-S-T-T-S-T-T. Aquí el semitono es el segundo. La diferencia entre estas tonalidades ya había sido descubierta por los músicos antiguos: la misma melodía tocada en tonalidades diferentes (mayor o menor), tiene un carácter diferente, lo que permite expresar sentimientos mediante la variación de la tonalidad de la música. Las canciones que usan una tonalidad mayor son alegres y vivaces, mientras que las que usan una tonalidad menor son tristes y melancólicas.
Como un ejemplo ilustrativo, podemos escuchar este fragmento de la balada folklórica rusa «No Es De Noche» en la tonalidad de «Sol menor» (Gm):
NOTA: Dar un click sobre el a para escuchar la melodia en formato MIDI.

La misma melodía tocada en la tonalidad de «Do mayor» (C) tiene un carácter mucho más alegre y optimista:
NOTA: Dar un click sobre el a para escuchar la melodia en formato MIDI.

Otra vez, podemos escoger como base para construir una tonalidad, cualquiera de las 12 notas, 24 diferentes en total. Estas tonalidades llevan el nombre de la nota principal y la palabra "mayor" o "menor", por ejemplo, «Do mayor» o C, «La menor» o Am, etc.
Las distancias de las notas en una tonalidad mayor respeto a la nota principal y sus nombres:  

264	297	330	352	396	440	495	528
C4	D4	E4	F4	G4	A4	B4	C5
1	9:8	5:4	4:3	3:2	5:3	15:8	2
primera	segunda	tercera	cuarta	quinta	sexta	séptima	octava

Escala cromática

Al descubrir las tonalidades, los músicos antiguos quisieron tener la posibilidad de pasar libremente entre ellas. Evidentemente, para hacerlo, se necesita construir escalas mayores y menores comenzando con cada una de las siete notas que tenemos. Los resultados de esos cálculos están presentados en la siguiente tabla:  

A		275.00	293.33		330.00		366.67		412.50	440.00		495.00
Am	264.00		297.00		330.00	352.00		396.00		440.00		495.00
B		278.44		309.38	330.00		371.25		412.50		464.06	495.00
Bm		278.44	297.00		334.13		371.25	396.00		445.50		495.00
C	264.00		297.00		330.00	352.00		396.00		440.00		495.00
Cm	264.00		297.00	316.80		356.40		396.00	422.40		475.20
D		278.44	297.00		334.13		371.25	396.00		445.50		495.00
Dm	267.30		297.00		334.13	356.40		400.95		445.50	475.20
E		275.00		309.38	330.00		371.25		412.50	440.00		495.00
Em	264.00		297.00		330.00		371.25	396.00		445.50		495.00
F	264.00		293.33		330.00	352.00		396.00		440.00	469.33
Fm	264.00	281.60		316.80		352.00		396.00	422.40		475.20
G	264.00		297.00		330.00		371.25	396.00		445.50		495.00
Gm	267.30		297.00	316.80		356.40		396.00		445.50	475.20
	C		D		E	F		G		A		B

Esta tabla tiene 25 sonidos diferentes, ¡18 nuevos! Y no es todo, porque cada uno de esos nuevos sonidos puede engendrar su propia escala, tanto mayor como menor - ¡la octava al final va a tener cerca de 100 notas! Sería sumamente difícil tocar un instrumento de tantas teclas. Los griegos antiguos hicieron un compromiso: introducir notas "extra" sólo donde el intervalo entre las notas vecinas sea un tono entero (C-D, D-E, F-G, G-A, A-B), de manera que la distancia mínima dentro de una octava sea igual a un semitono. Como resultado de esto, las notas adicionales obtenidas ocupan las posiciones donde se encuentran las teclas negras del piano.
Recordemos al famoso matemático y filósofo griego Pitágoras, quien fue a la vez un buen músico. Esa combinación de talentos le permitió descubrir la escala natural, los principios básicos de la acústica musical y construir un sistema sintónico que ha existido por más de 2,000 años.
Pitágoras propuso derivar todas las 12 notas de puras quintas (de la misma manera que nosotros lo hicimos para construir una escala pentatónica). Vamos a empezar otra vez con la nota A4 que tiene la frecuencia de 440Hz, pasar quinta-a-quinta 6 veces arriba, sucesivamente multiplicando la frecuencia por 3/2, y 6 quintas abajo, dividiendo por 3/2:  

38.63	57.94	86.91	130.37	195.56	293.33	440.00	660.00	990.00	1485.00	2227.50	3341.25	5011.88
D#1	A#1	F2	C3	G3	D4	A4	E5	B5	F#6	C#7	G#7	D#8

La primera y la última nota de esa escala es la misma nota D#, aúnque de diferentes octavas, la D#8 está a siete octavas arriba de l # . Aquí surge un problema: en esta escala no es posible pasar directamente de D#1 a D#8 octava-a-octava (multiplicando por 2 la frecuencia). ¡Las 7 octavas no son iguales a las 12 quintas! Esta discrepancia (que es igual a (3/2)¹² : 2⁷ = 1.013643 aproximadamente, o sea, 0.2346 de semitono) lleva el nombre de coma pitagoreana. Si queremos preservar pura la quinta, tenemos que cambiar la octava, que es una distancia aún más fundamental en la música.
La última reforma musical fue inspirada por un organista alemán, Andreas Werckmeister, a fines del siglo XVII. Él propuso hacer todos los semitonos iguales. El problema planteado así tiene una única solución: la distancia musical entre cada una de las notas vecinas debe ser igual a la raíz doceava de 2, o sea, 2^1/12. Este sistema por lo general se denomina sintonización bien temperada o temperamento igual. La escala de 12 semitonos iguales se llama escala cromática. Cada semitono a su vez se divide en 100 partes iguales que se llaman centavos de semitono. El temperamento asimismo altera la quinta, que llega a ser un poco más corta, y modifica también las demás distancias naturales, quedando pura únicamente la octava. Las ventajas obtenidas son evidentes: ahora se puede pasar libremente entre tonalidades, y de esta manera, se logró eliminar la coma pitagoreana.
Finalmente vamos a comparar la escala natural, la escala pitagoreana y la escala cromática:  

Natural		275.00		302.50	330.00	357.50		385.00	412.50	440.00		495.00
Pitagoreana	260.74	278.44	293.33	309.03	330.00	347.65	371.25	391.11	417.66	440.00	463.54	495.00
Cromática	261.63	277.18	293.66	311.13	329.63	349.23	369.99	392.00	415.30	440.00	466.16	493.88
	C	C#	D	D#	E	F	F#	G	G#	A	A#	B

Para calcular la frecuencia de cada nota en la escala cromática, dada su escala (a cuantas teclas está de la nota de etalón La), se usa la siguiente fórmula:
F_i = 440 * 2^i/12
Aquí i es la escala o la distancia de la nota de etalón. Si es negativa, la tecla está a la izquierda. Ejemplo: la frecuencia de la nota Do (que está a 9 teclas a la izquierda) es:
440 * 2^-9/12 = 261.63

Referencias:

El Mundo MIDI: Conceptos Musicales. Algunas bases sobre la Música y su representación gráfica
CANCIONERO: Musica - Escritura musical en as
PHYSICS AND PSYCHOPHYSICS OF MUSIC (en inglés)

Producido por Andrei Volkov y Jorge Merino