Las caracolas de Helmholtz

Fronteras Caracolas Artículo 7 de 7

Colección de resonadores Helmholtz de 1870. Fuente: Wikimedia Commons

«Aplique un resonador en el oído y deje que cualquier instrumento interprete una pieza de música armonizada, en la que suene con frecuencia el tono del resonador. Siempre que suene ese tono, el oído apoyado contra el instrumento lo oirá contrastar violentamente con todos los demás del acorde.»

Hermann von Helmholtz (1863) Sobre las sensaciones de tono como base fisiológica para la teoría de la música.

Sobre las sensaciones de tono es sin duda la obra más conocida de Hermann von Helmholtz. El libro es, simultáneamente, una introducción a la física del sonido, un estudio anatómico del oído y su funcionamiento, un tratado de armonía y un ensayo sobre la historia de la música desde sus inicios hasta el siglo XIX. Partiendo de lo más básico y con una minuciosidad de artesano, Helmholtz va levantando capas sucesivas de complejidad creciente para responder una pregunta inocente solo en apariencia: ¿por qué nos suenan bien ciertos sonidos y no otros?, o, como él mismo escribe,»¿qué tiene que ver la armonía con los ratios de los primeros números enteros?»

Después de que Pitágoras describiese la base numérica de la consonancia hacia el siglo V a.C., Helmholtz fue el primero en darle una explicación satisfactoria. En su empeño, tuvo que combinar todas las ramas de su polifacético conocimiento. Pero sobre todo, tuvo que convencer a sus contemporáneos de que todos los sonidos de nuestro entorno, todas las notas, todos los ruidos, todos los cláxones de los coches y por supuesto, nuestra propia voz, son en realidad una suma de muchos sonidos, frecuencias de distintas amplitudes y frecuencias que se combinan para formar eso que cotidianamente llamamos “timbre”.

Para descomponer los sonidos, Helmholtz se valió de una caracola… pero no cualquier caracola. Como buen físico, fue el inventor de la primera caracola esférica de la historia.

Cuando acercamos nuestro oído a una cavidad resonante, esta concentra la energía del ruido circundante en torno a ciertas frecuencias. La caracola se comporta, por tanto, como un filtro acústico, capaz de subrayar ciertos sonidos o amortiguar otros. Su efecto es fácil de visualizar con ayuda de un espectrógrafo sonoro. Basta introducir un micrófono dentro de una caracola y comparar la distribución de frecuencias del sonido dentro y fuera. Pero si no tienes una caracola a mano, te recomiendo probar con una simple taza o un bote de garbanzos (vacío). Puedes instalar una aplicación como esta en tu móvil y ver cómo cambia el dibujo del sonido ambiente cuando metes el móvil dentro de la taza. Notarás que aparece una especie de pico tembloroso: la frecuencia fundamental de la cavidad resonante.

Sin embargo, las caracolas y las tazas tienen una forma bastante irregular, por lo que resonarán en muchas frecuencias, además de la fundamental. El pico que generan en el espectro tiene más bien forma de colina. Para seleccionar una frecuencia única, Helmholtz tuvo que construir sus propios resonadores, aprovechando todas las ventajas de una cuidada simetría. Utilizó contenedores rígidos, de forma casi esférica y un volumen conocido. En un extremo, un pequeño orificio permitía apoyarlos sobre el oído. Al otro lado, una cavidad cilíndrica, un poco más ancha, permite la entrada del aire y el ruido del ambiente.

El principio que caracteriza la frecuencia de un resonador Helmholtz es similar al que hace sonar la típica botella de refresco. Existe un volumen de aire encerrado dentro de la botella y otra porción, situada en su cuello que es empujada hacia dentro cuando uno sopla. Estos dos elementos suelen compararse con el muelle y la masa de un oscilador armónico (aunque los físicos son muy de comparar todas las cosas del universo, vacas esféricas incluidas, con un oscilador armónico). La idea básica es que, ante un soplido certero, el aire del cuello de la botella (la masa), presiona el volumen contenido en la botella. Este, por su parte, tiende a restaurar las condiciones iniciales (como un muelle). El resultado es una oscilación armónica, con una frecuencia fácil de calcular conociendo las dimensiones del resonador.

Como el prisma que dividió la luz en colores para Newton, estos resonadores permitieron a Helmholtz seleccionar y escuchar claramente la composición en frecuencias de los sonidos de su entorno. “El tono principal de la esfera, mucho más profundo que cualquier otro de sus tonos normales, puede vibrar por simpatía de manera muy poderosa” explica en su libro. “Si tamponamos un oído […] y aplicamos un resonador al otro, la mayoría de los tonos producidos en el aire circundante se amortiguarán considerablemente. Pero si suena el tono del resonador, este vibrará con más fuerza”. Los resonadores de Helmholtz eran capaces de colorear, para él, todos los sonidos de su ambiente. Gracias a ello, pudo estudiar en detalle la diferencia entre tonos y ruidos, sonidos consonantes o disonantes, las frecuencias que forman la voz humana… y también, cómo no, las presentes en los ruidos cotidianos que llenan todas las caracolas. “El tono del resonador puede escucharse a veces surgir en el silbido del viento, el traqueteo de las ruedas del carro, el chapoteo del agua.”

Sobre la autora: Almudena M. Castro es pianista, licenciada en bellas artes, graduada en física y divulgadora científica

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