Tono y timbre

             Cuando se golpea con un percutor con anillo de goma en su exterior un diapasón, en cuya superficie está grabado el texto frecuencia 440 Hz, vibra y emite un sonido de dicha frecuencia. 

En el caso de instrumentos musicales el sonido emitido al producir una nota consta de la frecuencia fundamental y muchos de sus armónicos. El oído recoge el sonido y el cerebro percibe la sensación del conjunto de frecuencias características del instrumento.

         El tono es la cualidad de la sensación sonora del conjunto de frecuencias de un sonido.

         Los tonos se clasifican en graves, con frecuencias entre 16 Hz y 256 Hz; medios, con frecuencias entre 256 Hz y 2 kHz; y agudos, con frecuencias entre 2 kHz y 16 kHz.

         El espectro de un sonido es la distribución de las amplitudes relativas o de las intensidades de las distintas frecuencias respecto de las frecuencias.

         El timbre de un sonido es la cualidad del mismo que está determinada por los armónicos de las frecuencias, múltiplos de las mismas, que contiene y sus amplitudes relativas o intensidades.

         El sonido de las notas de los instrumentos musicales tiene presentes la frecuencia fundamental y un conjunto de armónicos. Un sonido de un instrumento musical puede estar formado por una frecuencia fundamental de 300 Hz y de los armónicos 2, 3, 4 y 5; cada uno con diferente intensidad y el sonido de otro instrumento musical puede estar formado por la misma frecuencia fundamental y armónicos pero diferente distribución de intensidades. Se dice que ambos sonidos tienen diferentes timbres.

         Supongamos que dos sonidos A y B tienen el mismo tono formado por una  frecuencia fundamental de 200 Hz y los armónicos 2 ,3 ,4 y 5; de frecuencias 400 Hz, 600 Hz, 800 Hz y 1000 Hz; que el sonido A tiene por amplitudes relativas para las frecuencia citadas 0,5; 0,8 ; 1,0 ; 0,4; 0,2; y el sonido B tiene por amplitudes relativas para las mismas frecuencias 0,3 ; 1,0; 0,7; 0,3; 0,6. Ambos sonidos tienen las mismas frecuencias pero diferentes distribuciones de amplitud respecto de la frecuencia. Son sonidos con la misma cualidad de tono pero diferente cualidad de timbre.

Los clips sonoros siguientes corresponden a los sonidos con los distintos timbres anteriores.

            Cuando el oído percibe el sonido de una frecuencia fundamental y de distintos armónicos, alguno de los cuales puede tener más intensidad que el de la frecuencia fundamental, el oído asignará un tono característico, el correspondiente a la frecuencia fundamental.

         Puede eliminarse mediante filtros la frecuencia fundamental manteniendo los armónicos y el oído tendrá la sensación de recibir el mismo tono, aunque un experto podría identificar la diferencia. Esta propiedad es utilizada en el diseño de pequeños altavoces, que emiten bien en las frecuencias de los armónicos.

En la imagen siguiente se muestra uns distribución de amplitudes de sonido frente a las frecuencias correspondiente al Timbre 1 anterior después de haber eliminado la frecuencia fundamental de 200 Hz.

El siguiente clip reproduce el sonido anterior que puede compararse con el del Timbre 1.

El oído humano asocia a una serie armónica de frecuencias, conjunto de frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental, un tono al sonido. Esta sensación del conjunto de frecuencias es tal que si se elimina con un filtro la frecuencia fundamental, el oído tiene la misma  sensación de tono. Esto permite dar la sensación de que un pequeño altavoz, que no emite bien en bajas frecuencias, produzca buena radiación para dichas frecuencias.