Cuando un cuerpo vibra puede producir sonido. Si este sonido tiene una altura determinada, como en el caso de una cuerda, la sensación de tono viene determinada por la frecuencia natural de vibración de la misma, dependiente de su longitud, su grosor y su tensión generalizada. Pero a este sonido principal se añaden sus armónicos: los sonidos resultantes de que la misma cuerda vibre por mitades, tercios, cuartos… y cuyas frecuencias son múltiplos de la principal. El timbre de cada instrumento depende de la proporción en que estos armónicos suenan.
Las cuerdas, como los tubos (instrumentos de viento), tienen un patrón de vibración unidimensional. Por eso los sonidos que generan son completamente musicales*, pues sus distintos modos de vibración, responden a una sola fundamental, a un único eje de simetría. En cambio, las figuras bidimensionales o tridimensionales suelen presentar múltiples modos de vibración respecto a distintos ejes. En la mayoría de los casos, esto significa que al vibrar producen ruido*. Sin embargo, en el caso de ciertos instrumentos de percusión como los timbales o el xilófono, se tiene sensación de tono gracias a su forma geométrica cuidadosamente estudiada, si bien suelen presentar parciales cuyas frecuencias no responden a una única fundamental, es decir, parciales inarmónicas que no son múltiplos entre sí. Por ello, son sonidos con un fuerte componente ruidoso.
Los modos de vibración de los objetos bidimensionales (membranas, parches de instrumentos de percusión, la tabla armónica de un piano…), fueron estudiados por Ernst Chladni, considerado como el padre de la Acústica. En sus primeros experimentos vertía arena sobre placas metálicas cuadradas o circulares y las hacía vibrar a distintas frecuencias. Cuando el sonido alcanzaba la frecuencia correspondiente a uno de los modos propios de vibración de la placa, la arena dibujaba el patrón nodal de la misma.
*Utilizo aquí la definición de Helmholtz de sonidos musicales por oposición a ruido. La onda sonora de los primeros es periódica, mientras para el ruido se trata de una onda caótica.
