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1 AFINADOR MECATRÓNICO PARA FLAUTA TRAVERSA MARCO ANTONIO TABORDA ARAMBURO DANIEL RAMÍREZ RIVERA Proyecto de Grado Asesor: MSc. Héctor García Mayén Universidad de San Buenaventura Facultad De Ingenierías Medellín 2014

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Page 1: Proyecto de Grado - USB

1

AFINADOR MECATRÓNICO PARA FLAUTA TRAVERSA

MARCO ANTONIO TABORDA ARAMBURO

DANIEL RAMÍREZ RIVERA

Proyecto de Grado

Asesor:

MSc. Héctor García Mayén

Universidad de San Buenaventura

Facultad De Ingenierías Medellín

2014

Page 2: Proyecto de Grado - USB

2

CONTENIDO

pág.

RESUMEN ............................................................................................................... 5

INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 6

1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO .................................................................... 7

1.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................ 7

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................... 7

1.3 PLANTEAMINETO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ...................... 8

1.4 MARCO TEÓRICO ................................................................................... 10

1.4.1 Ondas estacionarias en columnas de aire ............................................... 10

1.4.2 Armónicos ............................................................................................... 10

1.4.2.1 Armónicos en tubos con ambos extremos abiertos ................................. 10

1.4.2.2 Armónicos en tubos con un extremo cerrado .......................................... 11

1.4.2.3 Escala de armónicos ............................................................................... 11

1.4.3 Escala musical ........................................................................................ 13

1.4.4 Variación de la velocidad del sonido por la temperatura ......................... 13

1.4.5 La “normal” y La “brillante” ...................................................................... 13

1.4.6 Timbre..................................................................................................... 14

1.4.7 Superposición de tonos ........................................................................... 14

1.4.8 Batimiento ............................................................................................... 15

1.4.9 Consonancia y disonancia ...................................................................... 17

1.4.10 Banda crítica y la consonancia ................................................................ 19

1.4.11 Discriminación de frecuencia .................................................................. 21

1.4.12 Entropía .................................................................................................. 22

1.5.12.1 Segunda Ley de la Termodinámica ......................................................... 22

1.5.12.2 La neguentropía ...................................................................................... 22

1.5.12.3 La entropía en la teoría de la información ............................................... 23

1.5.12.4 Entropía mínima de Shannon .................................................................. 23

1.5.13 Principios físicos en la flauta traversa ..................................................... 24

1.5.13.1 Apertura de los orificios ........................................................................... 24

1.5.13.2 Impedancia acústica de la flauta ............................................................. 25

1.5.13.3 Corrección al extremo en la frecuencia de resonancia ............................ 26

1.5.14 Velocidad de propagación del sonido en el tubo de impedancia ............. 27

1.5 ESTADO DEL ARTE................................................................................. 28

2. METODOLOGÍA .............................................................................................. 30

2.1 Fase 1. Análisis de la flauta traversa .............................................................. 30

Page 3: Proyecto de Grado - USB

3

2.1.1 Prueba 1: Efecto causado en la frecuencia de afinación por la variación de

la longitud efectiva de la flauta .................................................................................. 30

2.1.2 Prueba 2: Comportamiento de los armónicos por la variación de la longitud

efectiva de la flauta traversa ..................................................................................... 30

2.1.3 Prueba 3: Influencia de la temperatura ambiente en la afinación de la

flauta traversa. .......................................................................................................... 31

2.1.4 Prueba 4: Medición de la velocidad de propagación del sonido .............. 31

2.1.5 Prueba 5: Evaluación subjetiva de la discriminación en frecuencia ......... 31

2.2 FASE 2. DISEÑO DEL DISPOSITIVO ...................................................... 32

2.3 FASE 3. ALGORITMO DE PROCESAMIENTO ........................................ 32

2.4 FASE 4. PRUEBAS DEL DISPOSITIVO ................................................... 32

2.4.1 Errores del dispositivo ............................................................................. 32

2.4.2 Funcionamiento ...................................................................................... 32

3. PROCEDIMIENTO .......................................................................................... 33

3.1 Fase 1. Análisis de la flauta traversa .............................................................. 33

3.1.1 Prueba 1: Efecto causado en la frecuencia de afinación por la variación de

la longitud efectiva de la flauta. ................................................................................. 33

3.1.2 Prueba 2: Comportamiento de los armónicos por la variación de la longitud

efectiva de la flauta traversa. .................................................................................... 34

3.1.3 Prueba 3: Influencia de la temperatura ambiente en la afinación de la

flauta traversa. .......................................................................................................... 34

3.1.4 Prueba 4: Medición de la velocidad de propagación del sonido. ............. 34

3.1.5 Prueba 5: Evaluación subjetiva de la discriminación en frecuencia. ........ 35

3.2 Fase 2. diseño del dispositivo ................................................................... 36

3.2.1 Sistema mecánico ................................................................................... 37

3.2.2 Sistema actuador .................................................................................... 37

3.2.3 Sistema de control .................................................................................. 38

3.2.4 Sistema de procesamiento ...................................................................... 38

3.2.5 Sistema de captura ................................................................................. 38

3.3 Fase 3. Algoritmo de procesamiento ........................................................ 39

3.3.1 Pseudocódigo. ........................................................................................ 39

3.3.2 Funciones en la programación del algoritmo. .......................................... 41

3.3.3 Diseño de interfaz gráfica........................................................................ 42

3.4 Fase 4. Pruebas de funcionamiento del dispositivo .................................. 43

3.4.1 Prueba 6: Errores del dispositivo............................................................. 43

3.4.2 Prueba 7: Funcionamiento ...................................................................... 43

4. RESULTADOS ................................................................................................ 44

4.1 Fase 1. Análisis de la flauta traversa ........................................................ 44

4.1.1 Variación de la longitud efectiva de la flauta ........................................... 44

4.1.2 Armónicos en la flauta traversa ............................................................... 47

Page 4: Proyecto de Grado - USB

4

4.1.3 Influencia de la temperatura ambiente en la afinación de la flauta traversa.

48

4.1.4 Determinación de la velocidad de propagación del sonido ...................... 50

4.1.5 Discriminación en frecuencia .................................................................. 51

4.2 Construcción del dispositivo ..................................................................... 53

4.3 Algoritmo de procesamiento ..................................................................... 54

4.4 Pruebas del dispositivo ............................................................................. 56

4.4.1 Errores del dispositivo ............................................................................. 56

4.4.2 Prueba de funcionamiento del dispositivo ............................................... 57

5. ANÁLSIS DE RESULTADOS .......................................................................... 58

6. CONCLUSIONES ............................................................................................ 60

BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 61

ANEXO A.1 INFORME DE MEDICIÓN DE LOS CAMBIOS DE FRECUENCIA DE

LA FLAUTA TRAVERSA MODIFICANDO LA LONGITUD DEL INSTRUMENTO . 64

ANEXO A.2 COMPORTAMIENTO DE LOS ARMÓNICOS POR LA VARIACIÓN

DE LA LONGITUD EFECTIVA DE LA FLAUTA TRAVERSA. ............................... 71

ANEXO A.3 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA AMBIENTE EN LA AFINACIÓN

DE LA FLAUTA TRAVERSA ................................................................................. 80

ANEXO A.4 MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO 88

ANEXO A.5 INFORMACIÓN PARA EL TEST DE DISCRIMINACIÓN EN

FRECUENCIA TOMANDO COMO REFERENCIA 440HZ .................................... 94

ANEXO B.1 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO ............................................. 100

ANEXO B.2 ELECCIÓN DE ACTUADORES ....................................................... 109

ANEXO B.3 CÓDIGO EN ARDUINO PARA EL SISTEMA DE CONTROL DEL

DISPOSITIVO AFINADOR .................................................................................. 112

ANEXO C. ALGORITMO DEL SISTEMA DE PROCESAMIENTO ...................... 113

ANEXO D. MANUAL DE INSTALACIÓN Y OPERACIÓN DEL DISPOSITIVO

MECATRÓNICO PARA LA AFINACIÓN DE LA FLAUTA TRAVERSA: .............. 121

ANEXO E. PARTES DE LA FLAUTA TRAVERSA. ............................................. 127

ANEXO F. ANÁLISIS DE ENTREVISTAS A EXPERTOS ................................... 128

Page 5: Proyecto de Grado - USB

5

RESUMEN

Esta propuesta pretende desarrollar a través de la integración de tecnologías

derivadas de la mecánica y la electrónica, una herramienta que permita disminuir la

subjetividad humana en el proceso de afinación de la flauta traversa. Se propone

desarrollar un dispositivo afinador mecatrónico controlado por software, haciendo

un análisis previo de las condiciones que afectan la afinación del instrumento

mediante pruebas experimentales, de cuyos resultados puedan ser concluidos

parámetros importantes en la etapa de diseño e implementación del dispositivo. El

ajuste de afinación del instrumento estará determinado por la comparación entre un

tono de referencia generado por un algoritmo implementado en Matlab y una señal

capturada definida por la nota La – 440Hz en la digitación estándar del instrumento

musical. Partiendo de esta comparación se busca obtener el punto de correlación

entre las señales, con el fin de controlar por medio del sistema mecatrónico el ajuste

de relación de distancia entre la cabeza y el cuerpo del instrumento.

Page 6: Proyecto de Grado - USB

6

INTRODUCCIÓN

La afinación es el proceso por el cual se logra ajustar de forma tonal un instrumento

musical en comparación con un referente. Al obtener el ajuste del instrumento se

obtiene una coherencia entre las señales lo cual permite obtener sonoridades

agradables al oído. La ejecución de instrumentos musicales comprende distintos

aspectos que afectan la producción del sonido, entre ellos se encuentra la afinación.

Esta puede verse afectada por variables ambientales, técnicas o acústicas.

Este proyecto, propone desarrollar una herramienta, que permita disminuir la

subjetividad del instrumentista en la afinación de la flauta traversa, a través de un

dispositivo que realice el ajuste de afinación por medio de un sistema mecatrónico

controlado por un algoritmo, que determine su efectividad en la afinación por medio

de la entropía mínima de Shannon [1] y la discriminación en frecuencia propuesta

por Shower y Biddulph [2]. Con esta herramienta se pretende generar conocimiento

sobre la afinación de la flauta traversa, por implementación de tecnologías que

permitan aplicarse en el funcionamiento del dispositivo afinador.

Para lograr el objetivo general se plantea entonces una serie de pruebas para el

análisis del comportamiento de la flauta traversa en su afinación, como el efecto que

causa el posicionamiento de las partes implicadas en el ajuste de la flauta, la

temperatura entre otros. Partiendo de los resultados obtenidos en el análisis del

instrumento se procede al diseño y construcción del dispositivo mecatrónico,

utilizando como referencia para la parte mecánica sistemas que se encuentran en

herramientas cotidianas, implementado así la electrónica como elemento para el

desplazamiento de las partes del dispositivo. Por medio de la programación de un

microcontrolador se realiza la operación del sistema de control del mecanismo, el

cual es dirigido por un código de programación realizado en Matlab que ejecuta el

análisis y ordenamiento de ajuste del dispositivo afinador mecatrónico para flauta

traversa.

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7

1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

1.1 OBJETIVO GENERAL

Desarrollar un dispositivo para la flauta traversa, que permita reducir la subjetividad

producida por la interacción humana en el proceso de afinación, mediante un

sistema mecatrónico controlado por software que ajuste la longitud del instrumento.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Analizar el comportamiento del registro armónico de la flauta traversa y los

efectos causados al sufrir alteraciones en la longitud total de su cuerpo, a

través de un procedimiento teórico-experimental, determinando un tono de

referencia de afinación para el instrumento musical.

Determinar el diseño y metodología de operación del dispositivo afinador

para la flauta traversa, mediante el planteamiento de los procesos de captura,

mecánicos, electrónicos, de control y programación.

Desarrollar un algoritmo que realice comparación entre la señal de entrada y

el tono de referencia, para que el proceso de control logre la coherencia

requerida en la afinación del instrumento.

Realizar pruebas con el dispositivo que permitan analizar su funcionamiento.

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8

1.3 PLANTEAMINETO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

Para personas con oídos poco entrenados, algunos dispositivos afinadores

electrónicos permiten afinar instrumentos musicales de forma mucho más acertada;

los cuales realizan una comparación de señales entre una frecuencia fundamental

teórica y la fundamental del instrumento en ejecución, mostrando al usuario la

desviación de tono entre ambas señales, dando una mayor objetividad en el ajuste

de su instrumento. Por el contrario, para aquellos que han adquirido entrenamiento

auditivo, estos dispositivos no son su mejor opción en afinación, debido a

irregularidades que podrían presentarse en la correlación de armónicos en el

espectro [3]. Se pretende entonces con la herramienta de afinación a diseñar,

disminuir la manipulación humana en el proceso de afinación mediante un sistema

mecatrónico, y hacer una comparación por análisis de armónicos, haciéndose

similar al proceso que hace una persona con el oído entrenado al afinar. El proceso

de afinación de la flauta traversa se realiza mediante una comparación perceptual

con una referencia auditiva o visual ajustando sus partes manualmente, lo cual

aporta subjetividad debido a la interacción humana en dicho proceso.

Con las escalas musicales occidentales se desarrollaron ciertos criterios para la

afinación de instrumentos, buscando la correlación de armónicos entre los intervalos

o acordes, pretendiendo así ejecutar obras musicales, sin hacer variaciones en el

ajuste de afinación del instrumento por cambio de tonalidades, permitiendo una

sonoridad homogénea a lo largo de toda la gama tonal [4].

En la actualidad, un criterio conocido y usado para la música occidental, de

mantener esta correlación en la polifonía, se llama temperamento igual, el cual está

basado sobre una escala heptatónica, y pretende mantener una equidistancia entre

tonos haciendo uso de la escala logarítmica a una relación de 21/12. La variación

mínima entre armónicos, haciendo uso del temperamento igual se da entre

intervalos de octavas, es decir, que dichos intervalos poseen mayor consonancia

[5]. En el caso de los demás intervalos musicales, si su ajuste guarda el criterio del

mismo temperamento, se generan percepciones de desafinación por la

incoherencia de armónicos. El oído entrenado cumple entonces un papel principal

como un “afinador” adecuado para la correlación de armónicos, este ajuste auditivo

de los intervalos musicales se relaciona con la discriminación en frecuencia

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9

estudiada por Shower y Biddulph, proceso que permite determinar la capacidad de

una persona para diferenciar entre dos tonos [2].

A través de esta investigación se pretende abordar la problemática que existe para

flautistas en la afinación de su instrumento a causa de inexperiencia o carencia de

entrenamiento auditivo, lo cual aporta subjetividad en el ajuste del mismo. En el

proceso de aprendizaje de músicos inexpertos puede ser un problema la ejecución

desafinada de su instrumento, ya que pueden habituarse a escuchar disonancias y

asumirlas como una afinación correcta.

En la actualidad existe una patente sobre un dispositivo afinador para la flauta

traversa planteado como idea para la afinación del instrumento [6]. Para el caso de

este proyecto se pretende abordar otra perspectiva para la solución del problema,

utilizando diseños propios en los elementos que componen el dispositivo para la

afinación del instrumento. Esto incluye: el diseño de su etapa de análisis, el

algoritmo de procesamiento, selección de los componentes electrónicos para el

control del mecanismo y diseño de piezas mecánicas para la modificación de la

longitud del tubo.

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10

1.4 MARCO TEÓRICO

1.4.1 Ondas estacionarias en columnas de aire

El comportamiento de las ondas al interior de un tubo se presentan como la

interferencia de las ondas que se desplazan longitudinalmente a través de dicho

tubo con movimientos contrarios Figura 1. Puede haber situaciones en las que el

tubo presente uno de los dos extremos cerrados, y por tanto no se permite el

movimiento longitudinal de la columna de aire en dicho extremo, produciendo un

nodo de desplazamiento y un antinodo de presión. En el caso de los extremos

abiertos se permite el movimiento longitudinal del aire en ese lugar, produciendo un

antinodo de desplazamiento y a su vez un nodo de presión por la exposición de

dicha columna de aire a la presión de la atmósfera [7].

La reflexión que se genera en el extremo abierto hacia el interior del tubo se debe a

que en la columna de aire ubicada en el extremo de éste se produce una liberación

de la compresión, retirando así la restricción del tubo y dejando libre el camino para

expandirse en la atmósfera, lo que permite la reflexión hacia su interior [7].

1.4.2 Armónicos

Los armónicos son múltiplos de la frecuencia fundamental ejecutada, donde el

cálculo de cada armónico depende de las condiciones del tubo, si es abierto o

cerrado [7].

1.4.2.1 Armónicos en tubos con ambos extremos abiertos

La ecuación de la frecuencia de resonancia en un tubo con ambos extremos abiertos

[7] está dada por,

𝑓𝑛 =𝑣

λ𝑛=

𝑣

2𝐿 (1)

Donde 𝑛 es el número entero del armónico de la fundamental, 𝑣 es la velocidad de

propagación del sonido y λ𝑛 la longitud de onda de la frecuencia, para la

fundamental esta equivale a 2 veces la longitud del tubo L Figura 1.

Page 11: Proyecto de Grado - USB

11

1.4.2.2 Armónicos en tubos con un extremo cerrado

La ecuación de la frecuencia de resonancia de un tubo con un extremo cerrado [7]

está dada por,

𝑓𝑛 =𝑛∗𝑣

λ𝑛=

𝑛∗𝑣

4𝐿 (2)

Donde 𝑛 es un número impar entero del armónico de la fundamental, 𝑣 es la

velocidad de propagación del sonido y λ𝑛 la longitud de onda de la frecuencia, para

la fundamental esta equivale a 4 veces la longitud del tubo L Figura 1.

En la se puede observar el comportamiento del desplazamiento y la presión de los

armónicos en tubos con ambos extremos abiertos y con un extremo cerrado.

Figura 1. Ondas estacionarias en columnas de aire al interior de un tubo. (a) Tubo abierto en

ambos extremos. (b) Cerrado en un extremo [7].

1.4.2.3 Escala de armónicos

Se define a la escala de armónicos como una sucesión de tonos puros en las cuales

su relación de frecuencia está sujeta a ser números enteros de una frecuencia

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12

fundamental 𝑛 o primer armónico. En la Figura 2 , se muestra dicha escala musical

[8].

Figura 2. Escala de armónicos. Representación de armónicos en pentagrama con equivalencia en

Hz. [8]

Se puede hacer las siguientes afirmaciones sobre las escalas de armónicos [8]:

Cada octava con respecto a la fundamental, tendrá tantos sonidos como el

número de orden del armónico sobre el cual empieza y doble número de

sonidos que la octava anterior. Por ejemplo, tomando 132 Hz (2do orden)

como fundamental a su octava mayor 264 Hz (3er orden), existen 2 sonidos

y es el doble de sonidos del número de orden de su octava inferior 66 Hz

(1er orden), ver Figura 2 [8].

El número de sonidos entre las octavas será igual al número del orden del

armónico [8].

Entre dos armónicos sucesivos, los intervalos presentan una disminución

progresiva, Ecuaciones 3, 4 y 5.

2𝑛

𝑛=

2

1= 𝑜𝑐𝑡𝑎𝑣𝑎 𝑗𝑢𝑠𝑡𝑎 (3)

3𝑛

2𝑛=

3

2= 𝑞𝑢𝑖𝑛𝑡𝑎 𝑗𝑢𝑠𝑡𝑎 (4)

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4𝑛

3𝑛=

4

3= 𝑐𝑢𝑎𝑟𝑡𝑎 𝑗𝑢𝑠𝑡𝑎 (5)

1.4.3 Escala musical

Se define como escala musical al ordenamiento sistemático natural del rango de

frecuencias audibles por el ser humano tomando como base la octava. La relación

armónica entre octavas comparte una relación dada por números enteros, donde la

frecuencia superior del intervalo es dos veces la frecuencia inferior. Otros intervalos

de una escala pueden poseer algún grado de disonancia debido a que su relación

no se da por números enteros sino fracciones de la fundamental. En la actualidad,

existe gran variedad de escalas en la música occidental, sin embargo, estas siempre

conservan la octava como bien común. Entre las más conocidas se encuentran: la

escala diatónica, cromática y pentatónica [8], [9].

1.4.4 Variación de la velocidad del sonido por la temperatura

Pueden surgir algunas variaciones en el sonido de la flauta cuando cambia la

temperatura ambiente, esto es originado por la variación de la velocidad del sonido

que depende del mismo fenómeno físico (la temperatura), como puede apreciarse

en la Ecuación 6 donde 𝒗 depende de la temperatura 𝑇𝑐 en grados centígrados [7].

𝑣 = 331.4 + 0,6 ∗ (𝑇𝑐) (6)

1.4.5 La “normal” y La “brillante”

A través del tiempo, la afinación ha tenido un comportamiento ascendente en

frecuencia, buscando el “brillo” que trae adjunto el incremento de esta variable.

Desde fines del siglo XIX, ha sido estandarizada debido a que una altura excesiva

perjudica el timbre de los instrumentos volviéndose estridente.

En el año de 1885 en la ciudad de Viena, se reunió un congreso que fijó la frecuencia

de La4 en 435 ciclos, adoptando el nombre de "La Normal” o “La Internacional.”

Posteriormente la frecuencia utilizada para la afinación de instrumentos musicales

en orquesta se estableció en 442 Hz denominándose “La brillante”. Finalmente en

1939 se definió 440 Hz como la frecuencia de afinación estándar mundialmente

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14

aceptada, siendo confirmada en 1953 durante el “Congreso Técnico Internacional

de Acústica” [8].

1.4.6 Timbre

El timbre se define como la cualidad sonora que distingue los sonidos de los

instrumentos musicales. Los sonidos ejecutados por instrumentos iguales poseen

tímbrica similar, lo cual no sucede en el caso de dos instrumentos diferentes, donde

su tímbrica difiere.

La suma de diferentes frecuencias simples o tonos puros componen un tono

complejo, por lo que cada sonido de los instrumentos se puede descomponer a su

vez en sus tonos puros. El timbre como tal no es medible, debido a que “la mayor o

menor complejidad de un movimiento vibratorio no constituye una magnitud para la

cual pueda establecerse unidad de medida ni escala”, por lo anterior, el “umbral” o

“cima” de la sensación tímbrica, no se define. Es entonces útil para ordenar los

sonidos por su complejidad, una relación entre su energía total y la energía de todos

los armónicos menos la fundamental. [8].

1.4.7 Superposición de tonos

En el sistema auditivo humano, el tímpano ejerce la función de recibir las ondas

sonoras determinando el movimiento hacia adentro y hacia afuera por variaciones

de presión sobre este. Si el tímpano oscila con un tono puro de amplitud

determinada, su percepción es de una frecuencia simple. Al generar una

perturbación sonora con dos tonos simples de diferentes características al mismo

tiempo, el tímpano reacciona de manera conjunta interpretando simultáneamente

los dos tonos puros, es decir, en el oído se interpreta el sonido complejo como la

suma de estos dos tonos así como también es interpretado de esta manera por el

medio y los componentes vibratorios tal como se muestra en la Figura 3. A este

fenómeno se le llama “superposición lineal de dos vibraciones.” Dicho fenómeno se

presenta para armónicos simples de igual frecuencia y fase, pero si las oscilaciones

con la misma frecuencia poseen diferente fase, la superposición no será la suma de

sus correspondientes amplitudes. Si la fase de las oscilaciones es 180 grados, la

suma dará como resultado la anulación de los sonidos, esto es conocido como

interferencia destructiva [8].

Page 15: Proyecto de Grado - USB

15

Figura 3. Superposición de ondas sinusoidales con igual fase y frecuencia. [8]

En la Figura 4 puede verse la composición de un sonido complejo generando

interferencia constructiva y destructiva. De esta manera puede entenderse un

sonido complejo como la suma de varios simples.

Figura 4. Superposición de ondas de diferente frecuencia con diferente periodo. [8].

1.4.8 Batimiento

Cuando la diferencia de frecuencia ∆𝑓 de los tonos simples que componen el patrón

vibratorio complejo es menor a cierta cantidad, en el sistema auditivo es percibido

un fenómeno donde se superponen las frecuencias, y se da la sensación de un tono

de altura intermedia con características de modulación, a esto se le llama

“batimiento” [10].

Los batidos de primer orden se pueden comprender como el resultado de la

superposición de los tonos, generando una sensación de resonancia en una zona

Page 16: Proyecto de Grado - USB

16

de la membrana basilar, la cual sigue un patrón de oscilación similar al del tímpano.

Lo anterior es la causa de la percepción del “batimiento” [10].

El resultado del patrón de oscilación de la superposición de dos tonos cercanos de

frecuencias 𝑓1 ,𝑓2 tiene como resultado el valor promedio Ecuación 7, como se puede

observar en la Figura 5.

𝑓 =𝑓1+𝑓2

2= 𝑓1 +

∆𝑓

2 (7)

Al intervalo de tiempo 𝜏𝐵 en el que la amplitud resultante llega a su valor inicial se

le denomina “periodo de batimiento”. Para hallar la frecuencia de batimiento 𝑓𝐵 se

utilizan relaciones de cambios de amplitud por segundo Ecuación 8 y 9 [10].

𝑓𝐵 =1

𝜏𝐵 (8)

|𝑓𝐵| = 𝑓2 − 𝑓1 = ∆𝑓 (9)

Page 17: Proyecto de Grado - USB

17

Figura 5. Esquema de percepción tonal por superposición de frecuencias cercanas [10].

1.4.9 Consonancia y disonancia

La consonancia y disonancia se presentan como sensaciones psicoacústicas

relacionadas a la escucha de tonos musicales simultáneos “agradables o

desagradables”. En la musical tonal, la búsqueda de combinaciones agradables

entre sonidos complejos ha sido determinante para compositores, logrando a través

de los años establecer cierta homogeneidad para la percepción armónica entre

intervalos de octava en diferentes escalas musicales. Como regla general

establecen los músicos y compositores que para obtener sonidos consonantes se

deben mantener relaciones simples entre dos sonidos ver Tabla 1, y se establece

un orden relativo de los intervalos considerados como agradables [10], [11].

Page 18: Proyecto de Grado - USB

18

Tabla 1. Relación de frecuencias según el intervalo y su correspondiente frecuencia en Hz [10].

Intervalo Relación de Frecuencias Ejemplo sobre la Tónica

Octava Justa

2/1

C(523,2)/C(261,6)

Quinta Mayor 3/2 G(392,0)/C(261,6)

Cuarta Justa 4/3 F(349,2)/C(261,6)

Tercera Mayor 5/4 E(329,6)/C(261,6)

Sexta Mayor 5/3 A(440,0)/C(261,6)

Tercera Menor 6/5 E(311,1)/C(261,6)

Sexta menor

8/5

B(466,2)/C(261,6)

Para la cultura occidental donde rige la música tonal, el sistema auditivo se

acostumbra a percibir intervalos de frecuencia entre octavas, quintas, cuartas etc.

Al ejecutar dos tonos sincrónicamente en intervalos armónicos como octavas, se

evidencia que toda la serie de armónicos generan una paridad exacta. De esta

manera se demuestra la coherencia en dicho intervalo musical. Lo anterior se

presenta de igual manera en intervalos como el de quinta, con la diferencia que sus

armónicos están correlacionados por múltiplos pares de la tónica. [4], [12].

La existencia de batimientos puede generar una manera de evaluar la consonancia

de un intervalo, al aparecer en frecuencias fundamentales o entre sus armónicos.

Por experimentación se ha demostrado que frecuencias pulsadas entre 30 y 130Hz

pueden generar percepción de los sonidos poco agradables, estableciendo de esta

manera que si se difiere 45 Hz entre tonos podrá haber resultados disonantes [5],

[12].

Se pueden diferenciar dos tipos de consonancia:

Consonancia perceptiva: se relaciona directamente con la presencia de

batimientos por cercanías de frecuencias. Explicado con más detalle por

Helmholtz en su libro “On the Sensations of Tone” [11].

Consonancia musical: se relaciona con las diferencias de frecuencias entre

los intervalos musicales y se presenta teóricamente [11].

Page 19: Proyecto de Grado - USB

19

1.4.10 Banda crítica y la consonancia

La aparición de batimientos en la ejecución de dos tonos simultáneos, no implica

una percepción sonora desagradable. Por ejemplo, cuando dos sonidos de

frecuencias bajas generan un batimiento, este puede ser escuchado como un

trémolo o fluctuación en intensidad. En el caso cuando las frecuencias presentan

cierta diferencia entre ellas, se puede presentar una sensación de “aspereza” [8],

[5].

En la Figura 6 se muestra una representación en que se da la superposición de dos

tonos simples en la membrana basilar mostrando la notación musical y la gráfica de

los armónicos fundamentales implicados.

Figura 6. Superposición de tonos simples en la membrana basilar [8].

Para entender la banda crítica, es necesario entender que la consonancia tiene una

estrecha relación con el sistema psicoacústico en el análisis de la separación entre

frecuencias. En el caso cuando una frecuencia se encuentra muy próxima a la

superposición de otra, aparece la sensación de disonancia. Al momento de alejarse

una de la otra, comienza a desaparecer esta sensación desagradable, aunque sus

Page 20: Proyecto de Grado - USB

20

envolventes de amplitud se sobrepongan. Este fenómeno se debe a ciertas

características de la membrana basilar, que determinan una mínima separación

entre las frecuencias para una percepción agradable, definida como banda crítica

[8], [5] la cual puede verse con mayor claridad en la Figura 7.

Figura 7. Comportamiento del ancho de banda crítica en la membrana basilar en el

espectro de frecuencias [8].

La membrana basilar puede contener 24 anchos de banda críticas, de los cuales

mantiene una proporción constante desde la frecuencia más baja hasta 500Hz,

donde comienza un incremento hasta la banda central del espectro, dando un 1/3

de octava de banda crítica o una 3ra mayor para las tonalidades altas.

En la investigación “Tonal consonance and critical bandwidth,” realizada por Plomp

y Levelt [5], publicaron la gráfica del comportamiento del ancho de banda crítica en

la consonancia tonal. En la experimentación en un grupo de personas, obtuvieron

resultados de las coincidencias entre no como tono fijo y la variación de n en

frecuencias superiores e inferiores a no. [5].

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21

Figura 8. Percepción de superposición de ondas simples en el sistema auditivo [8].

A través de investigaciones realizadas por Plomp, se determinó que “para

frecuencias superiores a 750 Hz, el ancho de banda crítica es aproximadamente

igual al 20% de la frecuencia del tono de referencia 𝑛𝑜, esto se muestra en la

Figura 8 [5], [9].

1.4.11 Discriminación de frecuencia

Algunos conceptos que ayudan a acercarse al concepto de discriminación de

frecuencia son nombrados a continuación:

Entonación: Característica de la percepción auditiva la cual permite ordenar

sonidos en una escala extendiéndose de abajo hacia arriba. Las variaciones de

entonación generan melodías. La entonación tiene una relación directa con la

cantidad de veces que se repite una forma de onda en el tiempo, es decir, para el

caso de tonos puros es la frecuencia [2].

Para efecto de poder cuantificar la discriminación en frecuencia se elige como

parámetro la entropía.

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22

1.4.12 Entropía

La entropía tiene aplicaciones en diferentes ramas de la ciencia, es útil nombrar

conceptos para el entendimiento de su significado. Partiendo de la Segunda Ley de

la Termodinámica, tomando conceptos de la Teoría de la Información hasta la

definición de la Entropía mínima de Shannon [1].

1.5.12.1 Segunda Ley de la Termodinámica

La ciencia de la termodinámica expresa las propiedades de la materia, siendo su

segunda ley definida así: “Ninguna maquina térmica puede producir un trabajo neto

intercambiando calor con una región a una sola temperatura fija” [1].

De lo anterior se entiende, que un sistema como una máquina para producir

movimiento necesita de una fuente de energía, pero su salida conocida como

trabajo, no puede ser representada en su totalidad, ya que una porción de la energía

de salida llamada “entropía”, hace disminuir la capacidad de transformación de la

energía de entrada [1].

La entropía tiende a crecer constantemente haciendo que un sistema tienda a

alcanzar su estado más probable. Esto quiere decir que la máquina tiende a

detenerse debido a la influencia creciente de la segunda ley de la termodinámica

[1].

1.5.12.2 La neguentropía

Este fenómeno como su nombre lo sugiere va en contra del principio que dicta un

crecimiento progresivo de la entropía, se da por la adaptabilidad de los sistemas,

los cuales extraen entropía constantemente de ellos. Un ejemplo de esto es el

alimento que un ser vivo metaboliza para mantenerse vivo, previniendo su deceso

es decir el crecimiento de la entropía, diciendo esto de otra manera, se genera

entropía negativa extrayendo entropía del medio en el que el sistema actúa

concluyendo que la neguentropía es una medida de orden [1].

Page 23: Proyecto de Grado - USB

23

1.5.12.3 La entropía en la teoría de la información

Esta es una ciencia que hace uso de la información como recurso que puede ser

medido generalmente en unidades de “bits”, además garantiza la trasmisión de

dicha información haciendo uso de canales. La teoría de la información se ocupa de

la transmisión, extracción, clasificación, conservación y medida mediante métodos

matemáticos mas no de verificar su significado ni de comprobar su veracidad [13].

La información como una cantidad medible según lo mencionado se relaciona de

forma directa con el concepto de neguentropía o entropía negativa, es decir, que la

neguentropía es igual a información. Quiere decir esto que la información es una

medida del orden de un sistema. Se hace entonces una mención a una conclusión

formulada por J.J. Miller la cual expresa que en un sistema entre más estados

posibles existen y más relaciones hay entre esos estados, mayor es la energía

destinada por dicho sistema al procesamiento, decisión, almacenaje, y

comunicación [14].

1.5.12.4 Entropía mínima de Shannon

Como parte importante de la definición de entropía, se encuentra su origen descrito

por Claude Shannon para el año de 1948 en la teoría de la información, en la cual

explica que la incertidumbre o información de un sistema pueden ser medidos a

través de la entropía mínima. [15]

La entropía mínima de Shannon se puede interpretar como, la porción de menor

diferencia de correlación entre las líneas espectrales de dos señales [16].

Se presenta en la Ecuación 10 una expresión que suma todos los estados probables

implicados en el análisis de un sistema y las relaciones entre esos estados. Con el

fin de calcular la entropía mínima de Shannon, como también se puede ver en la

Figura 9 la coincidencia de la superposición de señales en la entropía mínima.

𝐻 = − ∑ 𝑝𝑚 ln 𝑝𝑚 𝑚 (10)

Donde: H= Entropía mínima de Shannon m= número de posibles estados del sistema Pm=probabilidad de un estado m

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24

Figura 9. Coincidencia de la superposición de señales en la entropía mínima de Shannon [16].

Cuando se aborda la entropía desde el punto de vista continúo y se posee una

función de densidad de probabilidad. Es útil usar la expresión mostrada en la

siguiente ecuación:

𝐻(𝑥)=− ∫ 𝑓(𝑥)𝑙𝑜𝑔∞

−∞𝑓(𝑥)𝑑𝑥

(11)

1.5.13 Principios físicos en la flauta traversa

La flauta traversa estudiada desde la física, puede asemejarse al modelo de un tubo

abierto en ambos extremos. Cuando una corriente de aire es dirigida a través de

uno de los extremos con la velocidad apropiada se producen ondas estacionarias

dentro del tubo. Parte de dichas ondas se transforman en sonido y se propagan

hacia el oído. Los agujeros dispuestos a lo largo del instrumento pueden abrirse o

cerrarse por medio de la digitación que el músico ejecuta, produciendo de esta

manera un cambio en la longitud efectiva del tubo y por ende un cambio en la

frecuencia de la nota interpretada [17].

1.5.13.1 Apertura de los orificios

Si los orificios de la flauta son abiertos uno a uno desde el final del instrumento hacia

la embocadura el nodo de presión se mueve más hacia arriba, esto es similar a

hacer más pequeño el instrumento. En la flauta traversa cada orificio abierto

produce que se aumente un semitono, es decir si la nota más baja con todos los

orificios tapados fuera un Do4, al abrir cuatro orificios se aumentarían 4 semitonos

produciendo un Mi4 [17].

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25

1.5.13.2 Impedancia acústica de la flauta

La manera en la cual la corriente de aire fluye dentro y fuera de la flauta depende

de la impedancia acústica del agujero de la embocadura. La impedancia acústica

es la cantidad de presión sonora contra el flujo de aire oscilante. Si la impedancia

es baja, el aire fluye dentro y fuera fácilmente y puede ser obtenido un sonido

profundo. De hecho, las resonancias son las frecuencias en las cuales la

impedancia acústica es muy pequeña, estas son muy importantes debido a que ellas

capturan el comportamiento de la corriente del aire [17].

Desde el punto de vista de la construcción del instrumento es importante evaluar el

perfil de la embocadura, el tamaño de la cavidad entre la embocadura y el extremo

de la flauta, y la forma de la embocadura. Las impedancias de la embocadura y la

cavidad son importantes también para la caracterización de la flauta y permiten la

evaluación de la calidad tonal del instrumento, sin embargo solo son nombradas en

el presente documento debido a que no es el tema central de la investigación y

existen otros trabajos que hablan al respecto, incluyendo el libro “the physics of

musical Instruments” de Fletcher y Rossing y varios trabajos de tesis como “Head

joint, embouchure hole and filtering effects on the input impedance of flutes” de John

Smith, Joe Wolfe, y Michael Green [17],[18]

En la Figura 10 se muestra la impedancia de una flauta traversa para la posición

de La4 y La5 y cómo cambia dicha impedancia de acuerdo a la digitación de la

flauta.

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26

Figura 10. Impedancia de la flauta traversa para diferentes digitaciones de La4 [12].

1.5.13.3 Corrección al extremo en la frecuencia de resonancia

Este fenómeno que ocurre en un medio elástico como el aire, depende directamente

de la velocidad de propagación del sonido y de la geometría que adopta la columna

de dicho medio. Sucede entonces que la terminación del tubo (abierta o cerrada)

determina la generación de nodos o antinodos de la onda estacionaria.

El caso de la flauta expone un ejemplo de un tubo abierto en ambos extremos,

donde la generación de su modo de vibración fundamental está dictaminada por la

mitad de la longitud de onda de la columna de aire [19].

La manera en que el aire fluye dentro del tubo en su primer modo de vibración no

causa variaciones apreciables de presión en los extremos del mismo. El nodo que

se encuentra en el centro, produce variaciones muy bajas de presión con respecto

a la presión atmosférica, mientras que los nodos que se encuentran en los extremos,

sí producen variaciones apreciables de este tipo generando desplazamiento; por

esta razón se presenta una corrección de la Ecuación 12 [19].

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27

(12)

c = Velocidad del sonido l = Longitud del tubo d = Diámetro del tubo n = Número de armónico 1,2, 3...

1.5.14 Velocidad de propagación del sonido en el tubo de impedancia Es importante en el análisis de las frecuencias de resonancia el factor de la

temperatura, por esto se presenta en la Ecuación 3 una aproximación de la

velocidad de propagación del sonido teniendo en cuenta la variable de temperatura.

A la hora de determinar la velocidad del sonido por medios experimentales puede

ser usado un tubo de impedancia o tubo de Kundt [21].

El tubo de Kundt o tubo de impedancia es un instrumento usado para medir

diferentes características del fenómeno sonoro, entre ellas se encuentra la medición

de la velocidad de propagación del sonido. El dispositivo consiste en un tubo

soportado sobre una base, un pistón que consta de una varilla y un disco en un

extremo del tubo, y una bocina al otro extremo como puede verse en la Figura 11.

Figura 11. Partes de tubo de impedancia.

El experimento se basa en alimentar la bocina con una frecuencia fundamental

proporcionada por un generador de señales y encontrar la diferencia de longitud

entre dos nodos de la onda haciendo uso de un micrófono móvil a lo largo del tubo.

De esta forma se determina la longitud de onda dada en la Ecuación 1 y por ende

la velocidad del sonido “C”.

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28

1.5 ESTADO DEL ARTE

Un cuestionamiento que se ha generado en aras de entender el funcionamiento del

oído en la percepción de sonidos complejos, lleva en 1964 a R. Plomp a realizar un

trabajo de investigación sobre cómo el sistema auditivo tiene la capacidad de

distinguir un tono simple entre una señal compleja, siendo el caso particular cuando

los tonos adyacentes superan el ancho de banda crítica. A través de su estudio

demostró también la dificultad del sistema auditivo para reconocer tonos simples

cuando se presentan situaciones de reconocimiento en baja frecuencia, destacando

el ancho de banda crítica como parte esencial en el análisis de frecuencia en el

sistema auditivo. Dentro de su investigación se puede destacar algunos puntos

clave de su estudio como; el análisis de inarmónicos de tonos complejos, con el cual

explica la habilidad del oído de reconocer la proporción entre los intervalos de

frecuencia, el enmascaramiento de patrones entre tonos complejos y la

diferenciación entre la ejecución de tonos simples [22].

Como continuación de los estudios de Plomp junto con Levelt, en 1965 realizan una

investigación para demostrar la teoría propuesta por Helmholtz. Estos dos

científicos pretendieron explicar a través de la experimentación, la relación de la

consonancia y disonancia, como también determinar el papel que juega el ancho de

banda crítica para soportar la consonancia entre intervalos de radios enteros de

frecuencias simples. A través de su evaluación determinaron la consideración de

sonidos consonantes, cuando sus “diferencias en frecuencia superan el ancho de

banda crítica,” mientras que para el caso de sonidos disonantes, se refirieron a los

“intervalos con diferencias de frecuencia de una cuarta parte de su ancho de banda.”

Por los resultados y análisis obtenidos en su investigación, corroboraron la

estructuración de los acordes de la música occidental en su respectivo orden de

percepción de sonoridad, como sensaciones placenteras o rugosas [5].

Como desarrollos posteriores, Investigadores pertenecientes a diferentes

instituciones académicas en Corea, en el año 2008 propusieron un algoritmo de

afinación con el fin de maximizar la consonancia en el temperamento igual de tonos

sintetizados. Basándose en el principio que plantea el temperamento igual como

metodología de afinación con más consonancia en espectro de frecuencia entre los

intervalos de las escala musicales, procuran resolver las disonancias generadas por

este sistema de afinación, partiendo de correcciones en tonos sintetizados,

correcciones que en instrumentos acústicos es imposible de obtener. Estas

correcciones pretenden ajustar los armónicos de los tonos que se ubican en los

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29

intervalos de la octavas, buscando así la mayor coherencia entre acordes y

maximizando su consonancia en instrumentos sintetizados [23].

Además, en 2012 Haye Hinrichsen, describe la función de la entropía en la afinación

de instrumentos musicales, donde muestra cómo el sistema auditivo es fundamental

para el estudio de la afinación por entropía. Destacando como el recurso más

potente que posee el ser humano en la afinación, su propio sistema auditivo, con el

cual es capaz de reconocer y diferenciar la inarmonicidad de los tonos musicales.

Además esta capacidad, le permite al ser humano distinguir pequeñas variaciones

en la correlación de armónicos. Es importante destacar de esta investigación los

temas tratados sobre inarmonicidad, la percepción psicoacústica de la afinación y

la entropía como explicación del proceso del oído humano para la afinación de

instrumentos musicales [3].

Por otra parte, la compañía alemana Tronical, creada por la idea de Chris Adams,

desarrollo un dispositivo electrónico que afina guitarras de manera autónoma, está

idea fue vendida con gran éxito a Gibson Guitars, y otras marcas, y ha sido probado

y utilizado por guitarristas como Uli John Roth, Steve Vai, y Billy Corgan. Chris

Adams tardó 10 años en desarrollar el dispositivo afinador de la guitarra con ajuste

automático a prueba de errores para una guitarra que sería revolucionario en el

mundo de los afinadores de instrumentos como lo es la Gibson Robot Guitar. Adams

desarrolló también algoritmos que permitieran a la guitarra cambiar de escalas de

afinación con gran facilidad [24].

Para el año 2010 Davidson y Harriman como autores de la patente “Tuning a musical

instrument,” describieron en su artículo un dispositivo afinador para la flauta

traversa, en función de facilitar el ajuste del instrumento para ejecución en obras

musicales. Su propuesta parte de un dispositivo actuador que permite ajustar las

partes móviles tubulares de la flauta traversa implicadas en su afinación,

controlando electrónicamente su posicionamiento por un actuador que funciona

sobre un brazo mecánico. Partes que son comandadas por un algoritmo que realiza

una comparación entre una señal de entrada y un tono de referencia. Esta patente

describe de manera global una idea de un sistema afinador mecatrónico para la

flauta traversa [6]. Se pretende teniendo en cuenta esta idea planteada solo

teóricamente ; materializarla y además desarrollar un algoritmo de comparación de

muestras de audio distinto al que se propone en la patente, no solo teniendo en

cuenta la frecuencia fundamental sino el contenido armónico y la entropía mínima

de Shannon, entendiendo que esta es parte importante en el proceso de afinación.

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30

2. METODOLOGÍA

Este proyecto se planteó y estructuró usando un método para el diseño en ingeniería

de modelo descriptivo, comprendido en cuatro fases para el planteamiento y

desarrollo del dispositivo afinador mecatrónico para la flauta traversa.

2.1 FASE 1. ANÁLISIS DE LA FLAUTA TRAVERSA

Para el análisis previo al desarrollo del dispositivo afinador de la flauta traversa se

planteó realizar un procedimiento teórico-experimental donde se determinó el rango

de frecuencias de acuerdo a los cambios de longitud total del instrumento, el

comportamiento de los armónicos y cómo afecta la temperatura ambiente la

afinación del instrumento. Por medio del análisis de los resultados obtenidos en este

procedimiento se determinaron los parámetros de funcionamiento del dispositivo y

el tono de referencia de afinación.

2.1.1 Prueba 1: Efecto causado en la frecuencia de afinación por la variación de la longitud efectiva de la flauta

El ajuste de la afinación de la flauta traversa depende de la longitud efectiva del tubo

dada por la digitación o el ajuste sus partes (cabeza y cuerpo). Se planteó entonces

realizar una prueba que permita obtener el comportamiento del rango de frecuencias

por el cambio en la posición de la cabeza de la flauta. Mediante la experimentación

se realizó una toma de muestras de audio variando la longitud de las partes

implicadas en el ajuste del instrumento para la frecuencia de afinación A4 con

frecuencia fundamental 440 Hz. Esta prueba determinará la relación de

desplazamiento para el ajuste de las partes que debe realizar el dispositivo afinador

mecatrónico.

2.1.2 Prueba 2: Comportamiento de los armónicos por la variación de la longitud efectiva de la flauta traversa

Para determinar el ajuste de afinación de la flauta traversa es importante analizar el

comportamiento de los armónicos cuando se presentan variaciones en la posición

de las partes del instrumento (cabeza y cuerpo). Por lo tanto se planteó realizar una

prueba que permita evaluar dicha variación en la relación de armónicos con

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31

respecto a la frecuencia 440 Hz, con el fin de determinar en el dispositivo los

parámetros que define la correlación de armónicos y la referencia de afinación.

2.1.3 Prueba 3: Influencia de la temperatura ambiente en la afinación de la flauta traversa.

La temperatura ambiente puede modificar la afinación de la flauta traversa, debido

a la dependencia de la velocidad del sonido con esta variable, esto presenta una

implicación en la longitud de onda la cual es determinante en la longitud efectiva

del tubo resonante. Por esta razón se planteó una prueba que permitió analizar el

comportamiento de la afinación de la flauta traversa por la variación de la

temperatura ambiente.

Mediante toma muestras de audio del instrumento afinado en 440Hz a una

temperatura de referencia, se realizaron variaciones controladas por medio del aire

acondicionado del recinto de la prueba para analizar el efecto causado en la

afinación.

2.1.4 Prueba 4: Medición de la velocidad de propagación del sonido

Se realizó una prueba para medir la velocidad del sonido utilizando el método del

tubo de impedancia o tubo de Kundt para verificar el fenómeno en el recinto donde

se realizan las pruebas mencionadas anteriormente. Se efectuó en este

procedimiento una comparación de los resultados con los obtenidos en la prueba

por variación de la temperatura.

2.1.5 Prueba 5: Evaluación subjetiva de la discriminación en frecuencia

La flauta traversa puede presentar fluctuaciones en la frecuencia de afinación por la

técnica de ejecución del instrumentista. Por esto se planteó realizar una prueba que

permita evaluar si dichas fluctuaciones son percibidas como desafinación por medio

de la discriminación en frecuencia.

La prueba consistió en una evaluación subjetiva que permita determinar el rango de

frecuencias cercanas a 440 Hz que no son percibidas como un cambio de tono. Los

resultados obtenidos de esta prueba se establecieron el ancho de banda de

operación del dispositivo para la afinación del instrumento.

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32

2.2 FASE 2. DISEÑO DEL DISPOSITIVO

Se planteó el diseño del dispositivo afinador como una serie secuencial de procesos

que ejecutan la función de ajuste de afinación de la flauta traversa. Se establecieron

entonces los sistemas que componen el dispositivo para su desarrollo y las

consideraciones que se deben tener en cuenta para el correcto funcionamiento. A

partir de esto se eligió el criterio para la solución del problema, su diseño y

construcción.

2.3 FASE 3. ALGORITMO DE PROCESAMIENTO

El algoritmo de procesamiento se define como uno de los sistemas integrados que

componen el dispositivo, encargado del proceso de análisis de la flauta traversa y

su operación de ajuste. Se establecieron entonces los parámetros de

procesamiento del algoritmo para el planteamiento del pseudocódigo y determinar

la plataforma de desarrollo informático.

2.4 FASE 4. PRUEBAS DEL DISPOSITIVO

Para determinar el correcto funcionamiento del dispositivo se planteó la realización

de pruebas como fase de control, evaluando los errores del dispositivo, su

funcionamiento y la evaluación de operación por músicos flautistas, estipulando así

las mejoras futuras para el dispositivo afinador.

2.4.1 Errores del dispositivo

Mediante la prueba de errores se evaluó cómo afectan los sistemas integrados del

dispositivo en el proceso de afinación.

2.4.2 Funcionamiento

Mediante la prueba se evaluó el funcionamiento del dispositivo por la variación de

la posición de las partes implicadas en la afinación, ejecutando la función de

afinación y analizando su comportamiento.

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33

3. PROCEDIMIENTO

Para el desarrollo del procedimiento se aplicaron las metodologías propuestas.

3.1 FASE 1. ANÁLISIS DE LA FLAUTA TRAVERSA

Mediante la fase de análisis de la flauta traversa se pretendió obtener los

lineamientos y parámetros de funcionamiento del dispositivo afinador. Se llevó a

cabo entonces el procedimiento de cinco pruebas para evaluar las características

que influyen en la afinación de la flauta traversa, estas son: variación de la longitud

efectiva de la flauta, comportamiento de los armónicos, influencia de la temperatura,

medición de velocidad del sonido y discriminación en frecuencia. Se eligió el estudio

D de la Universidad de San Buenaventura Medellín como lugar más propicio para

la experimentación y ejecución de las primeras 4 pruebas, ya que este presentó un

bajo ruido de fondo y materiales que permiten atenuar las reflexiones del cuarto. En

el caso de la prueba de discriminación en frecuencia se utilizó el salón 102 C. Se

estableció 27oC como la temperatura de referencia para las pruebas.

3.1.1 Prueba 1: Efecto causado en la frecuencia de afinación por la variación de la longitud efectiva de la flauta.

Para evaluar el efecto causado en la frecuencia de afinación 440 Hz por la variación

de la longitud efectiva del instrumento, se procedió a determinar la referencia de

afinación marcando su posición sobre la unión entre la cabeza y el cuerpo de la

flauta, realizando 10 marcas adicionales en la parte superior e inferior de la

referencia a razón de 1 mm.

Para el desarrollo de la prueba se situó de pie el instrumentista en el centro del

recinto utilizando una técnica de microfonía cercana sobre la embocadura de la

flauta a 10 cm de la misma. Se utilizó un micrófono de medición con patrón

omnidireccional para la toma de muestras.

Se estableció un tiempo de ejecución de 3 segundos a un tempo de 80 beats por

minuto (bpm) para cada muestra variando la posición de la cabeza de la flauta a

razón de las marcas efectuadas.

Las muestras obtenidas en la experimentación se procesaron a través de la

aplicación de la transformada rápida de Fourier o FFT, tabulando los datos de la

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34

frecuencia fundamental para su posterior análisis. Para información detallada del

procedimiento, véase Anexo A.1.

3.1.2 Prueba 2: Comportamiento de los armónicos por la variación de la longitud efectiva de la flauta traversa.

Para evaluar el comportamiento de los armónicos por el efecto causado en la

variación de la cabeza de la flauta, se realizó el mismo procedimiento de la

prueba 1.

Las muestras obtenidas en la experimentación se procesaron a través de la

aplicación de la transformada rápida de Fourier o FFT, tabulando los datos de los

primeros 5 armónicos de cada muestra. Para información detallada del

procedimiento, véase Anexo A.2.

3.1.3 Prueba 3: Influencia de la temperatura ambiente en la afinación de la flauta traversa.

Para la evaluación del efecto causado por la temperatura en la afinación de la flauta

traversa, se realizó el siguiente procedimiento. Se reguló la temperatura del lugar a

27oC como referencia establecida para el desarrollo de las pruebas, haciendo uso

del sistema de aire acondicionado del recinto.

Luego de la estabilización de la temperatura ambiente se procedió a la afinación de

la flauta traversa en la frecuencia de referencia 440 Hz. Se realizó la toma de

muestras bajando la temperatura a razón de 1oC hasta llegar a 23 oC, manteniendo

la posición de afinación inicial.

Las muestras obtenidas en la experimentación se procesaron a través de la

aplicación de la transformada rápida de Fourier o FFT, tabulando los datos de los

primeros cinco armónicos de cada muestra por variación de cada grado de

temperatura. Para información detallada del procedimiento, véase Anexo A.3.

3.1.4 Prueba 4: Medición de la velocidad de propagación del sonido.

Haciendo uso del tubo de impedancia se realizó el procedimiento para la medición

de la velocidad de propagación del sonido. Para la ejecución de la prueba se

establecieron las frecuencias 500, 1000 y 4000 Hz, que se generaron mediante

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35

software para su amplificación y reproducción dentro del tubo. Con las ondas

estacionarias que se presentaron al interior, se midieron los máximos y mínimos de

amplitud marcando en la varilla provista del micrófono la posición de la misma. Es

importante destacar que la temperatura ambiente fue de 27oC como referencia.

Con los resultados obtenidos de haber medido las distancias entre las marcas de la

varilla, se hizo uso la teoría de resonancia en tubos para el cálculo de la longitud de

onda y posteriormente la velocidad del sonido.

Una vez obtenida la velocidad se realizó una comparación con los resultados

teóricos de la prueba 3 (Influencia de la temperatura ambiente en la afinación de la

flauta traversa). Para información detallada del procedimiento, véase Anexo A.4.

3.1.5 Prueba 5: Evaluación subjetiva de la discriminación en frecuencia.

Para generar el parámetro que indique en el dispositivo afinador la correcta

afinación de la flauta traversa se realizó la evaluación subjetiva de la discriminación

en frecuencia, con la cual se evaluó en un grupo de músicos la percepción de

desafinación por la diferencia de tono.

Para el desarrollo de esta prueba se hizo una investigación previa de estudios

realizados para la evaluación de la discriminación en frecuencia, eligiendo el diseño

propuesto por Robert Manell “Pure Tone Frequency Discrimination: An Examination

of Experimental Methodology” de la Universidad de Macquarie en Sídney-Australia,

para la adaptación a la frecuencia de 440 Hz [25]. Se tomó la recomendación para

la evaluación de pruebas subjetivas UIT-R BS.1116.1 [26], propuesta por la Unión

Internacional de Telecomunicaciones con título “Métodos para la evaluación

subjetiva de pequeñas degradaciones de audio en los sistemas de sonido

multicanal”. Tomando como punto de partida los anteriores documentos se

establecieron los lineamientos para su ejecución.

Para la prueba se establecieron secuencias de 41 muestras de audio con barridos

de frecuencia ascendentes y descendentes con variaciones de ancho de banda

entre 20 y 1 Hz, que se disponen de forma aleatoria. A cada participante le

corresponde una secuencia diferente. Se generó además una secuencia de

adiestramiento con barridos entre 50 y 2 Hz, para la familiarización del participante

con la prueba y evitar confusiones.

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36

La elección de la población que participó en la prueba se definió como músicos de

la ciudad de Medellín. Debido a que dicha población es de difícil cuantificación, se

hizo uso del teorema del límite central [27], para seleccionar la muestra poblacional

y validar los datos estadísticos. Se realizó entonces una prueba piloto con 30

participantes. A partir de los resultados obtenidos se consideró necesario encuestar

7 participantes más para una muestra total de 37, con el fin de aproximar los

resultados del estudio a una distribución normal. Para información detalla del

procedimiento, véase Anexo A.5.

3.2 FASE 2. DISEÑO DEL DISPOSITIVO

Para el diseño y construcción del dispositivo se plantearon las consideraciones que

se debieron tener en cuenta en el desarrollo del mismo, definiendo así los criterios

de funcionamiento de cada etapa y su interconexión Figura 12.

Es necesario de un sistema mecánico que realice el desplazamiento de las

partes de la flauta, de fácil montaje, liviano y cómodo al momento de la

ejecución del instrumento.

Se requiere de un componente actuador que transmita movimiento al sistema

mecánico con la fuerza suficiente para vencer la fricción entre las partes de

la flauta y permita controlar la posición del sistema mecánico.

Para la operación del actuador es necesario un sistema de control que

ordene el movimiento que debe realizar como indicador de la posición para

el desplazamiento de las partes.

Para determinar la operación de control es necesario un sistema de

procesamiento que realice el análisis de la flauta y determine el

funcionamiento del dispositivo para el ajuste de la afinación.

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37

Figura 12. Esquema de operación del dispositivo afinador mecatrónico para la flauta traversa. Etapa de captura: digitalización del sonido generado por la flauta traversa para su posterior análisis y procesamiento. Etapa de procesamiento: algoritmo cuya función es analizar la señal de la flauta capturada, para su procesamiento y determinación de la función de operación del sistema de control. Etapa de control: proceso para la determinación de la función de operación del sistema electrónico. Etapa electrónica: actuador que realiza el movimiento en el sistema mecánico. Etapa mecánica:

componente que realiza el proceso de desplazamiento de las partes de la flauta.

3.2.1 Sistema mecánico

Para el planteamiento del mecanismo, se realizó una investigación previa entre

herramientas cotidianas que contengan sistemas que permitan la separación de dos

cuerpos. Entre los elementos hallados que pueden ser adaptados para el

desplazamiento de las partes de la flauta, se encontraron el compás de precisión y

el gato con husillo, usado comúnmente para elevar vehículos de transporte liviano.

Ambos sistemas contienen un tornillo sin fin que al rotar sobre su eje, hace

desplazar tuercas conectadas a brazos o soportes.

Se plantean entonces los elementos que componen el sistema mecánico, eligiendo

un tronillo sin fin de 6 mm de diámetro con paso de 1 mm por vuelta, rodamientos

para la rotación continua del tornillo y tuercas para el desplazamiento sobre el

tornillo. Con estos elementos diseña del sistema mecánico. Para información

detallada del diseño del mecanismo, véase Anexo B.1.

3.2.2 Sistema actuador

Para la elección del sistema del sistema actuador encargado de transmitir el movimiento al sistema mecánico, se realizó una investigación previa de motores electrónicos que permita transmitir la fuerza necesaria para vencer la fricción que existe entre las partes. Se encontró en el mercado local dos tipos de actuadores: motor paso a paso y servo-motor. Entre ellos se eligió trabajar con el servo motor por su peso, tamaño, torque y facilidad de montaje, además este puede ser controlado por microcontrolador determinando el sentido y velocidad de rotación. Para el servo-motor de rotación continua elegido no se puede ejercer una función de control de la posición de rotación, por lo que se implementa un elemento para monitoreo de la posición del servo llamado encoder, este permite leer un disco

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perforado en pasos de 45o grados, que rota sobre el eje del motor. El encoder se compone de un fotodiodo que se comporta como switch interrumpiendo la señal al paso de las perforaciones en el disco, permitiendo la lectura de los pulsos generados en el microcontrolador.

Para determinar la fuerza que debe superar el servo-motor se procedió a medir

mediante dinamómetro, los Newtons requeridos para superar la fuerza de

rozamiento que existe entre la cabeza y cuerpo de la flauta. Mediante el resultado

obtenido se determinó el torque que debe tener el servo-motor para su integración

en el dispositivo. Para información de la ficha técnica de los elementos del sistema

actuador, véase Anexo B.2.

3.2.3 Sistema de control

Se eligió cómo sistema de control la plataforma de desarrollo Arduino UNO, la cual

mediante un software de programación, permite utilizar librerías para la operación

del servo-motor y lectura de encoder. Esta plataforma además permite la

polarización de los componentes actuadores y la conectividad al puerto serial de un

computador para su conexión e interacción con el software de desarrollo.

Se procedió a la programación de control de los actuadores utilizando herramientas

del software de programación y el parámetro definido de la relación de movimiento

en frecuencia en la prueba 1. Para información detallada del código de

programación, véase Anexo B.3.

3.2.4 Sistema de procesamiento

Como etapa principal en el análisis para la afinación de la flauta traversa, se eligió

la plataforma de desarrollo informático Matlab 2013a, por permitir la interacción con

el sistema de control Arduino UNO. El desarrollo del sistema de procesamiento

puede verse en el siguiente procedimiento, Fase 3.

3.2.5 Sistema de captura

Se realizó un análisis previo para la determinación del proceso de captura de la

señal, planteando 3 modelos: por integración de un micrófono al dispositivo, por

micrófono de calibración conectado a una interfaz de audio o por el micrófono

integrado del computador. Se eligió entonces realizar el proceso de captura de la

Page 39: Proyecto de Grado - USB

39

señal por el integrado del computador, evitando añadir más procesos al desarrollo

de este prototipo afinador cuyo objetivo es ser funcional. La programación de este

proceso de captura para la grabación de la señal y su posterior análisis se vincula

al sistema de procesamiento, véase a continuación en el procedimiento de la

Fase 3.

3.3 FASE 3. ALGORITMO DE PROCESAMIENTO

El diseño y programación del algoritmo se realizó en 3 etapas: planteamiento del

pseudocódigo, funciones en la programación del algoritmo y elementos para la

operación de la interfaz de usuario.

3.3.1 Pseudocódigo.

En el sistema de procesamiento se planteó mediante diagrama de cajas el

pseudocódigo para su posterior programación en el software Matlab tal como puede

verse en la Figura 13.

Page 40: Proyecto de Grado - USB

40

Figura 13. Pseudocódigo en diagrama de cajas del sistema de procesamiento.

Page 41: Proyecto de Grado - USB

41

3.3.2 Funciones en la programación del algoritmo.

Mediante el planteamiento del pseudocódigo se describen las funciones de

operación para la programación del algoritmo:

1. Captura de la flauta a una frecuencia de muestreo de 48kHz a 16 bits.

2. Construcción de la señal de referencia de por medio de ondas simples para

los 6 primeros armónicos con frecuencia de muestreo de 48kHz a 16bits.

3. Procesamiento de las señales capturadas mediante la transformada rápida

de Fourier o FFT.

4. Comparación mediante la diferencia entre los armónicos de las amabas

señales.

5. Cálculo de la relación de movimiento para la interacción con el sistema de

control.

6. Relación de desafinación de la flauta mediante la entropía mínima de

Shannon.

7. Aprobación de afinación por la discriminación de frecuencia en relación a la

entropía mínima de Shannon para la frecuencia fundamental de la flauta.

8. En caso de no correspondencia de la entropía al rango establecido por la

discriminación en frecuencia, se envía la relación de movimiento al sistema

de control para el ajuste de la posición de la cabeza de la flauta.

Para información del código de programación del algoritmo, véase Anexo C.

Page 42: Proyecto de Grado - USB

42

3.3.3 Diseño de interfaz gráfica.

Determinación de los elementos que componen la interfaz gráfica para la operación

del usuario:

Gráficos:

Forma de onda: muestra la onda de la señal capturada.

FFT: permite la comparación de la señal capturada y la referencia de

afinación.

Botones:

Analizar: ejecuta la función de captura de la afinación de la flauta.

Afinar: ejecución de la función de ajuste de afinación de la flauta.

Up/Down: opera el movimiento del dispositivo en cabeza de la flauta sin

intervención en la afinación.

Cuadros de texto:

Armónicos: muestra el resultado obtenido del análisis de la flauta en Hz

para cada armónico.

Entropía mínima: muestra la relación de afinación por la entropía mínima

de Shannon para cada armónico.

Mensajes emergentes:

Análisis completo: una vez finalizado el proceso de captura y análisis de

la captura.

Afinación exitosa: una vez la relación de la entropía mínima de Shannon

está en el rango definido para la discriminación en frecuencia.

Barra de herramientas:

Zoom in/out: herramienta para modificar las gráficas mostradas en la

interfaz.

Mano: herramienta para desplazar las gráficas en de la interfaz.

Cursor: herramienta para observar datos específicos de las gráficas de la

interfaz.

Para información detallada de la interfaz gráfica véase el Anexo D.

Page 43: Proyecto de Grado - USB

43

3.4 FASE 4. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL DISPOSITIVO

Para evaluar el dispositivo afinador se realizaron las pruebas de error y de

funcionamiento del dispositivo.

3.4.1 Prueba 6: Errores del dispositivo

El dispositivo afinador por estar compuesto por varios sistemas puede presentar

errores en el funcionamiento. Para la presente prueba se evaluaron los errores que

intervienen en el desplazamiento de la cabeza de la flauta dado por imperfecciones

de los elementos que componen el sistema mecánico, esto sumado a los errores de

sistema actuador por la inercia que genera el servo-motor luego de parar la rotación.

Para medir el error se realizaron órdenes de operación sobre el dispositivo para el

desplazamiento de la cabeza de la flauta en extensión y reducción de la longitud por

variación de 1 cm, midiendo con el pie de rey la separación de los brazos del

dispositivo y así compararla con el desplazamiento ideal, obteniendo el error del

dispositivo y el efecto causado en la frecuencia.

3.4.2 Prueba 7: Funcionamiento

Para evaluar el resultado de la función de afinación del dispositivo, se realizaron

marcas por milímetro adyacentes hasta 1 cm por encima y por debajo de la

referencia de afinación. Se procedió a realizar variaciones progresivas utilizando el

dispositivo afinador para el análisis de la flauta y la ejecución de la función de

afinación, repitiendo este proceso para cada variación en la extensión de la cabeza

de la flauta. Se tabularon los datos para el posterior análisis de la prueba. Esta

prueba fue realizada en el estudio D de la Universidad de San Buenaventura

Medellín.

Page 44: Proyecto de Grado - USB

44

4. RESULTADOS

Los resultados obtenidos se presentan por cada fase como etapas de desarrollo del

dispositivo afinador mecatrónico de la flauta traversa.

4.1 FASE 1. ANÁLISIS DE LA FLAUTA TRAVERSA

Presentación de los resultados obtenidos de las pruebas para el análisis de la flauta

traversa, con el fin de obtener los parámetros que determinan el funcionamiento del

dispositivo afinador.

4.1.1 Variación de la longitud efectiva de la flauta

De la prueba realizada para el análisis del comportamiento de la flauta traversa por

la variación de la longitud efectiva de la flauta para la frecuencia de afinación 440Hz,

se promediaron los resultados de 5 muestras tomadas por cada variación de

milímetro. Con el promedio obtenido se realizó el cálculo del paso de frecuencia por

el desplazamiento de la cabeza de la flauta Tabla 2.

Tabla 2. Efecto causado en la afinación por la variación de la posición de la cabeza de la flauta. Promedio de los resultados obtenidos en la prueba 1 para determinar la relación de desplazamiento

del sistema mecánico.

Frecuencia Hz Δ Hz Error

X (mm) Teórico Promedio Teórico Promedio Absoluto Relativo

-10 454,67 453,94 ------------- ------------- ------------- ------------- -9 453,05 452,06 1,61 1,88 0,27 0,16 -8 451,44 451,04 1,61 1,02 0,59 0,37 -7 449,82 449,62 1,61 1,42 0,19 0,12 -6 448,21 447,92 1,61 1,70 0,09 0,05 -5 446,59 446,24 1,61 1,68 0,07 0,04 -4 444,98 445,02 1,61 1,22 0,39 0,24 -3 443,36 443,44 1,61 1,58 0,03 0,02 -2 441,75 443,26 1,61 0,18 1,43 0,89 -1 440,13 441,80 1,61 1,46 0,15 0,10 0 438,52 439,16 1,61 2,64 1,03 0,64 1 436,91 437,54 1,61 1,62 0,01 0,00 2 435,29 435,84 1,61 1,70 0,09 0,05 3 433,68 435,02 1,61 0,82 0,79 0,49 4 432,06 432,42 1,61 2,60 0,99 0,61 5 430,45 429,78 1,61 2,64 1,03 0,64 6 428,83 427,72 1,61 2,06 0,45 0,28 7 427,22 426,26 1,61 1,46 0,15 0,10 8 425,60 424,58 1,61 1,68 0,07 0,04 9 423,99 423,44 1,61 1,14 0,47 0,29

10 422,37 422,72 1,61 0,72 0,89 0,55

Promedio Total 1,61 1,56 0,46 0,28

Page 45: Proyecto de Grado - USB

45

Se presenta el comportamiento de la frecuencia por la variación de la cabeza de la flauta en la Figura 14.

Figura 14. Comportamiento de la frecuencia por el efecto causado en la variación de la posición. Respuesta lineal a la variación por milímetros de la cabeza de la flauta, correspondiente a la ecuación y = -1,6141 x + 438,52 con un coeficiente de correlación de 0,993.

Page 46: Proyecto de Grado - USB

46

Para verificar el comportamiento de la respuesta en frecuencia en la sección de

desplazamiento evaluada por la variación de la posición de la cabeza de la flauta,

se presenta en la Figura 15 la proyección de las líneas de tendencia para la

comparación con el comportamiento en un tubo abierto-abierto y su corrección al

extremo. Como análisis de esta comparación se puede establecer que la variación

realizada en la experimentación corresponde a un comportamiento lineal para esta

pequeña región.

Figura 15. Proyección del comportamiento de la frecuencia fundamental para la flauta traversa, tubos

abiertos en ambos extremos y su corrección al extremo, en la variación de la extensión del tubo.

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47

4.1.2 Armónicos en la flauta traversa

Por la prueba realizada para para verificar el comportamiento de los armónicos de

la flauta por la variación de la cabeza del instrumento, se obtiene el promedio de

armónicos Tabla 3, dado por tomas de 5 muestras por variación de milímetro.

Tabla 3. Comportamiento de los armónicos de la flauta traversa por la variación en la posición de la cabeza de la flauta. Promedio de los armónicos obtenidos en la prueba 2.

Promedio Armónico (Hz)

X (mm) 1 2 3 4 5

-10 454,0 907,9 1361,8 1815,8 2269,3 -8 449,7 899,6 1349,0 1798,7 2251,0 -6 447,6 895,0 1343,0 1787,3 2236,0 -4 444,7 888,4 1333,0 1777,8 2223,2 -2 442,5 884,1 1326,8 1770,0 2212,0 0 439,6 879,5 1320,0 1760,0 2200,8 2 435,9 871,3 1306,5 1742,3 2179,0 4 435,2 871,7 1303,8 1741,4 2175,8 6 432,8 863,6 1299,0 1730,2 2164,3 8 428,6 855,3 1283,8 1714,0 2141,3 10 421,2 846,6 1270,1 1694,2 2116,8

Se obtienen las ecuaciones que rigen el comportamiento de los armónicos para su

comparación teórica, y verificar si corresponden a la relación del entero de la

frecuencia fundamental.

Tabla 4. Ecuaciones del comportamiento lineal de los de armónicos de tabulados en la tabla 3.

Para observar el comportamiento de los armónicos por la variación de la longitud se

genera la Figura 16, como proyección de las líneas de tendencia de los armónicos

regidas por las ecuaciones mostradas en la Tabla 4.

Armónico Ecuación Coeficiente de Correlación

1 -1,4274x+439,70 0,9674 2 -2,8151x+878,50 0,9134 3 -4,2091X+1318,0 0,9768 4 -5,4986X+1757,5 0,9746 5 -6,9631X+2197,4 0,9743

Page 48: Proyecto de Grado - USB

48

Figura 16. Extensión de armónicos por las ecuaciones de la tabla 4.

4.1.3 Influencia de la temperatura ambiente en la afinación de la flauta traversa.

De la prueba 3 realizada para determinar la influencia de la variación de la

temperatura en la afinación de la flauta traversa, se obtiene el promedio de

armónicos de 10 muestras registradas por cada variación de grado centígrado

Tabla 5. Promedio de los armónicos obtenidos de la prueba 3 por la variación de la temperatura ambiente.

Promedio armónico (Hz) OC 1 2 3 4 5

27 440,74 881,32 1321,20 1762,00 2202,00 26 439,96 879,92 1320,20 1739,60 2199,80 25 439,94 879,70 1319,60 1760,00 2199,60 24 440,32 880,38 1321,40 1761,60 2201,60 23 440,14 880,42 1320,00 1760,00 2202,80

Promedio 440,22 880,35 1320,50 1756,60 2201,20

Como los resultados obtenidos en la Tabla 5, del promedio de los armónicos se

comportan de manera similar, se realizó la comparación de su promedio con la

referencia teórica para 440 Hz Figura 17, mostrando la establididad de los armónicos

por la variación de la temperatura en la prueba hecha con la flauta.

Page 49: Proyecto de Grado - USB

49

Figura 17. Comparación entre el promedio de armónicos de la tabla 5 y la referencia teórica.

Para verificar el efecto causado por la variación de la temperatura en longitud del

tubo efectivo para 440 Hz y realizar un análisis con resultados obtenidos en la

prueba 3, se realizó el cálulo teórico (Tabla 6) para un tubo abierto en ambos

extremos, observando el comportamiento de la velocidad de propagación del

sonido, la longitud de onda correspondiente y la longitud que debe presentar el tubo

para resonar a 440 Hz.

Tabla 6. Velocidad del sonido, longitud de onda y longitud efectiva del tubo para 440 Hz, abierto en

ambos extremos por la variación de la temperatura.

𝑻 oC 𝑪 m/s 𝝀 𝑳 m

27 347,6 0,790 0,395 26 347,0 0,789 0,394 25 346,4 0,787 0,394 24 345,8 0,786 0,393 23 345,2 0,785 0,392

Page 50: Proyecto de Grado - USB

50

4.1.4 Determinación de la velocidad de propagación del sonido

Mediante la prueba realizada para medir la velocidad de propagación del sonido a 27oC por el método de tubo de impedancia se obtienen los resultados correspondientes a λ/2 para las frecuencias de 500, 1000 y 4000 Hz mostrados de la Tabla 7.

Tabla 7. Resultados obtenidos de la prueba 4. Contiene la separación entre los máximos y los mínimos para promediar λ/2.

Δ X (cms)

Frecuencia Hz Máximo 1 y 2 Máximo 2 y 3 Mínimo 1 y 2 Mínimo 2 y 3 Promedio

500 33,7 33,4 34,7 35 34,2 1000 17,2 17,2 17,5 17,6 17,4 4000 9,0 8,7 8,8 9,0 8,9

Por medio de los resultados obtenidos se presenta la velocidad de propagación del sonido calculada para diferentes frecuencias en el tubo de impedacia Tabla 8.

Tabla 8. Velocidad del sonido obtenida a 27oC para las frecuencias 500, 1000 y 4000 Hz.

Frecuencia (Hz) Velocidad Sonido (m/s)

500 342,0 1000 347,5 4000 355,0

Promedio 348,2

Page 51: Proyecto de Grado - USB

51

4.1.5 Discriminación en frecuencia

Por la prueba subjetiva realizada para la evaluación de la discriminación en frecuencia se

presentan los resultados estadísticos en la Tabla 9.

Tabla 9. Resultado de la prueba de discriminación en frecuencia.

Número de barrido n

Ancho de Barrido (Hz)

Proporción %

Desviación Estándar %

Intervalo de Confianza%

1 35 20 8,6 4,7 9,3

2 37 19 13,5 5,6 11,0

3 36 18 16,7 6,2 12,2

4 41 17 19,5 6,2 12,1

5 48 16 16,7 5,4 10,5

6 31 15 16,1 6,6 12,9

7 37 14 21,6 6,8 13,3

8 40 13 17,5 6,0 11,8

9 44 12 40,9 7,4 14,5

10 34 11 26,5 7,6 14,8

11 31 10 29,0 8,2 16,0

12 31 9 38,7 8,7 17,1

13 37 8 29,7 7,5 14,7

14 44 7 29,5 6,9 13,5

15 38 6 55,3 8,1 15,8

16 36 5 58,3 8,2 16,1

17 37 4 67,6 7,7 15,1

18 30 3 70,0 8,4 16,4

19 33 2 81,8 6,7 13,2

20 30 1 70,0 8,4 16,4

21 42 0 88,1 5,0 9,8

22 35 -1 57,1 8,4 16,4

23 34 -2 61,8 8,3 16,3

24 31 -3 61,3 8,7 17,1

25 38 -4 55,3 8,1 15,8

26 34 -5 50,0 8,6 16,8

27 34 -6 41,2 8,4 16,5

28 44 -7 63,6 7,3 14,2

29 31 -8 48,4 9,0 17,6

30 41 -9 31,7 7,3 14,2

31 35 -10 28,6 7,6 15,0

32 38 -11 18,4 6,3 12,3

33 37 -12 37,8 8,0 15,6

34 35 -13 28,6 7,6 15,0

35 33 -14 18,2 6,7 13,2

36 39 -15 10,3 4,9 9,5

37 33 -16 21,2 7,1 13,9

38 32 -17 25,0 7,7 15,0

39 46 -18 13,0 5,0 9,7

40 33 -19 21,2 7,1 13,9

41 30 -20 13,3 6,2 12,2

Page 52: Proyecto de Grado - USB

52

De los resultados tabulados de la prueba subjetiva, se presenta la Figura 18 como la proporción de la muestra que no percibe diferencias en los barridos de tono ascendentes o descendentes.

Figura 18. Comportamiento de los resultados estadísticos para la discriminación en frecuencia. Muestra la proporción de no percepción de barrido en porcentaje según el ancho de banda. Los valores negativos en el eje x representan barridos descendentes y positivos ascendentes.

Page 53: Proyecto de Grado - USB

53

4.2 CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO

Como resultado del dispositivo afinador mecatrónico se presentan la integración de

los sistemas que componen el producto final.

Por la interconexión de los sistemas de control y los actuadores se obtiene como

resultado el siguiente esquema de conectividad Figura 19.

Figura 19. Esquema de conexión de la plataforma de desarrollo Arduino UNO con el servo-motor y el encoder.

Page 54: Proyecto de Grado - USB

54

Como producto final del dispositivo Figura 20, que realiza el ajuste de la cabeza de

la flauta traversa con respecto al cuerpo, compuesto por el sistema mecánico y el

sistema de actuadores se obtiene.

Figura 20. Resultado de la construcción del dispositivo afinador mecatrónico.

4.3 ALGORITMO DE PROCESAMIENTO

Se obtuvo como resultado la interfaz gráfica de usuario Figura 21, que opera el

algoritmo de procesamiento para el dispositivo afinador mecatrónico para la flauta

traversa.

Page 55: Proyecto de Grado - USB

55

Figura 21. Resultado del diseño de la interfaz gráfica del dispositivo afinador.

Para la interacción con el usuario luego de la ejecución de las funciones integradas

en el programa se generan los mensajes emergentes mostrados en Figura 22 y

Figura 23.

Figura 22. Mensaje emergente luego de ejecutar la función analizar en la interfaz gráfica.

Figura 23. Mensaje emergente cuando la flauta es afinada.

Para información del código de programación, véase Anexo C.

Page 56: Proyecto de Grado - USB

56

4.4 PRUEBAS DEL DISPOSITIVO

Se presentan los resultados realizados para evaluar el funcionamiento del

dispositivo afinador.

4.4.1 Errores del dispositivo

El resultado de la prueba de error para el dispositivo en la función de desplazamiento

de las partes de la flauta, generado por imperfecciones en el mecanismo, sumado

a la inercia presentada al momento de detener la rotación del servo motor se

presentan en las tablas. Tabla 10 y Tabla 11.

Tabla 10. Resultados de la prueba del error de desplazamiento en la reducción de la longitud de la cabeza de la flauta y su efecto en frecuencia.

Desplazamiento mm Δ X Error de X (mm) Error en Frecuencia

Procedimiento Max Min Medido Teórico Absoluto Relativo Absoluto Relativo

1 71,30 61,10 10,20 10 0,20 0,02 0,13 0,01 2 73,70 60,80 12,90 10 2,90 0,22 1,86 0,14 3 72,10 60,30 11,80 10 1,80 0,15 1,15 0,10 4 73,00 59,70 13,30 10 3,30 0,25 2,12 0,16 5 72,35 59,40 12,95 10 2,95 0,23 1,89 0,15 6 72,10 61,25 10,85 10 0,85 0,08 0,54 0,05 7 70,25 57,70 12,55 10 2,55 0,20 1,63 0,13 8 70,40 57,60 12,80 10 2,80 0,22 1,79 0,14 9 70,10 57,50 12,60 10 2,60 0,21 1,67 0,13

10 70,20 57,40 12,80 10 2,80 0,22 1,79 0,14 11 69,90 57,10 12,80 10 2,80 0,22 1,79 0,14 12 69,60 56,60 13,00 10 3,00 0,23 1,92 0,15 13 69,20 56,50 12,70 10 2,70 0,21 1,73 0,14 14 69,20 56,50 12,70 10 2,70 0,21 1,73 0,14 15 69,15 56,30 12,85 10 2,85 0,22 1,83 0,14

Promedio 12,45 10 2,45 0,19 1,57 0,12

Tabla 11. Resultados de la prueba del error de desplazamiento en la extensión de la longitud de la cabeza de la flauta y su efecto en frecuencia.

Desplazamiento mm Δ X Error de X (mm) Error en Frecuencia

Procedimiento Max Min Medido Teórico Absoluto Relativo Absoluto Relativo

1 59,85 70,00 10,15 10 0,15 0,01 0,10 0,01 2 59,95 70,00 10,05 10 0,05 0,00 0,03 0,00 3 60,00 71,70 11,70 10 1,70 0,15 1,09 0,09 4 59,10 71,20 12,10 10 2,10 0,17 1,35 0,11 5 57,45 70,80 13,35 10 3,35 0,25 2,15 0,16 6 56,70 69,35 12,65 10 2,65 0,21 1,70 0,13 7 52,80 69,40 16,60 10 6,60 0,40 4,23 0,25 8 56,80 69,30 12,50 10 2,50 0,20 1,60 0,13 9 56,85 69,30 12,45 10 2,45 0,20 1,57 0,13

10 56,65 69,10 12,45 10 2,45 0,20 1,57 0,13 11 56,20 68,90 12,70 10 2,70 0,21 1,73 0,14 12 55,75 68,30 12,55 10 2,55 0,20 1,63 0,13 13 55,90 68,20 12,30 10 2,30 0,19 1,47 0,12 14 55,60 68,20 12,60 10 2,60 0,21 1,67 0,13 15 55,55 68,30 12,75 10 2,75 0,22 1,76 0,14

Promedio 12,46 10 2,46 0,19 1,58 0,12

Page 57: Proyecto de Grado - USB

57

4.4.2 Prueba de funcionamiento del dispositivo

Resultados de la prueba efectuada para la evaluación de la función de afinación del

dispositivo, realizada por variación en milímetros de la posición de la cabeza de la

flauta obteniendo el resultado de la frecuencia de afinación y la relación de

correlación por la entropía mínima.

Tabla 12. Resultados de la prueba para la evaluación de la función de afinación del dispositivo.

Variación (mm)

Procesos para la afinación

Desafinación

Entropía de desafinación

Afinación

Entropía de afinación

-10 1 451,3 5,8 438,9 2,51 -9 1 450,5 5,7 440,0 MIN -8 1 450,2 5,7 440,7 1,8 -7 1 449,4 5,6 441,3 2,7 -6 1 447,9 5,3 440,0 MIN -5 1 447,2 5,2 439,0 2,3 -4 1 445,2 4,7 439,5 1,5 -3 1 444,3 4,5 441,3 2,7 -2 1 443,9 4,3 440,2 0,2 -1 1 442,6 3,7 440,2 MIN 0 1 440,9 MIN 440,1 MIN 1 1 437,4 3,7 440,7 1,9 2 1 437,4 3,7 440,6 1,5 3 1 434,5 4,8 440,6 1,5 4 1 432,6 5,2 438,7 2,7 5 1 433,9 4,9 440,9 2,2 6 1 431,6 5,4 441,8 3,2 7 1 430,8 5,6 439,1 2,2 8 1 426,1 6,2 438,9 2,5 9 1 424,8 6,3 440,9 2,2

10 1 423,9 6,4 441,7 3,1

Promedio 440,2

Page 58: Proyecto de Grado - USB

58

5. ANÁLSIS DE RESULTADOS

Por medio de los resultados obtenidos de las pruebas realizadas de la Fase 1 del

presente proyecto, planteadas para el análisis de la flauta traversa, se pueden

determinar los parámetros de funcionamiento que se implementan en el dispositivo

afinador. A través de la prueba 1 donde se evaluó el efecto causado por la variación

de la longitud efectiva de la flauta en la frecuencia de afinación 440 Hz, se obtiene

un comportamiento lineal correspondiente al inverso proporcional de la longitud con

respecto a la frecuencia de resonancia como se puede apreciar en la Figura 14.

Para la validación de este comportamiento lineal como parámetro que determina la

relación de movimiento del dispositivo, se realizó su comparación con líneas de

tendencia correspondientes a un tubo abierto-abierto y su corrección al extremo

Figura 15, en la cual se puede apreciar, que para la pequeña porción de

desplazamiento que se puede operar en la variación de la longitud del instrumento

entre -10 y 10 milímetros sobre la referencia, corresponde a la corta sección de

líneas teóricas mencionadas, afirmando así su aproximación lineal. Se obtiene

entonces como parámetro de relación de movimiento del dispositivo, una variación

de 1,56 ± 0,28 Hz por avance de milímetro Tabla 2.

Por los resultados obtenidos en la prueba 2, realizada para el análisis del

comportamiento de armónicos por la variación de la posición de la cabeza de la

flauta, se puede observar en la Figura 16, que los armónicos se comportan de

manera lineal a la variación del desplazamiento y corresponden a la relación del

entero de la frecuencia fundamental, según el comportamiento de las ecuaciones

obtenidas en la Tabla 4. Por correspondencia a la escala de armónicos se establece

como parámetro la señal de referencia de afinación teórica para la implementación

en el sistema de procesamiento. Como parámetro para la medición de la correlación

de los armónicos entre la señal de la flauta y la referencia de afinación se establece

la entropía mínima de Shannon.

En la prueba 3 realizada para analizar la influencia de la temperatura ambiente en

la afinación de la flauta traversa, se encontró por medio del cálculo teórico, que la

longitud efectiva del tubo para 440 Hz, depende de la longitud de onda, y varía

debido a la influencia de la temperatura en la velocidad del sonido Tabla 6. Por lo

anterior se obtiene que un cambio de temperatura entre 27 y 23oC, presenta una

variación teórica de la longitud del tubo de 3 milímetros, lo que corresponde por la

relación en frecuencia hallada en la prueba 1, a 4,68 ± 0,28 Hz. Si se analizan los

resultados experimentales de la prueba, se encuentra que la variación de la

temperatura no genera efectos significativos en la afinación de la flauta, esta

Page 59: Proyecto de Grado - USB

59

diferencia entre los datos teóricos y experimentales puede ser debida a la

compensación del músico por la técnica de ejecución, ver Figura 17.

A partir de los resultados obtenidos en la prueba 4, de la medición de la velocidad

de propagación del sonido y los resultados obtenidos en la prueba 3, se observa

que para las condiciones del lugar donde se realizan las pruebas, a la temperatura

de referencia establecida de 27oC, la velocidad del sonido medida comparada con

los resultados teóricos solo presentan una diferencia de 0,6 m/s.

De la prueba subjetiva realizada para determinar la discriminación en frecuencia

como parámetro para validar la afinación realizada por el dispositivo, se puede

analizar de la Figura 18, que muestra la proporción frente a la no percepción de

cambio de tono en barridos ascendentes y descendentes así: los datos obtenidos

para los barridos de tono descendentes no muestran diferencias significativas en la

línea de tendencia de la proporción, mientras que en los barridos ascendentes se

puede apreciar una diferencia importante entre 6 y 7 Hz con proporciones entre 55,3

y 29,5 % respectivamente, siendo diferenciable igualmente en el cambio de la línea

de tendencia. De los estudios realizados usando el “Just noticeable difference”, dice

que para frecuencias inferiores a 500 Hz se presentan discriminaciones de

frecuencia cercanas a 3 Hz [28]. Comparando esto con los resultados obtenidos de

la proporción de 2 y 3 Hz de 81,8 y 70% respectivamente, se eligió como parámetro

de afinación permitido para el dispositivo afinador como 440 ± 2 Hz.

Por la prueba de errores realizada al dispositivo se determinó que el error generado

por las imperfecciones en el mecanismo, sumado a la inercia que presenta el

servo-motor al momento de parar la rotación en ambos sentidos del desplazamiento

es de 2,45 mm como efecto del desplazamiento de las partes de la flauta Tabla 10,

Tabla 11. Por otra parte, la prueba de funcionamiento del dispositivo en la ejecución

de la función de afinación por la variación de milímetros de la cabeza de la flauta,

muestra que el dispositivo realiza la función de operación con un solo procedimiento

para un total de 20 operaciones, con un rango de afinación entre 438,89 y 441,83

Hz mostrado en la Tabla 12.

Page 60: Proyecto de Grado - USB

60

6. CONCLUSIONES

Para el desarrollo del dispositivo afinador mecatrónico para la flauta traversa, se

puede concluir que los parámetros definidos a través de las pruebas realizadas para

el análisis del instrumento, cumplieron los objetivos esperados para definir

las funciones de operación del dispositivo

Los sistemas que componen el dispositivo, realizan eficazmente todas las funciones

planteadas inicialmente en el diseño y metodología para la operación como

secuencia de procesos en el ajuste de la afinación de la flauta traversa.

Como fuente central de ordenamiento, el sistema de procesamiento permite el

análisis de armónicos de la flauta traversa para la comparación con la frecuencia de

referencia de afinación establecida, determinando mediante los parámetros

definidos la función de operación sobre el sistema de control, cumpliendo así, con

la finalidad del trabajo.

Los errores del dispositivo que se atribuyen a la construcción y partes que

componen el sistema mecánico, además de los factores que influyen en el sistema

de actuadores, pueden generar desplazamientos errados no coherentes a la función

definida para el ajuste de la cabeza de la flauta. A pesar de los errores medidos, en

la prueba de funcionamiento se evidenció el correcto ajuste de afinación de la flauta

traversa, logrando el objetivo propuesto.

Page 61: Proyecto de Grado - USB

61

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Page 64: Proyecto de Grado - USB

64

ANEXO A.1 INFORME DE MEDICIÓN DE LOS CAMBIOS DE FRECUENCIA DE LA FLAUTA TRAVERSA MODIFICANDO LA LONGITUD DEL INSTRUMENTO

1. INFORMACIÓN GENERAL

1.1 Responsables del informe

Marco Antonio Taborda

Daniel Ramírez Rivera

1.2 Ubicación y datos relevantes

Lugar: Universidad de San Buenaventura Sede San Benito (Estudio D)

Fecha de medición: 12 de Agosto de 2014

Temperatúra: 27oC

2. OBJETIVO

Obtener los cambios de frecuencia que se presentan en la producción del sonido de

la flauta traversa, al modificar la longitud total del instrumento, dejando fija una

misma digitación y tecnica de interpretación, y analizar los resultados obtenidos

haciendo uso de la teoría fisica de resonancia en tubos abiertos por ambos

extremos.

3 DESARROLLO DE LA MEDICIÓN

3.1 Equipos

Computador portatil.

Tarjeta de Sonido.

Cable XLR.

Microfono de Medición.

Base de Micrófono.

Termómetro.

Afinador electrónico.

Page 65: Proyecto de Grado - USB

65

3.2 Procedimiento

Para evaluar el comportamiento en frecuencia de la flauta traversa variando la

longitud de este instrumento musical, se plantea el siguiente procedimiento:

Descripción del lugar para la toma de muestras:

El estudio D de la universidad de San Buenaventura Medellín, sede San Benito es

un recinto adecuado para la toma de muestras sonoras; cuenta con paredes

provistas de material absorbente atenuando reflexiones, posee un nivel de ruido de

fondo moderado, y puede mantenerse estable la temperatura ambiente dentro del

lugar.

Determinar software de captura y parametros de grabación de las muestras:

Software de captura: Pro Tools 8

Frecuencia de muestreo: 48 kHz

Profundidad de bits: 24 bits

Determinar posición del instrumentista y técnica de microfonía para la

captura:

El instrumentista se sitúa de pie en centro del recinto para la ejecución del

instrumento, se usa una tecnica de microfonía cercana sobre la embocadura de la

flauta a 10 cm de la misma y se utiliza un afinador electrónico para afinar en el

estandar ISO16 440Hz, con lo que se establece una posición de referencia de las

partes implicadas en la variación de longitud total del instrumento (cabeza y cuerpo).

Figura A.1. Fotografía de la ejecución de toma de muestras.

Page 66: Proyecto de Grado - USB

66

Determinación del monitoreo de temperatura en el lugar donde se toman las

muestras:

La temperatura se monitorea a traves del temometro integrado en el dispositivo

SKILL 520 y se regula usando el sistema de aire acondicionado del lugar procurando

mantenerla en 27oC .

Toma de datos:

A partir de la posición de referencia establecida previamente , se marcan distancias

de 1 mm sobre la seccion de la cabeza de la flauta que permite variar la longitud de

la misma, obteniendo asi 10 marcas por encima y por debajo de dicha referencia.

Luego se pide al instrumentista ejecutar el instrumento, posicionandolo en cada una

de las marcas, tomando 5 muestras de audio para cada posicion con una duración

de 4 tiempos en 80 bpm .

Computo de datos:

Para el análisis de las muestras se utiliza el software Matlab, con el cual se aplica

la Transformada Rapida de Fourier o FFT , obteniendo los datos de la frecuencia

fundamental y tabulandolos en una plantilla de Excel.

Page 67: Proyecto de Grado - USB

67

4.RESULTADOS

A continuación se presentan los tablas y figuras que contienen los datos

experimentales y datos calculados de la variación de la cabeza de la flauta traversa

por milímetros.

Después del análisis de la FFT de cada muestra de audio, resultan las cifras de las

frecuencias fundamentales de la nota musical ejecutada (La4). Los resultados de las

5 tomas de datos son mostrados a continuación en la tabla A.1.

Tabla A.1. Toma de muestras para la afinación de la flauta 440 Hz.

Promedio de la toma de muestra (Hz)

X (mm) 1 2 3 4 5 Promedio (Hz)

-10 455,4 454,7 453,2 454,2 452,2 453,94

-9 451,6 452,3 451,8 452,3 452,3 452,06

-8 451,0 451,4 451,2 449,7 451,9 451,04

-7 449,2 449,7 450,1 449,5 449,6 449,62

-6 448,7 447,8 447,3 448,4 447,4 447,92

-5 446,2 446,0 446,3 446,4 446,3 446,24

-4 444,8 445,9 445,4 444,4 444,6 445,02

-3 443,6 444,1 443,0 443,3 443,2 443,44

-2 443,3 443,8 443,0 443,3 442,9 443,26

-1 441,2 442,4 441,2 441,7 442,5 441,8

0 440,1 438,2 437,2 440,2 440,1 439,16

1 435,6 437,7 438,4 437,5 438,5 437,54

2 436,7 435,7 434,8 435,4 436,6 435,84

3 435,1 434,2 436,2 434,9 434,7 435,02

4 431,4 432,2 432,5 433,8 432,2 432,42

5 429,9 429,4 429,3 429,2 431,1 429,78

6 426,4 427,9 428,2 427,9 428,2 427,72

7 426,6 425,0 426,8 427,2 425,7 426,26

8 425,7 424,9 424,2 424,3 423,8 424,58

9 424,7 424,2 424,6 422,3 421,4 423,44 10 423,1 422,8 423,7 424,3 419,7 422,72

Es útil hacer un análisis de la columna de promedio mostrada en la Tabla A.1 y

graficarlo de forma cartesiana Figura A.2, para también obtener la línea de

tendencia y ecuación del comportamiento de la frecuencia fundamental de afinación

en la flauta traversa al variar la longitud efectiva del instrumento.

Page 68: Proyecto de Grado - USB

68

Figura A.2. Los valores graficados corresponden al promedio de la toma de muestras en la columna 7 de la Tabla 1, en la cual se observa un comportamiento lineal al variar el desplazamiento de la cabeza de la flauta por milímetros. La ecuación que rige a la gráfica está dada por y = -1,6141 x + 438,52 con un coeficiente de correlación de 0,993.

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69

Tabla A.2. Cálculo de error absoluto y relativo para el promedio de frecuencias de la Tabla A.1 Columna 7, siendo Fn. el valor de las frecuencias regidas por la ecuación lineal y = -1,6141 x + 438,52 de la Figura A.1.

X (mm) Fn (Hz) Promedio (Hz) Error Absoluto Error Relativo

-10 454,67 453,94 0,73 0,0016

-9 453,05 452,06 0,99 0,0022

-8 451,44 451,04 0,4 0,0009

-7 449,82 449,62 0,2 0,0004

-6 448,21 447,92 0,29 0,0006

-5 446,59 446,24 0,35 0,0008

-4 444,98 445,02 0,04 0,0001

-3 443,36 443,44 0,08 0,0002

-2 441,75 443,26 1,51 0,0034

-1 440,13 441,8 1,67 0,0038

0 438,52 439,16 0,64 0,0015

1 436,91 437,54 0,63 0,0014

2 435,29 435,84 0,55 0,0013

3 433,68 435,02 1,34 0,0031

4 432,06 432,42 0,36 0,0008

5 430,45 429,78 0,67 0,0016

6 428,83 427,72 1,11 0,0026

7 427,22 426,26 0,96 0,0022

8 425,6 424,58 1,02 0,0024

9 423,99 423,44 0,55 0,0013

10 422,37 422,72 0,35 0,0008

Prom. Total 0,69 0,0016

Ahora, es útil hacer una comparación de frecuencia entre los datos obtenidos experimental y teóricamente con el fin de encontrar la variación promedio al aumentar o disminuir la longitud de la flauta traversa. El estudio descrito es mostrado en la tabla A.3.

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70

Tabla A.3. Cálculo de la variación promedio por el desplazamiento de la cabeza de la flauta y su respectivo Error Absoluto y Relativo, siendo Fn el valor de las frecuencias regidas por la ecuación lineal y = -1,6141 x + 438,52 de la Figura A.1.

X (mm) Fn (Hz) Prom. Frec (Hz) Var. Fn (Hz) Var.Prom Frec (Hz) Error Absoluto Error Relativo

-10 454,67 453,94 ------------- ------------- ------------- -------------

-9 453,05 452,06 1,61 1,88 0,27 0,16

-8 451,44 451,04 1,61 1,02 0,59 0,37

-7 449,82 449,62 1,61 1,42 0,19 0,12

-6 448,21 447,92 1,61 1,7 0,09 0,05

-5 446,59 446,24 1,61 1,68 0,07 0,04

-4 444,98 445,02 1,61 1,22 0,39 0,24

-3 443,36 443,44 1,61 1,58 0,03 0,02

-2 441,75 443,26 1,61 0,18 1,43 0,89

-1 440,13 441,8 1,61 1,46 0,15 0,1

0 438,52 439,16 1,61 2,64 1,03 0,64

1 436,91 437,54 1,61 1,62 0,01 0

2 435,29 435,84 1,61 1,7 0,09 0,05

3 433,68 435,02 1,61 0,82 0,79 0,49

4 432,06 432,42 1,61 2,6 0,99 0,61

5 430,45 429,78 1,61 2,64 1,03 0,64

6 428,83 427,72 1,61 2,06 0,45 0,28

7 427,22 426,26 1,61 1,46 0,15 0,1

8 425,6 424,58 1,61 1,68 0,07 0,04

9 423,99 423,44 1,61 1,14 0,47 0,29

10 422,37 422,72 1,61 0,72 0,89 0,55

Prom. Total 1,61 1,56 0,46 0,28

Page 71: Proyecto de Grado - USB

71

ANEXO A.2 COMPORTAMIENTO DE LOS ARMÓNICOS POR LA VARIACIÓN DE LA LONGITUD EFECTIVA DE LA FLAUTA TRAVERSA.

1.INFORMACIÓN GENERAL

1.1 Responsables del informe

Marco Antonio Taborda

Daniel Ramírez Rivera

1.2 Ubicación y datos relevantes

Lugar: Universidad de San Buenaventura Sede San Benito (Estudio D).

Fecha de medición: 5 de Septiembre de 2014.

Temperatúra: 27oC.

2.OBJETIVO

Evaluar el comportamiento de los armónicos, siendo interpretada la nota musical

La4 en la flauta traversa, tomando la frecuencia de afinación estandar 440Hz.

3 DESARROLLO DE LA MEDICIÓN

3.1 Equipos

Computador portatil.

Tarjeta de Sonido.

Cable XLR.

Microfono de Medición.

Base de Micrófono.

Termometro.

Afinador electrónico.

Page 72: Proyecto de Grado - USB

72

3.2 Procedimiento

Para realizar la prueba del comportamiento de los armónicos por la variación en la

longitud efectiva de la flauta traversa, se utilizan los mismos pasos indicados para

el diseño de la prueba del ANEXO A.1. La diferencia radica en el análisis no solo de

la frecuencia fundamental, sino de los primeros 5 armónicos con el fin de encontrar

que relación cumplen los mismos con su fundamental.

4. RESULTADOS

A continuación son mostrados los resultados obtenidos de realizar la prueba: En la

tabla A.2.1 y en las figuras A.2.1. y A.2.2. son mostrados los datos de los primeros

5 armónicos para una frecuencia fundamental que se varía desde 440Hz hacia

arriba y hacia abajo por la variación en longitud X dada en milímetros en el

instrumento musical estudiado (flauta traversa).

Tabla A.2.1. Promedio de datos obtenidos por amónicos en la prueba experimental en su respectivo desplazamiento.

X (mm)

Armónico (Hz)

1 2 3 4 5

-10 454,00 907,90 1361,80 1815,80 2269,30

-9 451,80 904,10 1355,20 1806,70 2258,00

-8 449,70 899,60 1349,00 1798,70 2251,00

-7 446,50 892,50 1340,00 1784,70 2232,70

-6 447,60 895,00 1343,00 1787,30 2236,00

-5 447,80 895,20 1343,00 1789,70 2239,00

-4 444,70 888,40 1333,00 1777,80 2223,2

-3 444,50 889,20 1333,30 1777,30 2223,00

-2 442,50 884,10 1326,80 1770,00 2212,00

-1 440,30 880,60 1321,30 1762,20 2204,20

0 439,63 879,53 1320,00 1760,00 2200,83

1 438,00 875,80 1314,33 1753,16 2191,83

2 435,95 871,25 1306,50 1742,33 2179,0

3 436,73 873,42 1310,67 1749,33 2187,83

4 435,24 871,72 1303,80 1741,40 2175,80

5 432,52 885,37 1298,67 1731,00 2164,17

6 432,77 863,58 1299,00 1730,17 2164,33

7 431,53 860,15 1293,33 1725,33 2156,67

8 428,62 855,27 1283,83 1714,00 2141,33

9 423,25 849,40 1271,00 1696,17 2119,17

10 421,20 846,60 1270,10 1694,20 2116,80

Page 73: Proyecto de Grado - USB

73

Figura A.2.1. Los valores graficados corresponden al promedio de la toma de muestras por armónico representados en las columnas de la Tabla A.2.1. En la gráfica se percibe el comportamiento de cada armónico como lineal, siendo -10 y 10 su mínimo y máximo desplazamiento respectivamente.

Figura A.2.2. Los valores graficados corresponden al promedio de la toma de muestras por armónico

representados en las columnas de la Tabla A.2.1. En la gráfica se percibe el comportamiento de

cada armónico como lineal, siendo -10 y 10 su mínimo y máximo desplazamiento respectivamente.

Page 74: Proyecto de Grado - USB

74

A continuación se muestra el comportamiento de cada uno de los armónicos

estudiados en la prueba, hallar su línea de tendencia y ecuación. Se muestra

también el error absoluto y relativo de forma tabulada y gráfica.

Tabla A.2.2. Cálculo de Error absoluto y relativo para el promedio del armónico 1. Gráfica en Figura A.2.3.

X (mm) Fn. (Hz) Promedio Armónico 1 (Hz) Error Absoluto Error Relativo

-10 451,17 454 2,83 0,0063

-9 450,03 451,8 1,77 0,0039

-8 448,88 449,7 0,82 0,0018

-7 447,73 446,5 1,23 0,0028

-6 446,58 447,6 1,02 0,0023

-5 445,44 447,8 2,36 0,0053

-4 444,29 444,7 0,41 0,0009

-3 443,14 444,5 1,36 0,0031

-2 441,99 442,5 0,51 0,0011

-1 440,85 440,3 0,55 0,0012

0 439,7 439,63 0,07 0,0002

1 438,55 438 0,55 0,0013

2 437,41 435,95 1,46 0,0033

3 436,26 436,73 0,47 0,0011

4 435,11 435,24 0,13 0,0003

5 433,96 432,52 1,44 0,0033

6 432,82 432,77 0,05 0,0001

7 431,67 431,53 0,14 0,0003

8 430,52 428,62 1,9 0,0044

9 429,37 423,25 6,12 0,0143

10 428,23 421,2 7,03 0,0164

Prom. Total 1,53 0,0035

Page 75: Proyecto de Grado - USB

75

Figura A.2.3. Muestra los valores graficados de primer armónico dispuesto en la columna 2 de la Tabla A.2.1. Ecuación de la recta y = -1.4274x+439. Tabla A.2.3. Cálculo de Error absoluto y relativo para el promedio del armónico 2. Gráfica en Figura A.24.

X (mm) Fn (Hz) Promedio Armónico 2 (Hz) Error Absoluto Error Relativo

-10 906,65 907,9 1,25 0,0014

-9 903,84 904,1 0,26 0,0003

-8 901,02 899,6 1,42 0,0016

-7 898,21 892,5 5,71 0,0064

-6 895,39 895 0,39 0,0004

-5 892,58 895,2 2,62 0,0029

-4 889,76 888,4 1,36 0,0015

-3 886,95 889,2 2,25 0,0025

-2 884,13 884,1 0,03 0

-1 881,32 880,6 0,72 0,0008

0 878,5 879,53 1,03 0,0012

1 875,68 875,8 0,12 0,0001

2 872,87 871,25 1,62 0,0019

3 870,05 873,42 3,37 0,0039

4 867,24 871,72 4,48 0,0052

5 864,42 865,37 0,95 0,0011

6 861,61 863,58 1,97 0,0023

7 858,79 860,15 1,36 0,0016

8 855,98 855,27 0,71 0,0008

9 853,16 849,4 3,76 0,0044

10 850,35 846,6 3,75 0,0044

Prom Total 1,86 0,0021

Page 76: Proyecto de Grado - USB

76

Figura A.2.4. Muestra los valores graficados de segundo armónico dispuesto en la columna 3 de la TablaA.2.1. Ecuación de la recta y = -2.8151x+878.5. Tabla A.2.4. Cálculo de Error absoluto y relativo para el promedio del armónico 3. Gráfica en Figura A.2.5.

X (mm) Fn (Hz) Promedio Armónico 3 (Hz) Error Absoluto Error Relativo

-10 1360,09 1361,8 1,71 0,0013

-9 1355,88 1355,2 0,68 0,0005

-8 1351,67 1349 2,67 0,002

-7 1347,46 1340 7,46 0,0055

-6 1343,25 1343 0,25 0,0002

-5 1339,05 1343 3,95 0,003

-4 1334,84 1333 1,84 0,0014

-3 1330,63 1333,3 2,67 0,002

-2 1326,42 1326,8 0,38 0,0003

-1 1322,21 1321,3 0,91 0,0007

0 1318 1320 2 0,0015

1 1313,79 1314,33 0,54 0,0004

2 1309,58 1306,5 3,08 0,0024

3 1305,37 1310,67 5,3 0,0041

4 1301,16 1303,8 2,64 0,002

5 1296,95 1298,67 1,72 0,0013

6 1292,75 1299 6,25 0,0048

7 1288,54 1293,33 4,79 0,0037

8 1284,33 1283,83 0,5 0,0004

9 1280,12 1271 9,12 0,0071

10 1275,91 1270,1 5,81 0,0046

Prom Total 3,06 0,0023

Page 77: Proyecto de Grado - USB

77

Figura A.2.5. Muestra los valores graficados de tercer armónico dispuesto en la columna 4 de la Tabla A.2.1. Ecuación de la recta y = -4.2091X+1318 Tabla A.2.5.Cálculo de Error absoluto y relativo para el promedio del armónico 4.Gráfica en Figura A.2.6.

X (mm) Fn (Hz) Promedio Armónico 4 (Hz) Error Absoluto Error Relativo

-10 1812,49 1815,80 3,31 0,0018 -9 1806,99 1806,70 0,29 0,0002 -8 1801,49 1798,70 2,79 0,0015 -7 1795,99 1784,70 11,29 0,0063 -6 1790,49 1787,30 3,19 0,0018 -5 1784,99 1789,70 4,71 0,0026 -4 1779,49 1777,80 1,69 0,001 -3 1774,00 1777,30 3,30 0,0019 -2 1768,50 1770,00 1,50 0,0008 -1 1763,00 1762,20 0,80 0,0005 0 1757,50 1760,00 2,50 0,0014 1 1752,00 1753,16 1,16 0,0007 2 1746,50 1742,33 4,17 0,0024 3 1741,00 1749,33 8,33 0,0048 4 1735,51 1741,40 5,89 0,0034 5 1730,01 1731,00 0,99 0,0006 6 1724,51 1730,17 5,66 0,0033 7 1719,01 1725,33 6,32 0,0037 8 1713,51 1714,00 0,49 0,0003 9 1708,01 1696,17 11,84 0,0069

10 1702,51 1694,20 8,31 0,0049

Prom Total 4,22 0,0024

Page 78: Proyecto de Grado - USB

78

Figura A.2.6. Muestra los valores graficados del cuarto armónico dispuesto en la columna 5 de la

Tabla A.2.1. Ecuación y = -5.4986X+1757.5

Tabla A.2.6. Cálculo de Error absoluto y relativo para el promedio del armónico 5. Gráfica en Figura A.2.7.

X (mm) Fn (Hz) Promedio Armónico 5 (Hz) Error Absoluto Error Relativo

-10 2267,03 2269,30 2,27 0,001 -9 2260,07 2258,00 2,07 0,0009 -8 2253,10 2251,00 2,10 0,0009 -7 2246,14 2232,70 13,44 0,006 -6 2239,18 2236,00 3,18 0,0014 -5 2232,22 2239,00 6,78 0,003 -4 2225,25 2223,20 2,05 0,0009 -3 2218,29 2223,00 4,71 0,0021 -2 2211,33 2212,00 0,67 0,0003 -1 2204,36 2204,20 0,16 0,0001 0 2197,40 2200,83 3,43 0,0016 1 2190,44 2191,83 1,39 0,0006 2 2183,47 2179,00 4,47 0,002 3 2176,51 2187,83 11,32 0,0052 4 2169,55 2175,80 6,25 0,0029 5 2162,58 2164,17 1,59 0,0007 6 2155,62 2164,33 8,71 0,004 7 2148,66 2156,67 8,01 0,0037 8 2141,70 2141,33 0,37 0,0002 9 2134,73 2119,17 15,56 0,0073

10 2127,77 2116,80 10,97 0,0052

Prom Total 5,22 0,0024

Page 79: Proyecto de Grado - USB

79

Figura A.2.7. Muestra los valores graficados del quinto armónico dispuesto en la columna 6 de la Tabla A.2.1. Ecuación de la recta y = -6.9631X+2197.4

Las ecuaciones obtenidas de las líneas de tendencia son todas de tipo lineal y

están expresadas en la tabla A.2.7.

Tabla A.2.7. Ecuación de la rectas para cada armónico.

Armónico Ecuación Coeficiente de Correlación

1 -1,4274x+439,7 0,9674 2 -2,8151x+878,5 0,9134 3 -4,2091X+1318 0,9768 4 -5,4986X+1757,5 0,9746 5 -6,9631X+2197,4 0,9743

Page 80: Proyecto de Grado - USB

80

ANEXO A.3 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA AMBIENTE EN LA AFINACIÓN DE LA FLAUTA TRAVERSA

1.INFORMACIÓN GENERAL

1.1 Responsables del informe

Marco Antonio Taborda

Daniel Ramírez Rivera

1.2 Ubicación y datos relevantes

Lugar: Universidad de San Buenaventura Sede San Benito (Estudio D)

Fecha de medición: 5 de Septiembre de 2014

Temperatúra: 27oC

3.DESARROLLO

3.1.Equipos

Computador portatil.

Tarjeta de Sonido.

Cable XLR.

Microfono de Medición.

Base de Micrófono.

Termometro.

Afinador electrónico.

3.2. Procedimiento

Descripción del lugar para la toma de muestras:

El estudio D de la universidad de San Buenaventura Medellin, sede San Benito es

un recinto adecuado para la toma de muestras sonoras; cuenta con paredes

provistas de material absorvente atenuando reflexiones , posee un nivel de ruido de

fondo moderado, y puede mantenerse estable la temperatura dentro del lugar.

Page 81: Proyecto de Grado - USB

81

Determinar software de captura y parametros de grabación de las muestras:

Software de captura: Pro Tools 8

Frecuencia de muestreo: 48 kHz

Profundidad de bits: 24 bits

Determinar posición del instrumentista y técnica de microfonía para la

captura:

El instrumentista se sitúa de pie en el centro del recinto para la ejecución del

instrumento, se usa una técnica de microfonía cercana sobre la embocadura de la

flauta a 10 cm de la misma y se utiliza un afinador electrónico para afinar en el

estandar ISO16 440Hz, con lo que se establece una posición de referencia de las

partes implicadas en la variación de longitud total del instrumento (cabeza y cuerpo).

Determinar el monitoreo y sistema de control de la temperatura del lugar

donde se toman las muestras:

La temperatura se monitorea a traves del temometro integrado del dispositivo SKILL

520 y se regula usando el sistema de aire acondicionado del recinto,tomando

muestras a 27, 26, 25, 24, y 23 oC

Toma de datos:

Para la toma de datos se plantea la afinación de la flauta traversa a la frecuencia

fundamental de referencia standard 440 Hz, de la cual se determina una posición

de referencia marcada sobre la flauta. Una vez afinada la flauta se toman 5 muestras

en la afinación de referencia por cada grado de temperatura establecido.

Computo de datos:

Para el analisis de las muestras se utiliza el software Matlab, con el cual se aplica

la Transformada Rapida de Fourier, analizando cada toma, obteniendo los datos de

los armónicos en las 5 muestras para cada grado de temperatura.

Page 82: Proyecto de Grado - USB

82

4. RESULTADOS

Como fue explicado en el procedimiento de la prueba, a continuación se muestra la

tabulación de los datos obtenidos de la frecuencia para los primeros 5 armónicos

de la flauta ejecutando La4, a diferentes temperaturas dentro del recinto escogido.

Tabla A.3.1. Toma de datos de la flauta traversa manteniendo la linea de referencia, para la frecuencia de afinación estándar 440 Hz. Se toman 5 muestras desde 27 hasta 23 oC con varianciones de 1 oC. Cada muestra contiene los 5 primeros armónicos de cada señal.

Armónico Hz

27 grados 1 2 3 4 5

Muestra

1 440,90 882,00 1324,0 1764,0 2205,0 2 441,14 882,20 1323,0 1763,0 2204,0 3 440,90 881,52 1319,0 1759,0 2199,0 4 440,40 880,90 1321,0 1763,0 2203,0 5 440,40 880,00 1319,0 1761,0 2199,0

Promedio 440,74 881,32 1321,2 1762,0 2202,0

26 Grados

Muestra 1 2 3 4 5

1 439,60 879,30 1319,0 1758,1 2198,0 2 440,40 880,90 1320,0 1760,0 2200,2 3 440,76 881,50 1324,0 1764,0 2205,0 4 439,30 878,40 1318,2 1657,0 2197,6 5 439,80 879,52 1320,0 1759,5 2199,0

Promedio 439,96 879,92 1320,2 1769,6 2199,8

25 Grados

Muestra 1 2 3 4 5

1 440,20 880,40 1321,0 1761,0 2199,0 2 440,20 880,20 1320,6 1761,0 2201,1 3 439,80 878,70 1318,0 1759,0 2199,2 4 440,00 880,50 1321,0 1761,0 2202,0 5 439,55 878,70 1318,0 1758,0 2197,3

Promedio 439,94 879,70 1319,6 1760,0 2199,6

24 Grados

Muestra 1 2 3 4 5

1 440,00 879,80 1320,0 1760,0 2200,0 2 440,60 881,80 1323,4 1763,0 2203,0 3 440,40 880,70 1322,0 1762,0 2202,0 4 440,22 879,60 1322,0 1763,0 2203,0 5 440,40 880,08 1320,0 1760,6 2200,6

Promedio 440,32 880,38 1321,4 1761,6 2201,6

23 Grados

Muestra 1 2 3 4 5

1 439,60 880,60 1318,0 1756,0 2201,1 2 440,20 880,20 1320,0 1761,0 2202,1 3 439,64 879,80 1321,0 1760,0 2201,2 4 440,20 879,80 1318,0 1758,0 2204,1 5 441,10 881,70 1323,0 1765,0 2206,0

Muestra 440,14 880,42 1320,0 1760,0 2202,8

Prom. Total 440,2 880,3 1320,5 1756,6 2201,2

Page 83: Proyecto de Grado - USB

83

Es útil hacer una comparación entre la teoría y la experimentación consignada en la

tabla anterior. Para esto se citan las ecuaciones que tienen variables influyentes en

la misma: frecuencia, velocidad del sonido, temperatura y longitud de onda [1].

𝑓 = 𝐶

𝜆 (A.3.1)

𝑓 = 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝐻𝑧)

𝐶 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑛𝑖𝑑𝑜 (𝑚/𝑠)

𝜆 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑜𝑛𝑑𝑎 (𝑚)

𝐶 depende de la temperatura,

𝐶 = 331.4 + 0.6 (𝑇) (A.3.2)

𝑇 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 (oc)

Reemplazando (A.3.2) en (A.3.1), tenemos,

𝑓 = 331.4+06 (𝑇)

𝜆 (A.3.3)

Como se conocen las variaciones de temperatura 𝑇 y la frecuencia de referencia 𝑓

entonces despejamos 𝜆 para encontrar las longitudes de onda en las temperaturas

de la experimentación.

𝜆 = 331.4+06 (𝑇)

𝑓 (A.3.4)

Al tomar la ecuación de frecuencia de resonancia para un tubo abierto-abierto,

𝑓 = 𝐶

2𝐿 (A.3.5)

Page 84: Proyecto de Grado - USB

84

Reemplazando (A.3.1) y (A.3.5), entonces,

𝜆 = 2𝐿 (A.3.6)

𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜

Reemplazando (A.3.6) en (A.3.4), obtenemos 𝐿 :

𝐿 = 331.4+0.6 (𝑇)

2∗𝑓 (A.3.7)

En la siguiente tabla se calculan las longitudes (L) que debería tener un tubo

abierto en ambos extremos idealmente para reproducir un tono con frecuencia

fundamental 440 Hz.

Tabla A.3.2. Variación teórica de la longitud de un tubo abierto- abierto 𝐿 por variación de la

temperatura.

𝑻 oC 𝑪 m/s 𝝀 𝑳 m

27 347,6 0,790 0,395 26 347 0,789 0,394 25 346,4 0,787 0,394 24 345,8 0,786 0,393 23 345,2 0,785 0,392

Las figuras mostradas a continuación permiten comparar datos teóricos y

experimentales de frecuencia cuando se varía la temperatura.

Page 85: Proyecto de Grado - USB

85

Figura A.3.2. Muestra la comparación de los 5 primeros armónicos experimentales para una

temperatura de 27 grados centígrados, con los armónicos teóricos.

Figura A.3.3. Muestra la comparación de los 5 primeros armónicos experimentales para una

temperatura de 26 grados centígrados, con los armónicos teóricos.

Page 86: Proyecto de Grado - USB

86

Figura A.3.4. Muestra la comparación de los 5 primeros armónicos experimentales para una

temperatura de 25 grados centígrados, con los armónicos teóricos.

Figura A.3.5. Muestra la comparación de los 5 primeros armónicos experimentales para una

temperatura de 24 grados centígrados, con los armónicos teóricos.

Page 87: Proyecto de Grado - USB

87

Figura A.3.6. Muestra la comparación de los 5 primeros armónicos experimentales para una

temperatura de 23 grados centígrados, con los armónicos teóricos.

REFERENCIAS

[1] J. Serway, Física para ciencias e ingenierías, vol. I, México: Cengage Learning

Editores, 2008, pp. 508-514.

Page 88: Proyecto de Grado - USB

88

ANEXO A.4 MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO

1.INFORMACIÓN GENERAL

1.1 Responsables del informe

Marco Antonio Taborda

Daniel Ramírez Rivera

1.2 Ubicación y datos relevantes

Lugar: Universidad de San Buenaventura Sede San Benito (Estudio D)

Fecha de medición: 12 de Septiembre de 2014

Temperatúra: 27oC.

2.OBJETIVO

Obtener experimentalmente la velocidad de propagación del sonido en el estudio de

grabación D, haciendo uso del metodo del tubo de impedancia.

3.DESARROLLO

3.1 Equipos:

Tubo de impedancia

Termometro

Amplificador de potencia

Interfaz de audio

Computador

Sonometro

Extensión de sonómetro

Destornillador

Alicate

Llave inglesa

Page 89: Proyecto de Grado - USB

89

3.2 Procedimiento

La velocidad del sonido es una caracteristica fundamental en la radiación sonora y

determina la propagación de este fenomeno a traves de un medio elastico como el

aire.

Al momento de hacer mediciones y grabaciónes con la flauta traversa en un

determinado recinto, la velocidad del sonido es determinante en la longitud de onda

de las muestras obtenidas, esto representa una incertidumbre debido a que la

temperatura hace que la velocidad del sonido cambie [1] y se tenga que modificar

la longitud efectiva del instrumento con el fin de reproducir la misma frecuencia; por

esto se hace necesario medir con la ayuda del metodo del tubo de impedancia [2]

dicha velocidad monitoreando la temperatura con el fin de conservarla constante en

todas las mediciones posteriores con la flauta.

En este reporte se muestra el procedimiento y la obtencion de la velocidad de

propagación del sonido en un recinto, por el metodo mencionado anteriormente y

la comparación con resultados teóricos.

Para el desarrollo de esta prueba es necesario seguir los siguientes pasos:

Descripción del lugar para la toma de muestras:

El estudio D de la universidad de San Buenaventura Medellin, sede San Benito es

un recinto adecuado para la toma de muestras sonoras; cuenta con paredes

provistas de material absorvente, evitando reflexiones excesivas, posee un nivel de

ruido de fondo moderado, y puede mantenerse estable la temperatura dentro del

lugar.

Realizar el montaje de los elementos:

Se dispone el sonometro con la extension al interior del tubo asegurandola a la

varilla que permite el desplazamiento, se conectan los parlantes del tubo y la interfaz

de grabación al amplificador de potencia, y se ejecuta el DAW en el computador

con un canal provisto de un generador de señales.

Medir la temperatura ambiente:

Con la ayuda del medidor de temperatura SKILL 520 y el sistema de aire

acondicionado se procura mantener en 27 grados centigrados, la temperatura del

estudio.

Page 90: Proyecto de Grado - USB

90

Medición.

Se procede a la ejecucion del experimento, alimentando los altavoces del tubo con

una de las 3 frecuencias escogidas (500Hz, 1000Hz y 4000 Hz). Con la ayuda del

sonometro se monitorean los niveles al interior del tubo que varian con el

desplazamiento del microfono dispuesto en la varilla, y se marcan los puntos de

mayor y menor amplitud, luego se determinan las longitudes de onda de las

frecuencias y se halla la velocidad de propagación del sonido usando la ecuacion

para frecuencia de resonancia en tubos abiertos en ambos extremos.

4. RESULTADOS

Se presenta en la tabla A.4.1 los resultados obtenidos en niveles de presion sonora

para los maximos y minimos de la onda estacionaria producida al interior del tubo

de impedancia para las frecuencias de 500Hz, 1000Hz, y 4000Hz

Al comparar las posiciones entre máximos y mínimos se encuentra la longitud (L)

que permite la obtención de la longitud de onda.

Los datos obtenidos en la tabla A.4.3 corresponden a la velocidad del sonido

obtenida a partir de la utilización de la ecuación de frecuencia de resonancia (A.4.1)

reemplazando la longitud de onda y despejando C [1]

𝑓𝑛 = 𝐶

𝜆 (A.4.1)

Donde λ=2L

Por lo tanto,

𝐶 = 𝑓 ∗ 2𝐿 (A.4.2)

Por otro lado se hace uso de la ecuación teórica para hallar la velocidad del sonido

que depende de la temperatura:

𝐶𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 = 331.4 + 0.6𝑇 (A.4.3)

Donde T=27oC.

𝐶𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 = 331.4 + 0.6 ∗ 27 = 347,6(𝑚/𝑠) (A.4.4)

Page 91: Proyecto de Grado - USB

91

Tabla A.4.1. Niveles de presion sonora al interior del tubo de impedancia de 3 maximos y 3 minimos

de amplitud

Frecuencia Hz dB SPl Max 1 dB SPl Min 1 dB SPl Max 2 dB SPl Min 2 dB SPl Max 3 dB SPl Min 3

500 100 72,7 100 73,4 100 74,3

1000 100 88 100 88,2 99,9 88,3

4000 100 94,3 100 94,4 100 94,2

Son analizadas a continuación, las distancias entre maximos y minimos de las 3

frecuencias escogidas para determinar posteriormente la velocidad de propagación

del sonido.

Tabla A.4.2. Diferencia de posición entre cada unos de los máximos y mínimos de amplitud y longitud

en centímetros de cada uno de ellos para las 3 frecuencias analizadas .En la última columna se

encuentra el promedio de todas las longitudes de onda.

Frecuencia Hz X (cms) Max 1-Max 2 X (cms) Min 1-Min 2 X (cms) Max 2-Max 3 X (cms) Min 2-Min 3 Promedio Total (cms)

500 33,7 34,7 33,4 35 34,2

1000 17,2 17,5 17,2 17,6 17,375

4000 9 8,8 8,7 9 8,875

Las figuras presentadas a continuación, muestran las distancias entre máximos y

mínimos para las ondas estacionarias generadas al interior del tubo para las

frecuencias de 500 Hz, 1000Hz, y 4000 Hz.

Figura A.4.1. Desplazamiento de la onda estacionaria y distancias entre nodos y entre máximos obtenidos experimentalmente dentro del tubo de impedancia para 500 Hz.

Page 92: Proyecto de Grado - USB

92

Figura A.4.2. Desplazamiento de la onda estacionaria y distancias entre nodos y entre máximos

obtenidos experimentalmente dentro del tubo de impedancia para 1000 Hz.

Figura A.4.3. Desplazamiento de la onda estacionaria y distancias entre nodos y entre máximos

obtenidos experimentalmente dentro del tubo de impedancia para 4000 Hz.

Page 93: Proyecto de Grado - USB

93

Finalmente son halladas las velocidades de propagación del sonido de forma

experimental para las diferentes frecuencias evaluadas reemplazando en la

Ecuación A.4.2 los diferenciales de longitud de onda consignados en la Tabla A.4.2,

y Los datos obtenidos son presentados a continuación en la Tabla A.4.3.

Tabla A.4.3. Velocidad del sonido encontrada para las frecuencias analizadas y el promedio de las

mismas.

Frecuencia (Hz) Velocidad Sonido (m/s)

500 342

1000 347,5

4000 355

Promedio 348,17

REFERENCIAS

[1] J. Serway, Física para ciencias e ingenierías, vol. I, México: Cengage Learning

Editores, 2008, pp. 508-514.

[2] ISO 10534-2, Acoustics -- Determination of sound absorption coefficient and

impedance in impedance tubes.

Page 94: Proyecto de Grado - USB

94

ANEXO A.5 INFORMACIÓN PARA EL TEST DE DISCRIMINACIÓN EN FRECUENCIA TOMANDO COMO REFERENCIA 440HZ

1. INFORMACIÓN GENERAL

1.1 Responsables de la prueba

Marco Antonio Taborda

Daniel Ramírez Rivera

1.2 Ubicación y datos relevantes

Lugar: Universidad de San Buenaventura Sede San Benito (Salón 102C)

Fecha de aplicación: Octubre de 2014

1.3 Referencias para la aplicación de la prueba

“Pure Tone Frequency Discrimination: An Examination of Experimental

Methodology”:

Este experimento de la Universidad de Macquaire en Australia, tiene como objetivo

la medición de la discriminación en frecuencia usando una muestra poblaciónal

determinada, tomando como frecuencia de referencia 1000Hz. Para el caso de la

prueba a aplicarse, se cambia la frecuencia de referencia a 440 Hz y se toma del

experimento antes descrito, parte de su metodología.

UIT-R BS.1116-1:

Esta recomendación evalúa la escucha subjetiva frente al grado de diferencia que

percibe el oyente ante cualquier degradación de señal de audio entre una fuente

generadora y el receptor. A pesar de que el tema de la recomendación no hace

parte del desarrollo de la prueba actual, se extraen algunos parámetros que son

útiles para la implementación de la misma.

Page 95: Proyecto de Grado - USB

95

2. FORMULARIO DE LA PRUEBA

1. Información del participante.

Nombre: Cédula:

Edad: Sexo: M ___ F___

Cuestionario (marque con una x)

Músico: Sí ___ No ___ Experiencia musical: Sí___ No___

Estudios: Academia Empírico Años de experiencia:

Instrumento:

2. Instrucciones

Para la presente prueba se realizan 2 fases, una de adiestramiento y una de test.

En la fase de adiestramiento se le presentarán las definiciones que se utilizan en el

test y deberá utilizar los audífonos suministrados en los cuales se reproducirán una

serie de sonidos separados cada dos segundos, en los cuales usted podrá

relacionar los barridos de tono que presentan alguna o ninguna diferencia en

frecuencia.

Para la segunda fase se le presentará de igual forma una serie de sonidos con un

grado de dificultad mayor, por lo que deberá prestar mucha atención. Se le

suministrará una hoja de respuestas donde responderá Si o No a la siguiente

pregunta: ¿Percibe algún barrido de tono? A medida que van apareciendo los

sonidos deberá marcar con una x su respuesta en la tabla suministrada.

3. Adiestramiento

Para una correcta comprensión del test es útil definir algunos términos que

intervienen en el mismo, de forma tal que se desarrolle de forma ágil y fluida la

prueba.

Page 96: Proyecto de Grado - USB

96

4. Definiciones.

Frecuencia:

Una frecuencia determina qué tan grave o agudo es un sonido, por ejemplo un

sonido grave tiene una frecuencia baja y un sonido agudo tiene una frecuencia alta.

Las notas de un piano corresponden cada una a diferentes frecuencias, por ejemplo:

la nota musical La de la cuarta octava de un piano, corresponde a una frecuencia

de 440 Hz.

En el test se evalúan frecuencias cercanas a los 440Hz, haciendo variaciones o

barridos ascendentes o descendentes en frecuencia.

Barrido en Frecuencia:

Este proceso consiste en el incremento o decremento progresivo de una frecuencia,

donde puede presentarse de forma ascendente o descendente. Para efectos del

test propuesto se harán barridos en frecuencias presentados de forma aleatoria con

una duración de 2 segundos.

Tono:

Se define como tono a la altura de un sonido, para tonos graves corresponden

frecuencias bajas y para tonos agudos frecuencias altas.

Discriminación de Frecuencia:

Es la percepción de cambios en un tono.

Page 97: Proyecto de Grado - USB

97

Test de discriminación en frecuencia. Octubre ___ de 2014.

Participante No. _____ Test No. _______

¿Percibe algún barrido de tono? Marque con una “X” su respuesta.

Tabla A.5.1 Plantilla para la presentación de la prueba.

Muestra No. SI NO

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

Page 98: Proyecto de Grado - USB

98

La tabla A.5.2. Muestra los resultados de la prueba aplicada en 37 sujetos, donde

se puede apreciar la proporción de personas que no sienten diferencia ante una

muestra de audio en particular, la desviación estándar y el intervalo de confianza de

cada una de las muestras.

Tabla A.5.2 Datos de la muestra encuestada.

Numero Muestra

n

Ancho de Barrido

Proporción

Desviación Estándar

Intervalo Confianza

Proporción %

Desviación Estándar %

Intervalo de Confianza %

1 35 20 0,086 0,047 0,093 8,6 4,7 9,3 2 37 19 0,135 0,056 0,110 13,5 5,6 11,0 3 36 18 0,167 0,062 0,122 16,7 6,2 12,2 4 41 17 0,195 0,062 0,121 19,5 6,2 12,1 5 48 16 0,167 0,054 0,105 16,7 5,4 10,5 6 31 15 0,161 0,066 0,129 16,1 6,6 12,9 7 37 14 0,216 0,068 0,133 21,6 6,8 13,3 8 40 13 0,175 0,060 0,118 17,5 6,0 11,8 9 44 12 0,409 0,074 0,145 40,9 7,4 14,5

10 34 11 0,265 0,076 0,148 26,5 7,6 14,8 11 31 10 0,290 0,082 0,160 29,0 8,2 16,0 12 31 9 0,387 0,087 0,171 38,7 8,7 17,1 13 37 8 0,297 0,075 0,147 29,7 7,5 14,7 14 44 7 0,295 0,069 0,135 29,5 6,9 13,5 15 38 6 0,553 0,081 0,158 55,3 8,1 15,8 16 36 5 0,583 0,082 0,161 58,3 8,2 16,1 17 37 4 0,676 0,077 0,151 67,6 7,7 15,1 18 30 3 0,700 0,084 0,164 70,0 8,4 16,4 19 33 2 0,818 0,067 0,132 81,8 6,7 13,2 20 30 1 0,700 0,084 0,164 70,0 8,4 16,4 21 42 0 0,881 0,050 0,098 88,1 5,0 9,8 22 35 -1 0,571 0,084 0,164 57,1 8,4 16,4 23 34 -2 0,618 0,083 0,163 61,8 8,3 16,3 24 31 -3 0,613 0,087 0,171 61,3 8,7 17,1 25 38 -4 0,553 0,081 0,158 55,3 8,1 15,8 26 34 -5 0,500 0,086 0,168 50,0 8,6 16,8 27 34 -6 0,412 0,084 0,165 41,2 8,4 16,5 28 44 -7 0,636 0,073 0,142 63,6 7,3 14,2 29 31 -8 0,484 0,090 0,176 48,4 9,0 17,6 30 41 -9 0,317 0,073 0,142 31,7 7,3 14,2 31 35 -10 0,286 0,076 0,150 28,6 7,6 15,0 32 38 -11 0,184 0,063 0,123 18,4 6,3 12,3 33 37 -12 0,378 0,080 0,156 37,8 8,0 15,6 34 35 -13 0,286 0,076 0,150 28,6 7,6 15,0 35 33 -14 0,182 0,067 0,132 18,2 6,7 13,2 36 39 -15 0,103 0,049 0,095 10,3 4,9 9,5 37 33 -16 0,212 0,071 0,139 21,2 7,1 13,9 38 32 -17 0,250 0,077 0,150 25,0 7,7 15,0 39 46 -18 0,130 0,050 0,097 13,0 5,0 9,7 40 33 -19 0,212 0,071 0,139 21,2 7,1 13,9 41 30 -20 0,133 0,062 0,122 13,3 6,2 12,2

Page 99: Proyecto de Grado - USB

99

A continuación se presenta la tabla A.5.3 donde están consignados datos

relevantes, producto de la aplicación de la prueba.

Tabla A.5.3 Datos de la muestra encuestada.

Personas Encuestadas 37 Hombres 35 Mujeres 2 Se consideran músicos 34 No se consideran músicos 3 Personas con experiencial musical 37 Edades (Años) 19 a 31 Promedio de Edad (Años) 22 Experiencia musical (Años) 2 a 15 Experiencia musical promedio (Años) 8

Page 100: Proyecto de Grado - USB

100

ANEXO B.1 DISEÑO DEL SISTEMA MECÁNICO

Procedimento para el planteamiento del dispositivo Es analizado el mecanismo del gato con husillo mostrado en la Figura B.1.1 por su

precisión y fuerza como criterio para permitir la movilidad de las partes de la flauta.

Figura B.1.1. Modelado en 3D de Gato con Husillo.

Se presenta el desensamble de las demás piezas del gato con husillo en la Figura

B.1.2, dejando únicamente el mecanismo de desplazamiento.

Figura B.1.2. Despiece de las partes superiores del Gato con Husillo.

Page 101: Proyecto de Grado - USB

101

En el proceso de diseño se destacan 4 elementos:

Tornillo sin fin

Tuerca pivote

Sistema de agarre del tornillo sin fin para su rotación libre de las estrías.

Sistema de fijación a la flauta traversa

A partir de las estructuras propuestas, se procede al diseño de las piezas de soporte

y las pinzas para sujetar el dispositivo a la flauta traversa.

Diseño de sistema de rotación y desplazamiento del sistema mecánico

Chumacera: elemento que permite la rotación libre del tornillo sin fin, mostrado en

la Figura B.1.3 . Este componente posee los siguientes elementos:

2 Rodamientos: rotación continua

1 O-Ring: separación de los rodamientos

2 Tuercas: sujeción de los rodamientos

1 Tornillo sin fin: eje del sistema mecánico

Figura B.1.3. Ensamble de sistema de rotación continúa.

Page 102: Proyecto de Grado - USB

102

Sistema de desplazamiento: elemento que permite el movimiento del brazo

sujetado a la flauta traversa mostrado en la Figura B.1.4. Este sistema posee.

2 tuercas: desplazan el brazo de sujeción de la flauta.

1 Tornillo sin fin: eje del sistema mecánico

Figura B.1.4. Modelamiento de tuercas en tornillo sin fin.

Page 103: Proyecto de Grado - USB

103

Planteamiento de estructura de sujeción del sistema mecánico con la flauta

Para este procedimiento se plantea la estructura de sujeción o soporte de los

sistemas de rotación continua tipo chumacera en la Figura B.1.5 y el soporte del

sistema de desplazamiento en la Figura B.1.6 .

Figura B.1.5. Boceto de soporte para sistema de rotación.

Figura B.1.6 Boceto de soporte para sistema de desplazamiento

Page 104: Proyecto de Grado - USB

104

Se presenta entonces la alineación de los sistemas de soporte

Figura B.1.7 Boceto estructuras alineadas en eje.

Posicionamiento del motor en ensamble con el tornillo sin fin en las estructuras de

soporte.

Figura B.1.8 Boceto estructuras con motor alineado al eje con el tornillo sin fin.

Page 105: Proyecto de Grado - USB

105

Al ensamblar todos los sistemas descritos anteriormente se obtiene el actuador

electro-mecánico que permite el movimiento del instrumento musical, mostrado en

la Figura B.1.9

Figura B.1.9 Boceto de estructuras para el motor, con ensamble de los sistemas de rotación y el

sistema de desplazamiento.

Planos de piezas del dispositivo

Page 106: Proyecto de Grado - USB

106

Page 107: Proyecto de Grado - USB

107

Page 108: Proyecto de Grado - USB

108

Page 109: Proyecto de Grado - USB

109

ANEXO B.2 ELECCIÓN DE ACTUADORES

Problema

Se debe conocer la fuerza que se necesita ejercer sobre la cabeza de la flauta

traversa para ser desplazada longitudinalmente. Como la cabeza y cuerpo de la

flauta son 2 metales que entran en fricción, se presenta una resistencia al

movimiento, el cual se debe medir para determinar la fuerza que debe ejercer el

servo-motor al realizar su tarea.

Elementos de la prueba

Juego de masas

Cordel

Aceite lubricante

Procedimiento

Para hallar la fuerza necesaria para vencer la fricción que existe entre la cabeza de

la flauta y su cuerpo, se realizó un montaje experimental donde se sujetó la flauta

de manera vertical con su cabeza hacia el piso, a la cual se le añadió un cordel que

suspende una masa, como se muestra en la Figura B.2.1 . Se procedió a montar

una primera masa de 100 gramos, para luego incrementarla por pasos de 50 gramos

hasta alcanzar vencer la fricción entre la partes mencionadas. Al lograr vencer la

fricción, se procede a verificar la fuerza requerida en 5 repeticiones.

Para verificar un método que permita reducir la fuerza se realizan las pruebas

lubricando las partes con aceite.

Page 110: Proyecto de Grado - USB

110

Figura B.2.1 Muestra el montaje del procedimiento utilizado para calcular la fuerza que necesita el actuador para vencer la fricción entre la cabeza y el cuerpo de la flauta.

Tabla B.2.1. Datos de la prueba de masa necesaria para vencer el rozamiento entre la cabeza y cuerpo de la flauta.

Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 Muestra 5

Sin lubricante 1000 gr 1000 gr 1000 gr 1000 gr 1000 gr Con lubricante 800 gr 800 gr 800 gr 800 gr 800 gr

Page 111: Proyecto de Grado - USB

111

FICHAS TECNICAS DE SERVOMOTOR SM-S4303R Y ENCODER OEM

GENÉRICO

Tabla B.2.1 Ficha técnica Servo-motor Pololu modelo SM-S4303R

Tipo Peso 4.8V 6V

Vel. Torque Velocidad Torque

g Oz r/min Kg/cm Oz/in r/min Kg/cm Oz/in

Análogo 44 1.55 60 3.3 45.8 70 4.8 66.7

Tabla B.2.2 Ficha técnica Encoder OEM genérico

Foto diodo Voltaje Corriente

WYC H206 4.5-5.5 V 20mA

Page 112: Proyecto de Grado - USB

112

ANEXO B.3 CÓDIGO EN ARDUINO PARA EL SISTEMA DE CONTROL DEL DISPOSITIVO AFINADOR

#include <Servo.h>

Servo servo;

unsigned int pulses=0;

int matlabData;

void setup()

{

servo.attach(3);

Serial.begin(9600);

attachInterrupt(0, countpulses, FALLING);

}

void loop() {

if(Serial.available()>0)

{

matlabData=Serial.read();

Serial.println(matlabData);

if(matlabData>0.1 && matlabData<127){

servo.attach(3);

servo.write(0);

}

else if(matlabData>159.1 && matlabData<255){

pulses=pulses+159;

servo.attach(3);

servo.write(180);

}

}

}

void countpulses()

{

pulses++;

if(matlabData==pulses){

servo.detach();

pulses=0;

}

}

Page 113: Proyecto de Grado - USB

113

ANEXO C. ALGORITMO DEL SISTEMA DE PROCESAMIENTO

% AFINADOR MECATRONICO PARA LA FLAUTA TRAVERSA (código para

inicializar interfaz.fig)

function varargout = interfaz(varargin)

gui_Singleton = 1;

gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ...

'gui_Singleton', gui_Singleton, ...

'gui_OpeningFcn', @interfaz_OpeningFcn,

...

'gui_OutputFcn', @interfaz_OutputFcn, ...

'gui_LayoutFcn', [] , ...

'gui_Callback', []);

if nargin && ischar(varargin{1})

gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});

end

if nargout

[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State,

varargin{:});

else

gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});

end

function interfaz_OpeningFcn(hObject, ~, handles, varargin)

handles.output = hObject;

guidata(hObject, handles);

%Declaración de variables globales y puertos.

clear a; % Borra la variable "a"

global a; % Declara la variable "a" como global

global fs; % Declara la variable "fs" como global

global ts; % Declara la variable "ts" como global

a=serial('COM11','BaudRate',9600); %Serial "Arduino" "COM11"

9600 baudios

fopen(a); % Abre Serial "COM11" "Arduino"

fs=48000; % Frecuencia de Muestreo

ts= 1/fs; % Tiempo de duración de una muestra.

Page 114: Proyecto de Grado - USB

114

function varargout = interfaz_OutputFcn(~, ~, handles)

varargout{1} = handles.output;

% Define la función a realizar en el botón Up.

function Up_Callback(~, ~, ~)

global a g; % Declaración de variables globales

g=20; % Asigna el numero 20 a "g"

fprintf(a,'%s',char(g)); % Envía "g" al puerto Serial (Mueve

Servo UP).

% Define la función a realizar en el botón Down.

function Down_Callback(~, ~, ~)

global a g; % Declaración de variables globales

g=180; % Asigna el numero 180 a "g"

fprintf(a,'%s',char(g)); % Envía "g" al puerto serial (Mueve

Servo DOWN)

% Define la función a realizar en el botón Analizar.

function Analizar_Callback(~, ~, handles)

% Declaración de variables globales.

global fs y ts n L t m M NFFT Y f u ;

global ix maximo iz fund dif h H ;

global iz2 maximo2 Armonico2 dif2 h2 H2;

global iz3 maximo3 Armonico3 dif3 h3 H3;

global iz4 maximo4 Armonico4 dif4 h4 H4;

global iz5 maximo5 Armonico5 dif5 h5 H5;

global iz6 maximo6 Armonico6 dif6 h6 H6;

global frec frec1 frec2 frec3 frec4 frec5 Frecs;

global Amplitud Amplitud1 Amplitud2 Amplitud3 Amplitud4

Amplitud5;

global Tiempos di ti wa wa1 wa2 wa3 wa4 wa5 xn xn1 xn2 xn3

xn4 xn5;

global suma Li NFFTi Yi yi ui;

y = audiorecorder(fs,16,1); % Grabacion "Mono" "16bits"

"48000Hz".

recordblocking(y, 3); % Tiempo de Grabación "3 segundos".

Record = getaudiodata(y); %Obtiene los datos grabados en "y"

.

L=length(Record); % Numero de muestras total de "Record".

Page 115: Proyecto de Grado - USB

115

n=0:L-1; % Define "n" para disponer el tiempo desde el origen

"0".

t=(n*ts); % Calcula el tiempo "t".

axes(handles.grafsign) % Llama las variables de "grafsign".

plot (t,Record); % Gráfica de Record en el tiempo "t".

axis([1 1.009 -0.3 0.3]); % Define los ejes x y y de la

gráfica.

grid on; % Activa la rejilla de la gráfica.

xlabel ('Tiempo(s)'); % Título del eje "x".

ylabel ('Amplitud'); % Título del eje "y".

%Señal Teórica.

frec=440;

Frecs=48000;

Amplitud=1/30;

Tiempos=1/Frecs;

di=3;

ti=0: Tiempos:di;

wa=2*pi*frec;

xn=Amplitud*sin(wa*ti);

frec1=880;

Amplitud1=1/60;

wa1=2*pi*frec1;

xn1=Amplitud1*sin(wa1*ti);

frec2=1320;

Amplitud2=1/90;

wa2=2*pi*frec2;

xn2=Amplitud2*sin(wa2*ti);

frec3=1760;

Amplitud3=1/120;

wa3=2*pi*frec3;

xn3=Amplitud3*sin(wa3*ti);

frec4=2200;

Amplitud4=1/150;

wa4=2*pi*frec4;

xn4=Amplitud4*sin(wa4*ti);

frec5=2640;

Amplitud5=1/180;

Page 116: Proyecto de Grado - USB

116

wa5=2*pi*frec5;

xn5=Amplitud5*sin(wa5*ti);

suma=xn+xn1+xn2+xn3+xn4+xn5;

% FFT teórica

Li=length(suma);

NFFTi = 2^nextpow2(Li);

Yi = fft(suma,NFFTi)/Li;

yi = (Frecs/2*linspace(0,1,NFFTi/2+1));

ui=(2*abs(Yi(1:NFFTi/2+1)));

% FFT "Record".

m=Record;

M=length(m);

NFFT = 2^nextpow2(M);

Y =fft(m,NFFT)/M;

f =((fs/2*linspace(0,1,NFFT/2+1)));

u=(2*abs(Y(1:NFFT/2+1)));

ix=find(f<3000);

axes(handles.grafarm)

%Gráfica FFT teórica y FFT Record.

semilogx(yi(ix),20*log10(ui(ix)),'b',(f(ix)),20*log10(u(ix)),

'r')

axis([400 3000 -100 0]);

grid on

xlabel ('Frecuencia (Hz)');

ylabel ('Amplitud (dB FS)');

% Diferencia fundamental con referencia

iz=find(f>420&f<460);

maximo=max(abs(u(iz)));

fund=interp1(u,f,maximo);

dif=abs(fund-440);

%Entropia minima de Shannon

h=(dif/0.195);

H=log2(h);

if H >= 0.03

set(handles.Ent,'String',H);

elseif H < 0.03

set(handles.Ent,'String','MIN');

end

Page 117: Proyecto de Grado - USB

117

% Cuadro de texto 1.

set(handles.Armonico1,'String',fund)

%Diferencia Armónico 2 con la referencia.

iz2=find(f>840&f<920);

maximo2=max(abs(u(iz2)));

Armonico2=interp1(u,f,maximo2);

dif2=abs(Armonico2-880);

%Cuadro de texto 2.

set(handles.Armonico2,'String',Armonico2)

%Entropía Armónico 2

h2=(dif2/0.39);

H2=log2(h2);

if H2 >= 0.03

set(handles.Ent2,'String',H2);

elseif H2 < 0.03

set(handles.Ent2,'String','MIN');

end

%Diferencia Armonico 3 con la referencia.

iz3=find(f>1260&f<1380);

maximo3=max(abs(u(iz3)));

Armonico3=interp1(u,f,maximo3);

dif3=abs(Armonico3-1320);

% Cuadro de Texto 3.

set(handles.Armonico3,'String',Armonico3)

% Entropía Armónico 3.

h3=(dif3/0.585);

H3=log2(h3);

if H3 >= 0.03

set(handles.Ent3,'String',H3);

elseif H3 < 0.03

set(handles.Ent3,'String','MIN');

end

%Diferencia Armonico 4 con la referencia.

iz4=find(f>1680&f<1840);

maximo4=max(abs(u(iz4)));

Armonico4=interp1(u,f,maximo4);

Page 118: Proyecto de Grado - USB

118

dif4=abs(Armonico4-1760);

% Cuadro de Texto 4

set(handles.Armonico4,'String',Armonico4)

% Entropía Armónico 4

h4=(dif4/0.78);

H4=log2(h4);

if H4 >= 0.03

set(handles.Ent4,'String',H4)

elseif H4 < 0.03

set(handles.Ent4,'String','MIN');

end

% Diferencia Armónico 5 con la referencia.

iz5=find(f>2100&f<2300);

maximo5=max(abs(u(iz5)));

Armonico5=interp1(u,f,maximo5);

dif5=abs(Armonico5-2200);

% Cuadro de Texto 5.

set(handles.Armonico5,'String',Armonico5)

% Entropía Armónico 5.

h5=(dif5/0.975);

H5=log2(h5);

if H5 >= 0.03

set(handles.Ent5,'String',H5)

elseif H5 < 0.03

set(handles.Ent5,'String','MIN');

end

%Diferencia Armónico 6 con la referencia.

iz6=find(f>2520&f<2760);

maximo6=max(abs(u(iz6)));

Armonico6=interp1(u,f,maximo6);

dif6=abs(Armonico6-2640);

%Cuadro de texto 6.

set(handles.Armonico6,'String',Armonico6)

% Entropía Armónico 6.

h6=(dif6/1.17);

H6=log2(h6);

if H6 >= 0.03

Page 119: Proyecto de Grado - USB

119

set(handles.Ent6,'String',H6);

elseif H6 < 0.03

set(handles.Ent6,'String','MIN');

end

% Cuadro de advertencia.

if dif > 2

warndlg('Analisis completo, pulse el botón "Afinar" para

continuar','Advertencia')

end

% Cuadro de mensaje.

if H < 3.35

msgbox(' Su flauta ha sido afinada.','Afinación

exitosa')

end

% Crea la función para la gráfica de forma de onda.

function grafsign_CreateFcn(~, ~, ~)

% Crea la función para la gráfica de FFT´s.

function grafarm_CreateFcn(~, ~, ~)

% Define la función a realizar en el botón Afinar.

function Afinar_Callback(~, ~, ~)

clear maximo g dif p;

global a g p dif fund;

%Función de Ajuste para rango de Afinación.

if (fund < 420)

g=200;

pause(3)

fprintf(a,'%s',char(g));

end

%Función de Ajuste para el Rango de Afinación.

if (fund > 450)

g=40;

pause(3)

fprintf(a,'%s',char(g));

end

% Función de Ajuste de Afinación

if (fund > 440 && fund < 450)

Page 120: Proyecto de Grado - USB

120

p=(dif/0.195);

g=round(p);

pause(3)

fprintf(a,'%s',char(g));

elseif (420 <= fund && fund < 440)

p=((dif/0.195)+159);

g=round(p);

pause(3)

fprintf(a,'%s',char(g));

end

% Crea la función afinar

function Afinar_CreateFcn(~, ~, ~)

Page 121: Proyecto de Grado - USB

121

ANEXO D. MANUAL DE INSTALACIÓN Y OPERACIÓN DEL DISPOSITIVO MECATRÓNICO PARA LA AFINACIÓN DE LA FLAUTA TRAVERSA:

Componentes suministrados:

Mecanismo actuador.

Interfaz de control.

Software de análisis ( Script “interfaz.m” para Matlab)

Cable USB 2.0.

Adaptador 9V-1A.

Figura D.1. Hardware suministrado.

Page 122: Proyecto de Grado - USB

122

Requerimientos:

Computador portátil (PC) con micrófono integrado tipo 2 (mediciones de

referencia).

Matlab versión 2010a o posterior instalada en el computador.

Instalación del dispositivo en la flauta traversa:

Ensamble la flauta traversa.

Figura D.2 Ensamble del instrumento.

Asegure las pinzas del mecanismo actuador a la cabeza y el cuerpo del

instrumento como se ve en la Figura D.3 .

Figura D.3. Sujeción del mecanismo al instrumento

Conecte el mecanismo actuador a la interfaz de control.

Conecte el cable USB 2.0. a la interfaz de control y al computador.

Conecte el adaptador suministrado a la interfaz de control y a una toma

eléctrica de 110V.

Page 123: Proyecto de Grado - USB

123

Instalación y ejecución del software:

Asegúrese de tener instalado en el computador (PC) el software Matlab versión

2010a o posterior, y ejecútelo.

Acceda al script “interfaz.m”.

Proceda a ejecutar el script usando el botón “run” en la parte superior de la

pantalla como se ve en la figura 2 o presione F5 en su teclado y espere hasta

que se despliegue la interfaz gráfica del afinador.

Figura D.4. Pantalla de Matlab para ejecutar la interfaz gráfica.

Instrucciones para el análisis y afinación:

Análisis:

Seleccione el botón analizar ubicado en la parte superior izquierda de la

pantalla.

Page 124: Proyecto de Grado - USB

124

Figura D.5. Parte superior izquierda de la interfaz gráfica.

Inmediatamente ejecute durante 3 segundos la nota LA4 en su flauta con la

siguiente digitación conservando cercanía al computador.

Figura D.6. Digitación de la nota LA4 en la flauta traversa.

Al finalizar el análisis obtendrá en pantalla:

Datos de la frecuencia fundamental y los primeros 5 armónicos de la nota

ejecutada.

Datos de la entropía mínima de cada una de las frecuencias (Fundamental y

armónicos, entre más pequeño sea el valor de la entropía, mas afinado estará

su instrumento).

Grafica de la forma de onda capturada.

Grafica del análisis en frecuencia de la captura (en rojo) comparado con el tono

teórico (en azul).

Page 125: Proyecto de Grado - USB

125

Figura D.7 Interfaz gráfica después de ejecutar el análisis.

Afinación:

Si la flauta está desafinada se despliega el siguiente cuadro de advertencia. Haga

“click” en aceptar y proceda al siguiente paso.

Figura D.8. Cuadro de advertencia

Seleccione el botón afinar y asegúrese de que no haya ningún obstáculo mientras

está funcionando el mecanismo.

Cuando finalice el desplazamiento, realice de nuevo la etapa de análisis para

verificar si su instrumento ha sido afinado, de ser así se desplegará el siguiente

cuadro de texto.

Figura D.9. Cuadro de texto. Afinación

Recomendaciones:

Verifique la correcta posición del corcho de obturación en su flauta traversa con la

ayuda de la marca en el extremo inferior de la vara de limpieza como se ve en la

siguiente figura.

Page 126: Proyecto de Grado - USB

126

Figura D.10 Verificación de la correcta posición del corcho de obturación con la varilla de limpieza.

Mantenga una correcta técnica teniendo en cuenta factores como:

Manejo del aire.

Colocación de la embocadura.

Direccionamiento de la columna de aire con los labios.

Postura general del cuerpo.

Page 127: Proyecto de Grado - USB

127

ANEXO E. PARTES DE LA FLAUTA TRAVERSA.

En la siguiente figura son mostradas las partes principales de la flauta traversa.

Figura E.1 Partes de la Flauta Traversa.

Cabeza: Pieza principal en la producción del sonido. Se ensambla al cuerpo permitiendo la conducción de la columna de aire hacia el resto del instrumento, y puede variar su posición con el fin de afinar el instrumento a una referencia.

Cuerpo: Pieza que permite la digitación de la mayoría de los registros en la flauta.

Pie: Extensión del cuerpo que permite la interpretación de los registros graves del instrumento.

Llave: Componente que permite el paso o bloqueo del aire por los orificios de la flauta a través de la digitación.

Embocadura: punto de encuentro entre el aparato bucal del instrumentista y la flauta traversa. Permite la conducción del aire de forma tal que facilite la producción de ondas estacionarias al interior del instrumento generando el sonido.

Page 128: Proyecto de Grado - USB

128

ANEXO F. ANÁLISIS DE ENTREVISTAS A EXPERTOS

Con el objetivo de evaluar la funcionalidad del dispositivo afinador mecatrónico para

flauta traversa, se entrevistó un grupo de seis músicos expertos, quienes mediante

la ejecución del mismo y la observación de la metodología que éste utiliza para la

afinación, valoraron y expusieron sus opiniones según su experiencia en el campo

musical.

Mediante dicha entrevista se logró identificar que entre las personas consultadas no

se encontró ninguna que conociera una herramienta, que pudiera por si sola, afinar

con precisión la flauta traversa, ya que todos manifestaron utilizar para éste fin

aplicaciones instaladas en sus teléfonos celulares, diapasón, afinador electrónico,

o la referencia con algún otro instrumento.

Al indagar sobre la utilidad que puede prestar el dispositivo en la afinación de la

flauta traversa, el flautista de banda sinfónica, Sergio Fernandez aprueba la

funcionalidad de ésta herramienta y expresa que el dispositivo lo puede ayudar en

la afinación de su instrumento "porque es muy exacto", dicha apreciación la

comparte con el compositor y músico profesional Álvaro Taborda, quien manifiesta

que "es de muy buena calidad y muy buena precisión", además hace énfasis en la

velocidad en la que se alcanza la afinación: "es muy rápida, porque en cuestión de

treinta segundos puede estar afinado muy bien el instrumento".

Así mismo, el Jefe de servicio técnico de instrumentos de viento en Yamaha

musical, Juan Gonzalo Saldarriaga, considera que el dispositivo puede ayudar en

la afinación de su flauta traversa y argumenta que "puede alertar frente a las

variaciones en la técnica con la que se toca". Simultáneamente, es importante

resaltar que el dispositivo mecatrónico podría ser utilizado como guía para músicos

inexpertos, como lo formula el Director musical de banda sinfónica, orquesta big

band y grupos de cámara, Gegdyrzon Hidalgo: "es un producto que para las

bandas puede favorecer mucho a los muchachos que están empezando, por las

variables que tiene, tanto en la embocadura, como en la aplicación de aire; porque

apenas están comenzando en el instrumento, entonces todavía no hay un dominio

de la columna de aire, de la afinación y puede ser muy práctico a la hora de tener

un referente de afinación sobre toda la banda". Según lo anterior se podría deducir

que la utilidad del dispositivo generaría mayor impacto en población que esté

iniciando su carrera musical, pues como lo explica el empresario, músico aficionado

y flautista de cámara José Juan Sampedro: "un instrumentista con algo de cancha,

Page 129: Proyecto de Grado - USB

129

aprende a educar el oído, creo que sería muy bueno en la parte docente, con gente

que está iniciando"

Mediante la entrevista se hace evidente que para los expertos entrevistados el

Dispositivo mecatrónico resulta ser de fácil instalación y manejo de la interfaz, la

cual según lo manifiesta Gegdyrzon Hidalgo el software "es fácil de asimilar, es

muy visual por la comparación que hace con la primera onda y la segunda onda, la

cual muestra si está baja la afinación o si está alta".

En cuanto a los resultados que el dispositivo ofrece, se demostró que satisface las

expectativas con respecto a la afinación del instrumento, y se evidenció conformidad

frente a la velocidad en la que el dispositivo alcanza la afinación esperada con

respecto a los otros métodos utilizados. Sin embargo, el Director de la orquesta

sinfónica del municipio de Envigado, Carlos Ocampo, apunta que se deben tener

en cuenta variables como la temperatura corporal y la percepción auditiva del

músico.

Con respecto a la manera en la que se podría mejorar el dispositivo se plantearon

ideas como reducir su tamaño, que se pueda suministrar la energía para su

funcionamiento a través de batería, que sea portátil, que tenga la posibilidad de ser

manipulado por un niño y que no sea necesaria la conexión a un computador para

comandarlo, sino que el dispositivo muestre la interfaz o gráfica y afinación del

instrumento en una pantalla incorporada en él mismo.