Ilusiones auditivas creadas a partir de los Tonos de Shepard y su aplicación artística (1)

Introducción

Uno de los objetivos más importantes de la música, sino el que más, es el de generar sensaciones a través de la escucha. Esta búsqueda de sensaciones ha ido variando a través de las diferentes épocas de la historia, desde las únicamente placenteras hasta las más inquietantes o sorpresivas.

La llegada de la música electrónica trajo consigo una nueva forma de generar sonido y, por consiguiente, una nueva forma de generar esas sensaciones, basadas a su vez en nuevas formas de escucha y de empleo del espacio sonoro.

A la vez que evolucionaban los medios electrónicos para generar sonido se iba indagando más en el funcionamiento del oído y su conexión con el cerebro, siendo cada vez más los compositores que se interesaban sobre el mecanismo de funcionamiento del oído y su relación con la ciencia acústica.

Esta relación del oído con el cerebro, o el estudio de como recibe, identifica y relaciona los sonidos el cerebro se conoce con el nombre de Psicoacústica.

Los parámetros basados en los conocimientos sobre psicoacústica han ido adquiriendo cada vez mayor relevancia dentro del campo de la composición electroacústica, buscando siempre, como ya he dicho, producir el mayor número de sensaciones posibles a través de los sonidos.

Una de las sensaciones más inquietantes para el oído humano es sin duda la de no saber exactamente que está sucediendo y los estudios psicoacústicos mostraron que, pese a que el sentido del oído es uno de los sentidos humanos de mayor fiabilidad, no es totalmente infalible. Es posible enviar señales al oído lo suficientemente vagas en cuanto a su significado como para forzar a que sea el propio cerebro quien trate de completar la información restante, así como también saturar los órganos receptores del oído con una gran cantidad de información para que el cerebro sea incapaz de procesarla toda a la vez y, en ambos casos, debido a su funcionamiento racional, organice la información de una forma que poco o nada tiene que ver con los impulsos recibidos, generando un fenómeno conocido como Ilusiones Auditivas.

A mediados del S. XX, el psicólogo Roger Shepard^[1], investigando sobre los errores en la percepción visual humana y sus procesos mentales asociados, descubrió que cuando una persona compara un mismo objeto desde varios ángulos a la vez, el cerebro termina por reorientar el objeto para ofrecer una sola imagen desde un ángulo en concreto. Shepard y sus colegas de investigación llamaron a este fenómeno rotación mental^[2] (Shepard y Metzler 1971).

Estos descubrimientos acerca del funcionamiento cerebral ante ciertos estímulos visuales le llevaron a ampliar el campo de sus investigaciones hacia la posibilidad de que el cerebro actuara de la misma, o similar manera, ante estímulos auditivos.

Para llevar a cabo sus investigaciones sonoras R. Shepard obtuvo permiso para emplear las instalaciones de los laboratorios Bell con el fin de poder hacer uso de los medios allí disponibles para producir sonido electrónicamente, donde, finalmente, construyó una serie de tonos puros superpuestos cuya reproducción secuenciada forzaba al cerebro a actuar de forma similar a como actuaba ante los estímulos visuales. Esta serie de tonos recibió el nombre de Tonos de Shepard y da lugar a una de las ilusiones auditivas más sorprendentes y, aún hoy, más empleadas, tanto científica como artísticamente.

1. El Oído

El oído humano es el órgano responsable de la escucha, la orientación y el equilibrio.

El funcionamiento de este órgano es altamente complejo y no puede desconectarse a voluntad, como sucede por ejemplo con la vista, es decir, el oído está en permanente funcionamiento, captando todos y cada uno de los sonidos del total sonoro al que estamos expuestos y ejerciendo una importantísima labor de filtro acústico que discrimina unos sonidos de otros, identificando aquellos que poseen información relevante y desechando aquellos de menor relevancia.

Con el paso de los siglos la especie humana ha ido adaptando su sentido de la escucha para permitir al oído centrar su atención no solo en los sonidos importantes para la supervivencia, sino también en aquellos cuya escucha nos produce una sensación placentera.

1.1. Estructura y funcionamiento del oído

Básicamente, la función del oído es captar las ondas sonoras y convertir los cambios de presión de dichas ondas en impulsos nerviosos que son enviados al cerebro para ser procesados y analizados. Este proceso, que puede parecer simple, implica poner en funcionamiento uno de los mecanismos más complejos del cuerpo humano.

Anatómicamente el oído se divide en tres partes; oído externo, oído medio y oído interno.

1.1.1. El oído externo

El oído externo está formado por el pabellón auditivo, el canal auditivo y el tímpano. Ejerce la función de captar las ondas procedentes del campo acústico externo, filtrarlas y transportarlas por el canal auditivo hasta el tímpano. Es, además, la parte del sistema auditivo encargada de la localización del sonido en el espacio, es decir, identificar la dirección desde la que llega el sonido.

Las ondas sonoras provenientes del exterior (ondas de presión) son captadas por el pabellón auditivo y direccionadas hacia el conducto auditivo que actúa como un resonador de banda ancha con una frecuencia de resonancia de alrededor de 3000 Hz. (Merino 2006, 269).

Este conducto es una cavidad tubular cuyo interior está lleno de partículas de aire en reposo que, al ser excitadas por las ondas sonoras provenientes del pabellón auditivo, transmiten dichas ondas al tímpano haciéndolo vibrar a la frecuencia transmitida.

1.1.2 El oído medio

El oído medio comienza en el tímpano, que es la membrana cartilaginosa que separa el oído externo del oído medio. Esta membrana es capaz de cubrir con eficiencia el rango de frecuencias audibles por el oído humano, que se fija entre 20 y 20.000 Hz.

El tímpano recibe las ondas de presión del canal auditivo y las convierte en vibraciones mecánicas a la misma frecuencia que las ondas de presión recibidas y transmite la vibración a un conjunto de huesecillos llamados martillo, yunque y estribo quienes a su vez transmiten las vibraciones a la cóclea.

Una de las funciones del oído medio, aparte de convertir las ondas de presión en vibraciones mecánicas, es la de proteger al oído interno de sobrepresiones provocadas por una amplitud excesiva mediante un sistema controlado por el cerebro llamado “reflejo acústico”.

Los huesecillos del oído están sujetos entre si por unos diminutos músculos que son capaces de modificar su extensión con objeto de disminuir la amplitud de los movimientos si el sonido es intenso […] Se trata de un efecto sordina con el que el oído se protege de los sonidos excesivamente intensos […] El reflejo acústico tarda del orden de medio segundo en entrar en acción por lo que, realmente, se está en indefensión ante sonidos violentos e inesperados, tales como disparos, explosiones, etc. (Merino 2006, 271).

1.1.3. El oído interno

Las vibraciones son conducidas al oído interno mediante la conexión del estribo con la ventana oval.

El oído interno está formado por los canales semicirculares, el vestíbulo y la cóclea, si bien los canales semicirculares están relacionados con el sentido del equilibrio y no con el de la audición.

De los elementos que componen el delicado oído interno el más complejo y el de más importancia para el sentido de la escucha es la cóclea puesto que en su interior contiene el órgano de mayor importancia para el sentido de la escucha, la membrana basilar. La cóclea es un órgano en forma de tubo enrollado formando una espiral de alrededor dos vueltas y media de longitud.

La cóclea está dividida en dos canales llamados rampa vestibular y rampa timpánica, las cuales están llenas de un líquido llamado perilinfa^[3], funcionando ambos canales como un sistema hidrodinámico.

Entre ambas rampas está ubicado un conducto de corte transversal triangular, llamado rampa media, que contiene un líquido diferente llamado endolinfa y que está limitado por la membrana basilar, responsable del órgano sensorial y cuya elasticidad determina las propiedades hidromecánicas básicas de la cóclea; la membrana de Reissner, que separa la endolinfa de la perilinfa; y la pared lateral de la cóclea.

Las vibraciones transmitidas por el estribo a la ventana oval, se convierten en oscilaciones de presión en la perilinfa, dentro de la rampa vestibular. Las diferencias de presión resultantes entre las dos rampas exteriores flexionan a la membrana basilar en un movimiento ondulatorio similar al de una bandera ondeante de modo que, a medida que se propaga hacia el ápex, alcanza su máximo de amplitud en un punto determinado para luego decaer rápidamente.

A lo largo de la membrana basilar una gran cantidad de unidades receptoras^[4], llamadas células ciliadas, ordenadas en filas, una interna y tres externas, recogen los movimientos de esta última e imparten señales a las células nerviosas, que están en contacto con ellas.

Cada una de las frecuencias audibles por el oído humano está determinada por la región concreta de células ciliadas que es excitada cuando la onda producida en la membrana basilar alcanza su amplitud máxima. Estás zonas que identifican la frecuencia están repartidas a lo largo de la membrana basilar de forma que la zona que responde a la frecuencia más alta (20.000 Hz) está situada justo a la entrada de la membrana y la zona de respuesta a la frecuencia más baja (20 Hz) se encuentra situada más próxima al ápex^[5].

2. Introducción a las ilusiones Auditivas

El complejo y preciso mecanismo de funcionamiento del oído no convierte este sentido en 100% infalible, es más, podemos considerar la audición como algo personal y subjetivo, existiendo tantas respuestas a un mismo impulso sonoro como personas expuestas a dicho impulso, lo que no implica que este aspecto sea negativo en modo alguno, tal y como afirma J. Mariano Merino: “Lejos de ser algo negativo, la subjetividad en las respuestas del sistema psicoacústico ante los estímulos es una muestra de su sofisticación y una prueba de su alto grado de eficiencia.” (Merino 2006, 299).

Esta subjetividad de la escucha es responsable de que se pueda inducir al oído a producir ilusiones auditivas, del mismo modo que el sentido de la vista produce las populares ilusiones ópticas^[6]. Aunque hay que decir que inducir ilusiones al oído resulta más complicado que inducirlas a la vista y muchas de las ilusiones conocidas solo son posibles empleando medios electrónicos y sonidos puros^[7], necesitando además ser escuchadas por medio de auriculares.

Como la cuestión de las ilusiones auditivas supone enviar información confusa o incompleta al cerebro para tratar de conseguir que la respuesta de este ante la información recibida no sea la esperada y/o complete dicha información según unos patrones de comportamiento que se explicarán más adelante (Deutsch 1982), antes de entrar sobre este tema en profundidad resulta conveniente explicar algunas cuestiones referentes al funcionamiento de la membrana basilar, puesto que la información que esta membrana manda al cerebro es en gran medida responsable de las ilusiones auditivas.

En concreto, los conceptos que conviene aclarar son los referidos al funcionamiento de la membrana basilar cuando es excitada por al menos dos impulsos simultáneos.

Estos conceptos son las bandas críticas, el efecto de enmascaramiento y los armónicos aurales.

2.1. Bandas Críticas

Hemos visto anteriormente que cada frecuencia es identificada según la zona concretas de células ciliadas de la membrana basilar en la que la onda alcanza su máxima amplitud^[8], así pues, podemos decir que, a cada frecuencia, dentro del rango de 20 a 20.000 Hz, le corresponde una zona de la membrana basilar.

Pero sucede que esto no es exactamente así. Cuando dos tonos puros de frecuencias muy próximas entran en la membrana basilar excitan prácticamente la misma región de células ciliadas y, dependiendo de la proximidad de ambas frecuencias, el cerebro es incapaz de distinguirlos como dos sonidos independientes y los percibe como un solo sonido con oscilaciones en el tono percibido iguales a la diferencia de sus frecuencias. Estas fluctuaciones se conocen como batidos y son un elemento clave en la afinación.

Si ponemos por ejemplo que la membrana basilar es excitada por dos ondas con frecuencias f₁ = 445 Hz y f₂ = 440 Hz, el resultado percibido será un sonido con batidos de f₁ – f₂ = 5 Hz.

Según la proximidad entre ambas frecuencias, los batidos serán más lentos cuanto más cercanas ambas frecuencias y se irán volviendo progresivamente más rápidos a medida que se vayan alejando hasta que lleguen al punto en el que el cerebro sea capaz de distinguir ambas frecuencias por separado. Este es el principio de funcionamiento de las bandas críticas.

Así pues, las bandas críticas podrían definirse como el ancho de banda, alrededor de una frecuencia en concreto, que excita la misma región de la membrana basilar (García y Moreno 2011, 189)

Las bandas críticas están repartidas a lo largo de la membrana basilar, en un total de 24, de una longitud aproximada de 1,3 mm y situadas entre los 50 y los 13.500 Hz. El ancho de banda no es el mismo sino que varía con respecto a la frecuencia, manteniéndose más o menos uniforme a bajas frecuencias y de ancho proporcional a la frecuencia en las frecuencias altas, pero en general se acepta que el ancho de cada una de las bandas corresponde aproximadamente a una tercera menor, lo que se corresponde con que este sea el intervalo más pequeño considerado como consonante (Merino 2006, 275-277).

2.2. Efecto de Enmascaramiento

Algo similar a lo descrito anteriormente, que sucede en el campo de la frecuencia, puede suceder en el campo de la intensidad.

Al escuchar de forma simultanea dos tonos de distinta frecuencia e intensidad puede suceder que un sonido anule al otro, siendo necesario, en este caso, aumentar la intensidad del sonido anulado para poder ser percibido. A este fenómeno se le conoce como efecto de enmascaramiento.

Generalmente las frecuencias graves enmascaran con más facilidad a las frecuencias agudas. Esto es una consecuencia lógica de la zona de la membrana basilar a la que excitan unas frecuencias y otras, situándose las zonas sensibles a las frecuencias agudas a la entrada de la membrana, junto a la ventana oval y las más graves al final, junto al ápex. De este modo, una onda de alta frecuencia nunca llegará a excitar el punto de máxima excitación de las frecuencias más graves, mientras que las ondas de bajas frecuencias deben pasar obligatoriamente por las zonas de excitación de las frecuencias más graves. (Merino 2006, 288).

En los sonidos complejos el enmascaramiento se produce generalmente entre los armónicos superiores.

También puede producirse enmascaramiento entre sonidos que no suenan de forma simultánea, puesto que el ciclo de excitación y reposo de la membrana basilar requiere de un tiempo determinado. Así pues, puede producirse enmascaramiento entre dos sonidos no simultáneos siempre y cuando el tiempo de separación entre ambos quede comprendido dentro del tiempo que necesita la membrana basilar para procesar el sonido anterior.

2.3. Armónicos Aurales

En ocasiones, al excitar la membrana basilar por dos tonos puros de diferentes frecuencias, aparece, de forma totalmente audible, una tercera frecuencia, con relación armónica de las dos frecuencias iniciales pero que no está presente en ninguno de los dos tonos iniciales. Estamos ante lo que se conoce como armónicos aurales o tonos de combinación.

Normalmente cuando escuchamos simultáneamente dos tonos de frecuencias f₁ y f₂ se produce una sensación tonal de frecuencia grave (f₁ - f₂) y también otra de frecuencia aguda (2f₁ - f₂). Este fenómeno psicoacústico tiene en parte una causa física en la no linealidad de respuesta del oído ante las frecuencias y amplitudes de las ondas acústicas que a él llegan (Merino 2006, 296)

2.4. Ilusiones Auditivas

Entremos ya en la forma en la que el cerebro es engañado o confundido por el oído.

Según la Doctora Diana Deutsch^[9], se establecen cuatro mecanismos mediante los cuales el cerebro humano agrupa los sonidos (Deutsch 1982), (Merino 2006, 299):

1. Principio de Proximidad: El cerebro agrupa de forma preferente los sonidos que se encuentren próximos en el espacio o separados por un breve espacio de tiempo.
2. Principio de similaridad: Sonidos simultáneos son agrupados en función de la similitud de sus frecuencias y sus componentes armónicos.
3. Principio de la buena continuación: Sonidos no simultáneos son agrupados de forma intuitiva apreciándolos como parte de una secuencia direccionada.
4. Principio del destino común: Agrupación secuencial de sonidos que el cerebro intuye que se dirigen hacia una resolución común.

Estos patrones cerebrales de agrupación de sonidos, junto con los fenómenos producidos en la membrana basilar, descritos en el capítulo anterior, son los responsables de la práctica totalidad de las ilusiones auditivas.

La mayoría de estas ilusiones son provocadas enviando al cerebro información incompleta, para que sea completada según uno de los patrones anteriores o excitando un gran número de zonas de la membrana basilar provocando que el cerebro sea incapaz de extraer información de una zona en concreto.

Los experimentos efectuados por la Doctora Deutsch arrojan también interesantes conclusiones acerca de la diferente percepción de algunas de estas ilusiones según parámetros raciales, sociales o fisiológicos, como por ejemplo las diferencias de escucha de una misma ilusión entre sujetos diestros y zurdos o entre habitantes de California (EEUU) y habitantes Inglaterra.

Algunas de estas ilusiones solo son reproducibles mediante el empleo de auriculares, como por ejemplo la Ilusión de la Octava^[10]-[11], en la que dos tonos puros, separados a distancia de una octava, son reproducidos alternamente entre ambos oídos a una velocidad constante de cuatro por segundo. Se presentan a cada oído repetidamente los tonos alternando octavas y, finalmente, el cerebro agrupa todos los sonidos de la octava más aguda en un oído y los de la octava más grave en el otro, independientemente del sonido que se escuche en cada canal. (Deutsch 2004, 355–364)

El principio generador de esta ilusión da lugar una nueva ilusión, La Ilusión de la Escala^[12]-[13].

Esta ilusión se crea mediante la reproducción simultanea de una escala mayor ascendente y otra descendente, formadas por tonos puros, haciendo sonar la escala sobre un patrón que reproduce en cada canal los sonidos de forma que cuando un sonido de la escala descendente es enviado a un oído, un sonido de la escala ascendente es enviado al otro de forma simultanea.

Esta secuencia es repetida a una velocidad constante de cuatro sonidos por segundo y, finalmente, el cerebro divide la escucha en dos patrones y agrupa un patrón ascendente en un oído y uno descendente en el otro, sin importar el sonido que se esté mandando a cada canal.

Los estudios efectuados por la Doctora Diana Deutsch muestran que la percepción de esta ilusión varía según el oyente sea diestro o zurdo, de forma que, mientras los oyentes diestros tienden a escuchar el patrón más agudo por el oído derecho y el más grave por el oído izquierdo, los oyentes zurdos escuchan los patrones totalmente al contrario, el patrón agudo por el oído izquierdo y el patrón grave por el derecho. (Deutsch 2009, 1159-1167)

De entre las ilusiones auditivas que no necesitan de auriculares para su percepción, quizá, la de más amplia difusión y empleo es la formada mediante los sonidos conocidos como Tonos de Shepard.