12 de junio de 2008

Conceptos Técnico: Diseño de Sistemas de Sonido - Parte II

Diseño de Sistemas de Sonido
- Parte II -
- Potencia Admisible:
Las potencias que sean capaces de soportar los diferentes componentes del gabinete deben mantener una relación equilibrada, por lo que es necesario aumentarla a medida que disminuye el rango de frecuencias de los transductores. El resultado del conjunto debe hallarse en concordancia con las necesidades de la instalación, tamaño de la audiencia, tipo de programa,
etc.

Normalmente, se intercala en el sistema un procesador que permita la compresión del rango dinámico. En general, desde el punto de vista del gabinete, la compresión de los niveles de presión sonora moderadamente altos no representan un problema, mientras que la destrucción de sus componentes por un exceso de potencia, no permitirá reproducir señal alguna.

Sensibilidad y Eficiencia

La decisión entre el uso de un parlante grande o uno chico dependerá de la potencia y del nivel de presión sonora necesarios para una correcta audición. Los parlantes grandes son eficientes, es decir, capaces de producir de 95 a 100 dB a 1 m. de distancia para 1 W eléctrico aplicado. Los pequeños, menos eficientes, en el mismo ancho de banda producirán entre 82 y 90 dB / 1 m. / 1 W. En resumen, los primeros presentan 10 dB o más de sensibilidad que los segundos.

A fin de poder seleccionar correctamente las sensibilidades necesarias para los niveles deseables de un sistema, debemos tener presente que:

A) El nivel SPL para una potencia PX (W) se calcula como:
SPLX = SPL1m + 10 log (PX/1W)

B) El nivel SPL a x metros de la fuente, para 1 W eléctrico, se calcula como:
SPLX = SPL1m + 10 log (1 m /x)2

Ejemplo de cálculo:
En un control de estudio es común tener valores que superan los 100 dB de nivel promedio. Teniendo en cuenta que en una cinta master o en una grabación digital, los valores picos se encuentran entre 15 y 20 dB sobre el promedio y aplicando las ecuaciones dadas, podemos plantear dos casos:

Caso 1: Sensibilidad de los parlantes: 85 dB/ W/ m.
• Para este valor de sensibilidad, a 3 metros del gabinete tendremos alrededor de 75 dB para 1 W eléctrico, por lo que para llevar el nivel a 90dB, necesitaremos + 15 dB o 32 W promedio y para asegurar los picos de +20 dB adicionales, 3200 W, es decir un valor inadmisible.

Caso 2: Sensibilidad de los parlantes: 98 dB/ W/ m.
• A 3m. tendremos 88 dB y +2dB o 1,6 W para llegar al valor propuesto de 90 dB.
• El valor pico de +20 dB requerirá 160 W, valor éste mucho más accesible.
• La conclusión final es que la ilusión de una audición de alta fidelidad requiere al menos de dos factores: buena respuesta y capacidad de rango dinámico, lo que incluye una buena respuesta a los picos con baja distorsión.
• Este comportamiento no se logra fácilmente con parlantes chicos por lo que los grandes resultarán la mejor elección.
Divisores pasivos

Un divisor pasivo es aquél que no requiere alimentación externa, siendo su proposito ordenar el funcionamiento de los distintos radiadores que integran un sistema. Cada transductor, sea dinámico, electrostático, magnético o piezo, es capaz de producir solo un limitado rango de frecuencias, por lo que su utilización fuera de éste, deteriorara el rendimiento, la potencia y la respuesta.

Esto es la razón por la que un sistema de parlantes se construya utilizando múltiples transductores optimizados para un rango específico de frecuencias, de tal manera que el conjunto cubra el espectro completo. Los divisores (Crossovers) direccionan la potencia entrante hacia el
transductor apropiado, de acuerdo a sus características de respuesta en frecuencia.

Debido a su naturaleza, está formado por un conjunto de filtros eléctricos.
• Su otra función es la de proteger los transductores.
• Una nota baja de alta potencia puede destruir facilmente el delicado domo de un tweeter dinámico, independientemente de que éste no sea capaz de reproducirla.
• Un divisor de frecuencias pasivo (passive crossover network) es un circuito con dos o más componentes reactivos, es decir un filtro eléctrico que asigna a cada reproductor la banda apropiada de frecuencia de la señal, luego de ser amplificada.
• Los divisores, así como otros tipos de filtros, poseen distintas formas de respuesta en la zona de cruce o frecuencia de corte (lugar donde la amplitud disminuye en 3 dB) y en la caída o pendiente.

El esquema representa un filtro simple de dos vías, un polo, que separa la señal de audio en dos, una de baja y otra de alta frecuencia. Debemos observar que la pendiente de 6 dB por octava, es pobre para este tipo de sistema.

De acuerdo al orden del filtro, después de la frecuencia de corte la respuesta caerá a razón de 6 dB por octava o 10 dB por década, por cada orden de magnitud del mismo. De esta forma, un filtro de primer orden tendrá una pendiente de 6 dB / oct, uno de segundo orden 12 dB / oct. y sucesivamente. La respuesta del divisor es importante por dos motivos:


En primer lugar la combinación de dos respuestas en la frecuencia de cruce, determinará la respuesta final del mismo. En segundo término, la forma de ésta es un indicativo de la cantidad de energía reactiva que manejan sus componentes a las frecuencias de resonancia.



En general, deberán cumplir con las siguientes características:

-Respuesta combinada plana: La suma de las respuestas de los transductores, supuestos perfectos y de igual rendimiento, a la salida del filtro, debe reconstruir la señal original.
- Impedancia constante: Vista desde el lado del amplificador.
- Variación rápida con la frecuencia (alta pendiente): De lo contrario, cada parlante deberá rendir muy bien para frecuencias alejadas de la de corte.

Los filtros responden a funciones matemáticas complejas, con las que se obtienen distintas características de funcionamiento, entre las que podemos mencionar:

- Filtros Bessel (de cualquier orden): Presentan una pendiente muy gradual con un cambio de fase eléctrica suave en el cruce. Estos filtros suelen ser utilizados en líneas de retardo pasivas debido a la atenuación reactiva que presentan por encima de la frecuencia de corte.
- Filtros Chebychev: Presentan un incremento de su respuesta (un pico), antes del cruce, para luego caer abruptamente. Normalmente se los diseña con sobrepicos de 1 a 3 dB. El corte es rápido a expensas de generar transitorios en el cruce, los que distorsionan la señal.
- Filtros Butterworth: Presentan una respuesta plana sin sobrepicos anteriores a la frecuencia de corte. La atenuación, no tan alta como la del filtro Bessel, es buena, ofreciendo excelentes formas de combinación. En la actualidad constituyen la mejor opción.

Considerando el grado de atenuación y el comportamiento de los diferentes filtros, la tabla indica sus principales características. La figura grafica el comportamiento en el cruce, de un filtro de 6dB/octava y otro de 12 dB/octava.

Los consumidores de equipos de audio domésticos utilizan, generalmente, redes pasivas, las que se instalan entre el amplificador y los transductores. Estas redes se fabrican para manejar grandes potencias y poseen inductores, capacitores y resistores de valores altos. El tweeter utiliza un filtro pasa altos, el woofer un pasa bajos y tantos pasabandas como parlantes de rango medio existan.

• Entre sus características eléctricas debemos mencionar:
+ Frecuencia y pendiente de corte.
+ Ripple del pasabanda.
+ Respuesta de fase.

Dado que las redes se encuentran instaladas despues del amplificador, disipan una gran cantidad de potencia. A mayor pendiente de corte, mayor cantidad de componentes y más consumo de energía. Estos componentes no son, en general, de gran precisión, resultando filtros imprecisos, difíciles de corregir una vez instalados. A esto debe agregarse los atenuadores resistivos necesarios para limitar la potencia que llega a los tweeter. El mayor problema de estos filtros es que aislan los radiadores del amplificador.

La impedancia del altoparlante varía con la frecuencia, dado que es un elemento reactivo. Los filtros pasivos se diseñan para ofrecer una carga resistiva, invariable con la frecuencia. Cuando la impedancia de la carga varía, la respuesta del filtro cambia, cayendo rápidamente fuera de las especificaciones. La única solución consiste en incluir un corrector de impedancia sobre el altoparlante el que consumirá mas energía introduciendo mayor distorsión.

[ PROXIMAMENTE PARTE III ]

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