5 de junio de 2008

Conceptos Técnicos: Diseño de Sistemas de Sonido

Diseño de Sistemas de Sonido
- Parte I -

Denominamos sistema de sonido al conjunto de elementos capaces de reproducir, en forma plana y con rango completo, un programa integrado por música y palabra dentro del rango de frecuencias que va de los 40 Hz. a los 15 KHz., aproximadamente.

A pesar que existen componentes con espectros de frecuencia más amplio, incorporarlos, no siempre es sencillo y por lo general no se justifica.

Estos sistemas, generalmente se hallan integrados por:
+ Gabinetes con parlantes, drivers en bocinas, tweeter y divisores de frecuencia.
+ Amplificadores.
+ Consolas de mezcla y preamplificadores.
+ Micrófonos y sus accesorios (soportes, cajas de directa, protectores de viento, etc.).
+ Equipos de procesamiento (ecualizadores, cámaras, compresores, líneas de retardo).

El proyectista deberá conocer como tiene que sonar el programa a reproducir, para lo cual necesitará una desarrollada experiencia auditiva.

En el caso más sencillo, tendrá un sistema estéreo compuesto por dos gabinetes, en correspondencia con los lados izquierdo y derecho. Sin embargo, cuando sea necesario cubrir grandes superficies, deberá utilizar varias fuentes de emisión, por lo que necesitará tener en cuenta el comportamiento del conjunto, tarea ésta que presenta más de una dificultad.
Existen una serie de elementos que hay que tener presentes al seleccionar o diseñar un sistema de sonido.

Integración de componentes en un gabinete
El diseño o armado de un gabinete, significa que sus componentes deberán ser integrados y compatibilizados a través de una serie de requisitos tales como:

- Respuesta de frecuencia en el eje
La respuesta de frecuencia en el eje debe ser plana, o a lo sumo, con variaciones muy suaves. Hay distintas opiniones acerca de que se entiende por región plana en el espectro, pero la mayoría de los expertos coincide en que debe comenzar lo más abajo posible (por lo menos en 40 Hz.) y llegar, como mínimo, hasta los 5 KHz. Más allá de esta frecuencia, las opiniones divergen; algunos prefieren una caída gradual de -10 dB. entre 5 KHz. y 16 KHz., mientras que otros prefieren una respuesta plana hasta por lo menos 10 KHz.

- Respuesta horizontal fuera del eje
En el plano horizontal, la respuesta fuera del eje es tan importante como la respuesta en el mismo. Un sistema con respuesta suave, es decir sin picos ni valles en por lo menos ± 45° fuera del eje, tendrá un sonido potente y de buena calidad. Una respuesta plana en el eje, acompañada por una familia de curvas onduladas o solapadas fuera de éste, sonará extraña y deberá evitarse.

- Respuesta vertical fuera del eje

Si bien la respuesta en el plano vertical debe ser analizada, no es el determinante principal de la calidad del sonido. En un gabinete, a la frecuencia de cruce, habrá al menos dos componentes emitiendo el mismo sonido desde distintas posiciones, generalmente uno sobre otro. Es evidente que la diferencia de caminos determinará el nivel de atenuación que ocurrirá fuera del eje, debido a la cancelación por interferencia. Una solución al problema, es utilizar parlantes de rango extendido o de dos vías coaxiales es decir, en un mismo eje.

Alineación en tiempo o fase:

En un sistema como los que estamos analizando, la reproducción de señales musicales transitorias y complejas, se obtiene a través de componentes que trabajan en distintos rangos de frecuencia, lo que obliga a acomodar acústicamente sus respuestas a la posición del oyente.

Si la ubicación física de estos componentes hace que las señales lleguen a él en tiempos distintos, se producirá una rotación de fase cuyo resultado, debido a la interferencia temporal, será un sonido desagradable que degradará la calidad del mismo y su respuesta polar.

Hasta hace no muchos años, se creía que la rotación de fase era una abstracción teórica raramente percibida, pero en los últimos tiempos, diversos experimentos psicoacústicos han demostrado que la misma existe y que es detectada, en oídos entrenados, como una molestia o al
menos como un cambio en las características del programa generado (timbre).

Concepto de rotación de fase
A la rotación de fase se la denomina "distorsión lineal" y presupone que el sistema electrónico está amplificando y transfiriendo las señales complejas en forma lineal, a través de una función del tipo:



Donde:
VS = tensión de salida.
Ve = tensión de entrada.
K = factor de amplificación.
b = factor de Alinealidad.

Al no existir alinealidad (distorsión cero), deberá ser b = 0, por lo que la señal de salida amplificada, responderá exactamente a la señal de entrada en forma absolutamente lineal.

A pesar de ello, el sistema introduce una distorsión lineal que es percibida por el oyente. En realidad, lo que está sucediendo es que las señales llegarán a él en tiempos distintos, produciéndose una rotación de fase, es decir que variará el retardo de grupo en función de la frecuencia.

El retardo de grupo se expresa como:
τ = ∂ϕ / ∂f

Donde:
f = frecuencia (Hz)
ϕ = Angulo de rotación de fase (0)

Los sistemas que tienen rotación de fase constante en función de la frecuencia o que crecen linealmente con ella, son perfectos para el oído, dado que el retardo de grupo τ será constante y el sistema se comportará como una línea de retardo igual para cualquier frecuencia.

Por otra parte, si la respuesta de fase es no lineal, τ no será constante con la frecuencia, por lo que los armónicos del programa que se esté reproduciendo llegarán al oído en tiempos distintos, produciéndose lo que se denomina "distorsión lineal".

La figura representa distintos formas de rotación de fase en función de la frecuencia, y el comportamiento de τ en cada caso.

Lo expuesto nos permite decir que no será demasiado importante que el sistema introduzca rotación de fase, sino la forma en que ésta se presenta, lo que deberá ser analizado a partir del retardo de grupo. La idea de analizar la gravedad de la distorsión de fase a partir del retardo de grupo se debe a Preis, y el método de corrección se denomina "criterio de Preis".

Según este criterio, cuando en un sistema existen altos valores de τ, difíciles de evitar, se deberá incrementar selectivamente la rotación de fase ϕ para aumentar el τ en las zonas de τ bajo, con lo que el sistema resultará con un alto retardo de grupo, pero constante. La consecuencia práctica ha sido una variedad de esquemas que corrigen, en sistemas múltiples, el tiempo de arribo de las señales, haciéndolas coherentes.

Métodos de corrección
1. Alineación eléctrica con circuitos pasivos de retardo de tiempo (time delay networks).
2. Dispositivos digitales activos (digital delays) y alineación física mediante la ubicación coherente de los componentes. La opinión general se inclina por esta última opción, es decir, que la mejor solución parecería ser la alineación de las bobinas móviles con relación a la posición del oyente.

( Próximamente Diseño de Sistemas de Sonido - Parte II )

2 comentarios:

¿Tomaste clases con Ruffa? Porque transcribiste sus apuntes textuales. Seria bueno que lo cites.

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