Sección 1: Sistemas de Sonido
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transmisión n. transmitiendo o siendo transmitido; programa de emisión transmitir v.t. 1. pasar, dar, transferir, comunicar. 2. permitir el paso a través, ser un medio para, servir para comunicar (calor, luz, sonido, electricidad, emoción, señal, noticias) Diccionario Concise Oxford
Transm isión Objetivos de la Transmisión La Transmisión es el transporte de una forma de onda de un lugar a otro. La calidad de la transmisión se juzga por la precisión en la semejanza con la forma de onda original. Capturamos la forma de onda acústica o electrónica original con la intención de reconstruirla eventualmente en una forma de onda acústica para que llegue a nuestros oídos, pero la pro- babilidad está en nuestra contra. De hecho, tenemos cero posibilidades de éxito. Lo mejor que podemos esperar es minimizar la distorsión de la forma de onda, es decir, controlar los daños. Ese es el objetivo principal de todos los esfuerzos descritos en este libro. Puede sonar decepcionante, pero es mejor empezar con una valoración realista de las posibilidades. Nuestro obje-
tivo principal es uno al que nos podemos aproximar, pero que nunca alcanzaremos. Habrá un gran número de toma de decisiones más adelante que dependerán, ante todo, de aquello que proporcione el menor daño a la forma de onda. Nuestro estudio principal sobre la transmisión observará tres modos: electrónico de nivel de línea, electrónico de nivel de altavoz y acústico. Si cualquier enlace en la cadena de transmisión falla, nuestra misión falla. El enlace más vulnerable en la cadena es, sin duda, el viaje acústico final desde el altavoz al oyente. Este camino está plagado de poderosos adversarios que toman la forma de nuestra señal (reflexiones y llegadas de otros altavoces en nuestro sistema), y distorsionan la forma de onda, a menos que sean copias exactas y lleguen exactamente en el mismo momento. Empezaremos con las propiedades de transmisión comunes a todas las partes del camino de la señal.
Figura 1.1 Flujo de transmisión desde la fuente de señal al oyente.
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Sound Systems: Design and Optimization
Definición de Transmisión de Audio Una señal de audio es un cambio constante: el movimiento de las moléculas y los electrones transfiriendo energía desde una fuente vibratoria. Cuando la señal de audio deja de cambiar, deja de existir como audio. A medida que las señales de audio se propagan hacia el exterior, las moléculas y los electrones se desplazan hacia delante y hacia detrás, pero en realidad no van a ningún sitio, siempre vuelven a su origen. La extensión del cambio es la amplitud, también referida como magnitud. Un viaje de ida y vuelta al origen es un ciclo. El viaje lleva un tiempo, y ese espacio de tiempo es el periodo, que se da en segundos, o por cuestiones prácticas, en milisegundos (ms). El recíproco del periodo es la frecuencia, que es el número de ciclos completados en un segundo y se expresa en herzios (Hz). El viaje es continuo y sin principio ni fin definido. El ciclo puede empezar en cualquier punto del viaje y se completa con el regreso a la misma posición. La naturaleza radial del viaje hace necesario que encontremos una forma de fijar nuestra posición en el círculo: este parámetro es lo que se llama la fase de la señal. Los valores se expresan en grados, desde 0 (punto de origen) hasta 360° (un viaje de ida y vuelta completo), y el punto de medio ciclo en el camino de la fase, 180 grados, será de un especial interés a medida que avancemos. Todas las transmisiones requieren de un medio, es decir, la entidad a través de la cual se pasa de un punto a otro, hecho de moléculas o electrones. En nuestro caso el medio primario son los cables (electrónico) y el aire (acústico), pero entretanto, también hay medios magnéticos y mecánicos. El proceso de transferir la energía de audio entre medios se conoce como transducción. La distancia física necesaria para completar un ciclo en un medio particular es la longitud de onda, y normalmente se expresa en metros o en pies. El tamaño de la forma de onda para una frecuencia dada es proporcional a la velocidad de transmisión de nuestro medio. La naturaleza física del componente de amplitud de la forma de onda es dependiente del medio. En el caso acústico, el medio es el aire y las vibraciones se expresan como cambios en la presión. La mitad del ciclo que es mayor que la presión ambiental se llama presurización, mientras que la parte de 4
baja presión se llama rarefacción. El movimiento de un altavoz hacia adelante en el aire crea una presurización y el movimiento hacia detrás crea rarefacción. La transmisión pasa a través del medio, una distinción importante. A través del medio pueden pasar múltiples transmisiones a la vez. Para las señales electrónicas, el cambio de presión eléctrico se expresa en voltaje. Las presiones positivas y negativas se expresan simplemente como voltaje positivo y negativo. Este movimiento también se llama corriente alterna (AC) puesto que alterna por encima y por debajo del voltaje ambiental, también llamado corriente continua (DC). Paranuestosesfuerzosescríticotenerunamplioconocimiento sobre la relación de la frecuencia, el periodo y la longitud de onda. La relación de estos tres parámetros juega un gran papel en nuestras estrategias de diseño y optimización.
Tiempo y Frecuencia Empecemos con un tono simple, llamado onda senoidal, y la relación de frecuencia (F) y periodo (T): T = 1/F y F = 1/T donde T es el periodo de tiempo de un ciclo en segundos y F es el número de ciclos por segundo (Hz). Para ilustrar este punto usaremos una frecuencia y un delay convenientes por su claridad: 1000 Hz (o 1 kHz) y 1/1000 segundos (ó 1 ms). Si conocemos la frecuencia podemos resolver el tiempo, y si sabemos el tiempo podemos resolver la frecuencia. Por tanto
F =1/T 1000Hz 1000Hz 1000Hz T =1/F 0.001 s 1ms
1/1000s 0.001s 1ms 1/1000Hz 1/1000Hz
A lo largo de este texto abreviaremos el periodo de tiempo por el término “tiempo” para connotar el periodo de tiempo de una frecuencia en particular. La frecuencia es el parámetro más conocido, ya que está muy relacionado con el término musical “tono.” La mayoría de los
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Figura1.2 Amplitud vs. tiempo convertido a amplitud vs. frecuencia
ingenieros de audio se entienden primero en términos musicales, ya que pocos llegamos a este mundo tras una larga fascinación por la física acústica. Sin embargo, debemos ir más allá de la frecuencia/tono, puesto que nuestro trabajo es “ajustar” el sistema de sonido, no afinar los instrumentos musicales. En este mundo tenemos que tener siempre presente la conexión entre frecuencia, periodo y longitud de onda. La frecuencia de 1 kHz solamente existe con su recíproco de 1 ms. Esto no depende del medio, ni de la temperatura, ni es parte de un estándar establecido: es una de las pocas verdades absolutas del audio. Si el audio viaja por un cable, estos dos parámetros serán lo suficientemente amplios para nuestras discusiones. Si es por el aire, necesitaremos añadir una tercera dimensión: la longitud de onda. Una señal de 1 kHz solo existe en el aire como una longitud de onda tan larga como la distancia desde el codo al puño. El comportamiento a 1 kHz se regirá por la realidad física de su periodo de tiempo y su longitud de onda. ¡La primera regla de la optimización es no considerar nunca una señal acústica sin considerar los tres parámetros!
Longitud de Onda ¿Por qué deberíamos tener en cuenta la longitud de onda? Después de todo, no hay analizadores acústicos que muestren estos datos. No hay procesadores de señal que dependan de ella para el ajuste. Hay algunas aplicaciones en las que podemos ignorar felizmente la longitud de onda, por ejemplo: cuando usamos un solo altavoz en un entorno libre de reflexiones. Para todo el resto de aplicaciones, la longitud de onda no solo es relevante: es decisiva. La longitud de onda es el parámetro crítico en la suma acústica. La combinación de señales en una frecuencia dada está gobernada por el número de longitudes de onda que las separa. Aquí hay mucho en juego, como lo evidencia el hecho de que el Capítulo 2 esté dedicado exclusivamente a este tema: suma. Las combinaciones de longitudes de onda pueden oscilar desde una adición máxima hasta una cancelación máxima, y puesto que planeamos hacer muchas combinaciones, más vale que seamos conscientes de la longitud de onda.
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Sound Systems: Design and Optimization El tamaño de la longitud de onda es proporcional a la velocidad única de transmisión del medio. Una frecuencia dada tendrá una longitud de onda diferente en su forma electrónica (sobre 500,000 veces más larga) que su versión acústica. Si se cambia el medio, su velocidad de transmisión y todas las longitudes de onda cambiarán con él. La fórmula de la longitud de onda es L = c/F donde L es la longitud de onda en metros, c es la velocidad de transmisión del medio, y F es la frecuencia (Hz). La velocidad de transmisión en el aire es de las más lentas. El agua es un medio muy superior en términos de velocidad y respuesta en altas frecuencias; sin embargo, los peligros de electrocutamiento y ahogo hacen de este
Tabla 1.1 Lenguaje común
Sistema Imperial/Americano
Sistema Métrico
Vel. sonido en el aire a 0º
1052 pies/seg.
+ Ajuste para temperature ambiente
+1 (1.1 x T) +1 (0.607 x T ) Temperatura T en ºF Temperatura T en ºC
= Vel. sonido a temperatura ambiente
= c pies/segundo
331.4 m/s
= c metros/segundo
un medio de re-fuerzo sonoro poco popular (natación sincronizada aparte). Nos quedaremos con el aire. Las fórmulas para la velocidad del sonido en el aire se muestran en la Tabla 1.1. Por ejemplo a 22°C:
c = (331.4 + 0.607 x 22) metros/segundo c = 344.75 metros/segundo
Ahora que podemos calcular la velocidad de transmisión, podemos determinar la longitud de onda para una frecuencia dada/periodo de tiempo: L = c/F Donde L es la longitud de onda en metros, c es la velocidad de transmisión del sonido, y F es la frecuencia (Hz). 6
Figura 1.3 Tabla de frecuencia, periodo y longitud de onda (a temperatura ambiente) para frecuencias por 1/3 de octava
El rango de frecuencia audible que se muestra en la mayoría de los libros es de 20 Hz a 20 kHz. Pocos altavoces son capaces de reproducir los extremos de 20 Hz o 20 kHz a un nivel de potencia suficiente como para jugar un papel significante. Es más útil limitar la discusión a aquellas frecuencias que es más probable encontarse normalmente: 31 Hz (la nota B en un bajo de cinco cuerdas) hasta 18 kHz. Las longitudes de onda en esta banda van desde el tamaño del ancho de un dedo hasta un contenedor de mercancías estándar. Las longitudes de onda más largas son como unas 600 veces mayores que las más pequeñas
Efectos de la Temperatura
Transmission Como vimos anteriormente, la velocidad del sonido en el aire depende ligeramente de la temperatura. A medida que la temperatura ambiente aumenta, la velocidad del sonido se incrementa, y por lo tanto, la longitud de onda se expande. Este comportamiento puede afectar ligeramente la respuesta de nuestros sistemas durante la duración de un evento, ya que la temperatura está sujeta a cambios incluso en los ambientes más controlados. Sin embargo, y aunque normalmente se le da una atención considerable, este no es un gran factor en la amplia composición de las cosas. No es probable que un sistema pobremente diseñado mejore con los cambios del tiempo. Y tampoco es práctico realizar análisis ambientales continuos sobre las extensas áreas de una audiencia para compensar la sala. Para nuestros propósitos, consideraremos la velocidad del sonido fija y aproximadamente a temperatura ambiente.
Figura 1.4 Una referencia útil para longitudes de onda cortas.
Figura 1.5 Tabla de velocidad del sonido, periodo y longitud de onda a distintas temperaturas
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Sound Systems: Design and Optimization Cuando la variación de temperatura sea relevante para nuestros propósitos, se especificará. La relación entre la temperatura y la velocidad del sonido puede aproximarse de la siguiente manera: Un cambio del 1 por cien en la velocidad del sonido ocurre con un cambio de temperatura de 5°C ó 10°F.
La Forma de Onda No hay límite en la complejidad de la señal de audio. Las ondas a múltiples frecuencias pueden combinarse simultáneamente para crear una señal nueva y única que sea la suma de las señales contribuyentes. Esta señal compuesta es la forma de onda, que contiene una mezcla ilimitada de frecuencias de audio con amplitudes y relaciones de fase variables. La forma de la onda compleja depende de los componentes que la crean y varía constantemente a medida que lo hacen. Un parámetro clave es cómo la frecuencia de cada una de las señales contribuyentes afecta a la forma de onda combinada. Si se añaden dos señales de frecuencias distintas, la onda llevará la forma de ambas ondas independientemente. La frecuencia más alta se añadirá a la forma de la onda de frecuencia más baja. La fase de las frecuencias individuales afectará a la forma
Figura 1.6 Tabla de referencia de algunos términos más comúnes usados para describir y cuantificar una onda de audio
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general, pero las distintas frecuencias mantendrán sus identidades separadas. Estas frecuencias pueden separarse después con un filtro (como en tu oído) y escucharse como sonidos separados. Cuando se combinan dos señales de la misma frecuencia, se crea una señal nueva y única que no puede separarse con filtros. En este caso, la relación de fase tendrá un efecto decisivo en la naturaleza de la forma de onda combinada. Las ondas existen en muchas formas, y los componentes listados anteriormente están presentes sin importar la forma de la onda. Todas las formas captan la onda de audio original de la misma manera básica. Los tipos de onda analógicas incluyen la electrónica, la magnética, la mecánica, la óptica y la acústica. Las señales de audio digitales son normalmente electrónicas, magnéticas u ópticas, pero el mecanismo de la transferencia de datos no es crítico aquí: podrían ser tarjetas de fichar siempre y cuando podamos moverlas lo suficientemente rápido para leer los datos. Cada medio graba la onda en diferentes formas de energía, adecuada a los particulares del medio de transmisión, junto con sus propias vulnerabilidades y limitaciones. El audio digital es entendido mucho más fácilmente cuando se ve una traducción matemática de la onda. Para estos propósitos, no es diferente del analógico, el
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Figura 1.7 Combinación de ondas de la misma frecuencia al mismo nivel con diferentes relaciones de fase: (A) 0 grados de fase relativa combina a 16 dB de amplitud, (B) 90 grados de fase relativa combina a 13 dB de amplitud, (C) 120 grados de fase relativa combina a 10 dB, (D) 180 grados de fase relativa cancela.
Figura 1.8 Combinación de ondas de distintas frecuencias con niveles y relaciones de fase distintas. (A) La segunda frecuencia es 5 veces mayor y 12 dB menor en nivel que la primera. La relación de fase es 0 grados. Nota que ambas frecuencias pueden verse en la forma combinada. (B) Igual que (A) pero con relación de fase relativa a 180 º. Nota que no hay cancelación en la onda combinada. La orientación del trazo de las frecuencias altas se ha movido, pero la de las frecuencias bajas no ha cambiado. (C) Combinación de (A) con una tercera. La tercera frecuencia es 25 veces la frecuencia más baja y 18 dB menor en nivel. La relación de fase coincide para todas. Se pueden distinguir las tres frecuencias en la onda.
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Sound Systems: Design and Optimization
Figura 1.9 Tres representaciones de la onda de audio
cual puede ser cuantificado matemáticamente en cualquiera de sus formas de energía residentes.
Perspectivas: He intentado aportar lógica, razonamiento y física a mis problemas en aplicaciones de audio. He descubierto que, cuando la causa de un evento es atribuído a la “magia,” significa que no tenemos los datos suficientes para entender el problema, o no entendemos las fuerzas involucradas en producir el fenómeno observado. Dave Revel
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La señal de audio puede visualizarse de tres formas diferentes como se muestra en la Fig. 1.9. Un ciclo se divide en 4 cuadrantes de 90 grados cada uno. Este cuadro ilustra el movimiento de la señal desde un punto de reposo hasta la amplitud máxima en ambas direcciones y el regreso al punto origen. Es la representación del movimiento de la partícula en el aire vigorizada por una fuente de sonido, como un altavoz.Ayuda también a ilustrar el movimiento de la onda hacia adelante y hacia detrás, en vez de alejarse del altavoz. No debería confundirse un altavoz con un ventilador. El desplazamiento máximo se encuentra en los puntos de 90º y 270º en el ciclo. A medida que la amplitud incrementa, el desplazamiento desde el punto de equilibrio aumenta. A medida que la frecuencia aumenta, el tiempo trasncurrido para completar el ciclo disminuye. La forma radial representa la señal en un círculo. El punto de origen de la onda corresponde al punto de comienzo del valor de fase, que podría ser cualquier punto en el círculo. El ciclo se completa cuando se regresa al valor de fase del punto de origen. Esta representación muestra el papel que jugará la fase. La diferencia entre las posiciones relativas de dos fuentes de sonido cualquiera en este gráfico radial determinará cómo reaccionará el sistema cuando se combinen. La representación de la onda senoidal es la más familiar para los ingenieros de sonido, y puede verse en un osciloscopio. Se rastrea el valor de amplitud con respecto al
tiempo y se calca la forma de onda en el orden en que pasa la señal. Los conversores de analógico a digital capturan esta forma de onda y crean una valoración matemática de la onda en amplitud vs. tiempo.
Cuantificar la Transmisión Decibelios Las amplitudes de la transmisión, también conocidas como niveles, se expresan comúnmente en decibelios (dB), una unidad que describe una relación entre dos medidas. El decibelio es un sistema de escala logarítmica usado para describir relaciones con un rango de valores muy amplio. El uso del decibelio tiene el beneficio añadido de acercarse a nuestra percepción de los niveles sonoros, la cual es generalmente logarítmica. Hay varias escalas de dB que son aplicables a la transmisión. Puesto que los decibelios están basados en relaciones, siempre son una escala relativa. La cuestión es: ¿relativa a qué? En algunos casos queremos comparar un nivel relativo con un estándar fijo. Debido a que el audio está cambiando constantemente, también es útil tener una escala puramente relativa que compare dos señales desconocidas. Un ejemplo de esto último es la comparación del nivel de salida de un equipo relativo a la entrada. Esta relación se conoce como la ganancia del equipo. La relación entre la entrada y la salida puede ser cuantificada incluso aunque una señal esté en constante
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Figura 1.11 Refrencia de fórmula logarítmica en Microsoft Excel
Relative level (dB) 5 20 3 log10
Level1 Level2
Relative power (dB) 5 10 3 log10 Figura 1.10 La relación de la salida con la entrada puede convertirse a dB con esta tabla de referencia. Para comparar un nivel dado con uno estándar, Level1 es el nivel dado y Level2 es el estándar. Para derivar la ganancia de un equipo, Level1 es el nivel de salida y Level2 es el nivel de entrada. Asimismo, se puede averiguar la potencia de ganancia sustituyendo los parámetros de potencia
cambio, como la música. Si aparece el mismo voltaje en la entrada y la salida, la relación de la entrada con la salida es 1, también conocido como ganancia unidad, o 0 dB. Si el voltaje en la salida es mayor que en la entrada, el valor de la ganancia es mayor que 1, y expresado en dB es positivo. Si la salida es menor que la entrada, la ganancia es menor de 1 y en dB es un número negativo; en otras palabras, es una pérdida. El valor real en la entrada o la salida no es importante. Es el cambio de nivel entre ellos lo que se refleja en el valor de ganancia en dB. Hay dos tipos de fórmulas logarítmicas aplicables en audio:
Power1 Power2
Las ecuaciones relacionadas con la Potencia usan la versión 10 log, mientras que las relacionadas con la presión sonora (SPL) y voltaje usan la versión 20 log. Es importante usar la fórmula apropiada, puesto que el doble de voltaje es un cambio de 6 dB, mientras que el doble de potencia es un cambio de 3 dB. La mayoría del tiempo usaremos la versión 20 log, ya que la presión acústica (dB SPL) y el voltaje son los valores principales en nuestra toma de decisiones. La Figura 1.10 proporciona una tabla de referencia para relacionar los valores con sus decibelios equivalentes. Este es un buen truco para los usuarios de Microsoft Excel. La Figura 1.11 muestra el formato de la fórmula para que Excel realice los cálculos logarítmicos por nosotros.
El Decibelio Electrónico: dBV y dBu La transmisión electrónica utiliza la escala del decibelio para caracterizar los niveles de voltaje. Los operadores prefieren la escala del decibelio sobre la escala lineal debido a 11
Sound Systems: Design and Optimization su relativa facilidad de expresión. Con la linealidad expresada nos encontraríamos refiriéndonos a la señal en microvoltios, milivoltios y voltios con varias series de valores y rangos numéricos. Una escala así hace muy dificil rastrear una señal variable como la música. Si quisiéramos doblar el nivel de una señal tendríamos que saber primero el voltaje de la señal original y luego computar su doble. Con señales dinámicamente cambiantes como la música, el nivel está en flujo en cualquier momento, lo que hace tales cálculos poco prácticos. La escala del decibelio proporciona un cambio relativo del valor independiente del valor absoluto. Por lo tanto, el deseo de duplicar el nivel puede conseguirse con un cambio de 6 dB, sin importar el valor original. También podemos relacionar el decibelio con un estándar fijo, el cual designamos como “0 dB.” Los niveles se indican por su valor relativo por encima (+dB) o por debajo (-dB) de este estándar. Por supuesto esto sería mucho más sencillo si solo hubiera un estándar, pero la tradición en nuestra industria es tener varios. dBV y dBu son los más comunes actualmente. Estos son referenciados a valores de 1.0 voltio y 0.775 voltios (1 mW a través de una carga de 600 V) respectivamente. La diferencia entre estos es una cantidad fija de 2.21 dB. Nota: Para facilidad de uso utilizaremos el dBV como estándar en este texto. Aquellos que prefieran el estándar del dBu deben añadir +2.21 dB a los valores dBV dados. Level (dBV) 5 20 3 log10 Level (dBu) 5 20 3 log10
Level1 1V Level1 0.775 V
Las escalas de dB relacionadas con el voltaje sirven el importante propósito de guiarnos hacia el rango de operación óptimo de los equipos electrónicos. Los límites superior e inferior de un equipo electrónico son valores absolutos, no relativos. El ruido de fondo tiene un nivel medio estable, y el punto de recorte es un valor fijo. Estos se expresan en dBV. El nivel absoluto de nuestra señal deberá pasar entre estos dos límites para prevenir el ruido excesivo o la distorsión. El área entre estos límites es el área de operación lineal del equipo electrónico. Nuestros diseños tendrán que asegurar que los 12
niveles de operación de los equipos electrónicos están escalados debidamente para los niveles de señal que pasen a través de ellos. Una vez hayamos capturado la onda de audio en su forma electrónica, pasará a través del sistema como un nivel de vol-
Figura 1.12 Tabla de referencias para para voltajes operacionales típicos y niveles de vatios en distintas etapas de transmisión del audio. Todos los voltajes son RMS
taje con una corriente insignificante, y por lo tanto, disipación de potencia mínima. Las secciones de salida de baja impedan-
Transmission cia, junto con las entradas de alta impedancia, nos permiten el lujo de no considerar los niveles de potencia hasta alcanzar los terminales de salida del amplificador. De esta manera, los amplificadores pueden verse como equipos de entrada de voltaje con etapas de potencia para alimentar los altavoces. El amplificador también aporta un aumento enorme de corriente y capacidad de voltaje adicional. La Figura 1.12 proporciona una tabla de referencia mostrando los niveles de voltaje operacionales estándar para todas las etapas de flujo de la señal en el sistema. El objetivo es transmitir la señal a través del sistema en el rango de voltaje de operación lineal de todos los equipos, sin caer en el ruido de fondo. Todavía hay otro juego de letras apéndices que pueden añadirse a los dB de la fórmula de voltaje. Estas designan si el voltaje medido es un pico o el valor medio. Las señales AC son más complejas de caracterizar que las señales DC. Las señales DC son un número dado de voltios por encima o por debajo de la referencia común. Las señales AC, por naturaleza, van hacia arriba y hacia abajo. Si tomáramos una media en el tiempo conlcuiríamos que los viajes posi-
tivo y negativo de la señal AC tienden a 0 voltios. Si ponemos nuestros dedos en los conductos de corriente AC nos daremos cuenta del hecho de que tender a 0 voltios en el tiempo no significa que haya 0 energía. Niños, no intentéis esto en casa. La onda de corriente AC se eleva a un máximo, retorna a cero, cae a un mínimo y retorna otra vez. El voltaje entre el pico y el punto cero, bien negativo o positivo, es el voltaje de pico (Vpk). El voltaje entre los picos positivo y negativo es el voltaje pico-a-pico (Vp-p). El voltaje AC equivalente al encontrado en un circuito DC se expresa como voltaje root-mean-square (RMS), o raíz cuadrática media (VRMS). El valor pico-a-pico es por naturaleza el doble del valor pico. El valor RMS es un 70.7 por cien del valor pico. Todos estos factores se trasladan a las fórmulas del dB relacionadas con el voltaje y se encuentran como dBVpk, dBVp-p y dBVRMS respectivamente. La diferencia del 70.7 por cien entre pico y RMS es equivalente a 3 dB.
Figura 1.13 Valores de factor de cresta, RMS, pico y pico-a-pico. (A) Una onda senoidal tiene el factor de cresta menor, de 3 dB. (B) Un ejemplo de onda compleja con transientes con un factor de cresta de 12 dB
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Sound Systems: Design and Optimization Perspectivas: La optimización del sistema empieza con un buen diseño del sistema. Desde ahí es un proceso que debería guiarse por un pensamiento estructurado y una escucha crítica. Sam Berkow, founder, SIA Acoustics llc & SIA Software Company, Inc.
Factor Cresta La diferencia de 3 dB entre los valores pico y RMS sólo se mantiene mientras la señal de entrada sea una sola frecuencia continua, es decir, una onda senoidal simple. Si la señal tiene múltiples frecuencias, la relación pico a RMS no es constante, sino que es áltamente volátil o dinámica. La presencia de múltiples frecuencias crea confluencias de señales momentáneas que pueden sumarse en un instante dado, creando un pico mayor que cualquiera de las partes individuales. Esto se conoce como pico transiente. La mayoría de señales de audio son transientes por naturaleza. Un transiente fuerte, como un pulso, es el que tiene un valor de pico muy alto y un valor RMS mínimo. Los picos transientes son el extremo opuesto a la relación pico-a-RMS de la onda senoidal. El término que describe la relación variable pico-a-RMS encontrada en diferentes materiales y programas es el factor cresta. El menor factor cresta posible es de 3 dB (onda senoidal). No hay límite máximo. El factor cresta típico para señales musicales es de 12 dB. Puesto que nuestro sistema transmitirá señales continuas, debemos asegurar que el sistema tiene suficiente rango dinámico para permitir que los picos transientes estén dentro del rango de operación lineal. La presencia de rango dinámico adicional se conoce como headroom, siendo 12 dB el objetivo común.
El Decibelio Acústico: dB SPL La expresión para la transmisión acústica son los dB SPL (sound pressure level). Esta es la cantidad de medida para los cambios de presión por encima y por debajo de la presión ambiente. El estándar es el umbral de audición de una persona (0 dB SPL). La unidad de expresión lineal es una unidad de presión, dynes/centímetro cuadrado, siendo 0 dB SPL un valor de 0.0002 dynes/cm2 (1 microbar). Este límite se acerca al nivel de ruido del aire, es decir, el nivel donde el movimiento molecular crea su propio ruido. Es reconfortante saber que no nos estamos perdiendo nada. En el otro extremo de la escala está el umbral del dolor en nuestro sistema de escucha. Sus valores son inconsistentes, pero van desde 120 a 130 dB SPL. En cualquier caso, este número representa el umbral del dolor, y 14
con ello los peligros obvios de potenciales daños auditivos. Level (dB SPL) 5 20 3 log10
P 0.0002
donde P es la presión RMS en microbares (dynes/centímetro cuadrado). Disculpa: ¿microbares y dynes por centímetro cuadrado? Estos términos de medidas de presión de aire no son familiares para la mayoría de ingenieros de audio, junto con el alternativo e igualmente desconocido término de 20 micropascales. Para la mayoría de ingenieros de audio la comprensión del dB SPL es relativa a su propia perspectiva: una correlación experiencial de lo que oímos con lo que hemos leído durante años en los medidores SPL. Los 130 dB de diferencia entre el umbral de audición y el comienzo del dolor pueden verse como el rango dinámico de nuestro sistema aural. Raramente utilizaremos nuestro rango completo, ya que no hay espacios de escucha con un ruido de fondo tan bajo. Además, el sistema auditivo genera una distorsión armónica sustancial antes del umbral del dolor que degrada la experiencia de escucha (para algunos) antes de que se note el dolor. En términos prácticos, necesitaremos encontrar un rango operativo lineal, como hicimos con la transmisión electrónica. Este rango va desde el ruido de fondo ambiente hasta el punto en el que la escucha se vuelve tan distorsionada que la experiencia es desagradable. Nuestro sistema de sonido necesitará tener un ruido de fondo por debajo del de la sala y una potencia continua y headroom suficiente para alcanzar el nivel máximo requerido Subunidades de dB SPL El dB SPL tiene niveles medios y de pico, de manera similar a las unidades de voltaje. Los valores SPL difieren, sin embargo, en que puede haber una constante de tiempo involucrada en el cálculo. • dB SPL pico (peak): El nivel más alto alcanzado durante un tiempo determinado es el pico (dBSPLpk).
Transmission • dB SPL continuo (rápido): Este es el SPL medio durante una integración temporal de 250 ms. La integración temporal se usa para imitar la percepción SPL de nuestro sistema auditivo, el cual no percibe el SPL a un nivel instantáneo, sino que lo hace a lo largo de un periodo de tiempo de aproximadamente 100 ms. La integración rápida es lo suficientemente larga para dar una lectura SPL que corresponde a esa percepción. • dBSPL continuo (lento): Este es el SPL medio durante una integración temporal de 1 segundo. La constante de tiempo más lenta imita la percepción de exposiciones al sonido de duración extendida.
Perspectivas: No importa cuál sea el esfuerzo, la excelencia requiere una fundación sólida sobre la que construirse. Un sistema de sonido correctamente optimizado permite a los ingenieros concentrarse en la mezcla, y no en los fallos. Paul Tucci
Los dB SPL pueden limitarse a una banda de frecuencias específica. Si no se especifica el ancho de banda, se asume el rango completo de 20–20 kHz. Es importante entender que una lectura de 120 dB SPL en un medidor de nivel no significa que el altavoz esté generando 120 dB SPL a todas las frecuencias. El valor de 120 dB es la integración de todas las frecuencias (a menos que se especifique lo contrario) y no pueden sacarse conclusiones sobre el comportamiento en el rango de respuesta del altavoz. El único caso en el que los dB SPL pueden computarse sin importar una frecuencia en particular es cuando sólo se manda esa frecuencia al sistema. Los dB SPL se pueden determinar para un rango de frecuencias específico, una práctica conocida como mediciones SPL por banda. El rango de frecuencias de la señal de excitación es limitado; normalmente en bandas de una octava o 1/3 de octava. El valor SPL máximo para un equipo se averigua de esta manera. Vale la pena realzar que no se pueden lograr los mismos datos simplemente limitando una banda, ya que si se aplica una señal de rango completo a un equipo, su energía se esparcirá sobre toda la banda. Las mediciones de bandas limitadas mostrarán niveles máximos más bajos para una banda dada si el equipo reproduce simultáneamente frecuencias fuera de la banda medida.
El Decibelio sin Unidades La escala de decibelios sin unidades sirve para la comparación de valores similares. Todo aquello expresado en la escala sin unidades es puramente relativo. Esto es
Figure 1.14 Nivel operacional típico del rango dinámico del oído
válido tanto para la transmisión electrónica como para la acústica. Un equipo con un nivel de entrada de -20 dBV y un nivel de salida de -10 dBV tiene una ganancia de +10 dB. Notarás que en este caso no hay ninguna letra añadida al término dB, lo que significa una relación de cantidades. 15
Sound Systems: Design and Optimization Dos asientos en un auditorio reciben lecturas de 94 y 91 dB SPL respectivamente. Tienen una diferencia de nivel de 3 dB. Esto no se expresa como 3 dB SPL, que es un nivel de sonido justo por encima de nuestro umbral de audición. Si los niveles aumentaran en ambos asientos a 98 y 95 respectivamente, la diferencia de nivel seguiría siendo 3 dB. La escala de dB sin unidades será, sin duda, la expresión de decibelio más común en este libro. La principal preocupación de este texto es el nivel relativo, en vez de los niveles absolutos. De manera simple: los niveles absolutos son, ante todo, una cuestión operacional, dentro del alcance de la ingeniería de mezcla, mientras que los niveles relativos son una cuestión de diseño y optimización, dentro de nuestro control. La calidad de nuestro trabajo se basará en cuánto se parece la señal final recibida a la original. Puesto que la señal transmitida estará cambiando constantemente, solo podemos ver nuestro progreso en términos relativos.
Potencia La energía eléctrica es una combinación de dos cantidades medibles: voltaje y corriente. La potencia eléctrica en un circuito DC se expresa como: P = EI donde P es la potencia en vatios, E es el voltaje en voltios, e I es la corriente en amperios. El voltaje corresponde a la presión eléctrica, mientras que la corriente corresponde a la tasa de flujo de electrones. Una analogía simplificada sería una manguera en un jardín. Cuando se abre el paso de agua, la presión es baja y el flujo es un cilindro amplio de agua. Si se pone el dedo en la apertura de la manguera se incrementa la presión, y se reduce la amplitud del flujo en una cantidad proporcional. El primer caso es voltaje bajo y corriente alta, mientras que el último es lo contrario. La potencia es el producto de estos dos factores. 100 vatios de potencia eléctrica podría ser el resultado de 100 voltios a 1 amperio, 10 voltios a 10 amperios, 1 voltio a 100 amperios, etc. La potencia podría usarse para hacer funcionar un radiador a 100 vatios, ó 100 a 1 vatio cada uno. 16
La cantidad de calor generado, y la factura de electricidad, serán iguales en ambos casos. La potencia es la medición de la energía, la cual puede distribuirse de diferentes maneras pero no cambia en su cantidad general. Tanto el voltaje como la corriente han de estar presentes para que la potencia se transmita. El voltaje sin corriente hace posible la potencia, pero ninguno se transmite hasta que no fluya la corriente. Hay un tercer factor que juega un rol decisivo en cómo se proporcionan el voltaje y la corriente: la resistencia. La resistencia eléctrica limita la cantidad de corriente que fluye a través de un circuito, y por lo tanto, afecta a la potencia transmitida. Siempre que el voltaje permanezca constante, la disipación de potencia se reduce, puesto que la resistencia detiene el flujo de corriente. Esta reducción de potencia puede compensarse incrementando el voltaje de manera proporcional. Volviendo a la analogía de la manguera, es el dedo el que actúa como una resistencia variable en el circuito, con una sensación física evidente cuando se intenta mantener el dedo en posición. Esta resistencia redistribuye la potencia de la manguera a un menor flujo de corriente y una mayor presión, lo cual tiene efectos muy importantes a la hora de poner en uso la energía. Si pensamos en beber agua directamente de la manguera sería muy aconsejable considerar la posición de nuestro dedo. La potencia eléctrica en un circuito DC se expresa como: P = IE P = I 2R P = E 2/R donde P es la potencia en vatios, E es el voltaje en voltios, I es la corriente en amperios, y R es la resistencia en ohmios. Esta fórmula para la corriente DC es aplicable a los componentes puramente resistivos de las fuerzas limitantes de corriente en el circuito eléctrico. En el caso de nuestra onda de audio, que por definición es una señal AC, la medición de la fuerza resistiva difiere sobre la frecuencia. Este complejo término de resistencia con componente frecuencial es la impe-dancia. La impedancia de un circuito a una fre-
Transmission cuencia dada es la combinación de la resistencia DC y de la reactancia. La reactancia es el valor para una resistencia variable sobre la frecuencia, y viene en dos formas: capacitiva e inductiva. La impedancia para un circuito dado es una combinación de tres valores resistivos: resistencia DC, reactancia capacitiva y reactancia inductiva. Estos factores alteran la respuesta de frecuencia en todos los circuitos AC; es simplemente una cuestión de grado de efecto. Para nuestro objetivo no iremos a los componentes internos de circuito, sino que nos limitaremos a la interconexión de equipos de audio. Todos los equipos de audio activos presentan una impedancia de entrada y de salida que deben configurarse correctamente para una transmisión óptima. La interconexión de cables también presenta una impedancia variable sobre la frecuencia que también será discutida.
Respuesta de frecuencia Si un equipo transmite de manera distinta a diferentes frecuencias, tiene una respuesta de frecuencia. Un equipo sin diferencias sobre la frecuencia, también conocido como respuesta de frecuencia “plana”, es realmente la ausencia de una respuesta de frecuencia. En nuestro mundo práctico esto es imposible, puesto que todos los dispositivos de audio, incluso un cable de altavoz hipoalergénico libre de oxígeno, cambian su respuesta sobre la frecuencia. La cuestión es la extensión de cambios detectables dentro del rango dinámico y de frecuencias de nuestro sistema auditivo. La respuesta de frecuencia es un montón de valores medibles, pero en esta sección nos centraremos en dos representaciones: amplitud vs. frecuencia y fase vs. frecuencia. Ningún equipo de audio reproduce una frecuencia grave infinita (tendríamos que volver al Big Bang para medir la frecuencia más baja) ni tampoco una frecuencia alta infinita. Afortunadamente, no lo necesitamos. El rango óptimo va un poco más allá del sistema auditivo humano. (La extensión exacta está sujeta a un debate interminable). Ge-neralmente se acepta que la extension en altas frecuencias más allá del sistema auditivo humano, es mejor que la de los sistemas que limitan su respuesta exactamente de 20 Hz a 20 kHz. Esto se atribuye generalmente al redu-
cido cambio de fase del material, el cual deja la serie de armónicos superiores intactos. Cualquiera que esté familiarizado con la prime-ra generación de equipos de audio digital, recordará la mala calidad de la limitada respuesta de banda de esos sistemas. El debate sobre la frecuencia de muestreo de 96 kHz, 192 kHz y superiores para audio digital la dejaremos para aquellos con oídos perfectos.
Amplitud vs. Frecuencia Amplitud vs. frecuencia (para abreviar lo llamaremos respuesta de amplitud) es una medición de la desviación del nivel sobre la frecuencia. Un equipo se especifica con un rango de frecuencias operacional, y un grado de variación dentro de este rango. El rango de frecuencia se da, generalmente, como los puntos de -3 dB en equipos electrónicos, mientras que los de -6 y -10 dB son más usados para altavoces. La calidad de la respuesta de amplitud se determina por su grado de variación sobre el rango de transmisión, con la mínima variación correspondiente a la máxima calidad. Los altavoces mostrados en la Fig. 1.15 tienen una respuesta de amplitud de +-4 dB sobre sus rangos operativos. Los rangos operativos (entre los puntos de -6 dB) difieren en las frecuencias bajas (40 y 70 Hz) y altas (18 kHz y 20 kHz).
Fase vs. Frecuencia Fase vs. frecuencia (para abreviar lo llamaremos respuesta de fase) es una medición de la desviación del tiempo sobre la frecuencia. Un equipo se especifica con un grado de variación del rango operacional gobernado por la respuesta amplitud. La calidad de la respuesta de fase viene determinada por su grado de variación sobre el rango de transmisión, con la mínima variación correspondiente de nuevo a la máxima calidad. Se muestra como ejemplo la respuesta de fase de los dos altavoces comparados en la Fig. 1.15. La respuesta de fase sobre la frecuencia es, en gran medida, un derivado de la respuesta de amplitud sobre la frecuencia. Dejando las excepciones de lado por un momento, podemos 17
Sound Systems: Design and Optimization decir que una respuesta de fase plana requiere una respuesta de amplitud plana. La desviaciones en la respuesta de amplitud sobre la frecuencia (filtros peak y dip, high- y low-pass filters, por ejemplo) causarán desviaciones predecibles en fase. Los cambios en la amplitud que son independientes de la frecuencia también son independientes de la fase; es decir un cambio general de nivel no afecta a la fase. La excepción nombrada antes se refiere a los circuitos de filtros que retrasan un rango selectivo de frecuencias, creando de ese modo desviaciones de fase no relacionadas con los cambios en amplitud. Esto crea posibilidades interesantes para la compensación de fase en sistemas acústicos con desplazamiento físico entre motores (drivers). El giro final es la posibilidad de los filtros de cambiar la amplitud sin cambiar la fase. La búsqueda de tales circuitos es como la búsqueda del Santo grial en nuestra industria del audio. Volveremos a esta búsqueda en el Capítulo 8. Cubriremos la fase desde múltiples perspectivas a medida que avancemos. Por ahora sólo introduciremos el concepto. La respuesta de fase siempre merece una segunda posición con respecto a importancia que la respuesta de
Figura 1.15 Respuestas de Amplitud y fase relativas de dos altavoces. Los dos sistemas están igualados en nivel y fase en la mayoría del rango de frecuencias, pero ambos parámetros se desigualan en el rango de frecuencias bajas
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amplitud por la siguiente razón: si el valor de amplitud es cero no hay nivel, y la respuesta de fase es inútil. Sin embargo, en el resto de casos, se necesitará conocer la respuesta de fase sobre la frecuencia. En el pasado ha habido mucho debate sobre si podemos discernir la respuesta de fase sobre la frecuencia de una señal. La noción ha avanzado a que no podemos oír fase directamente, y por lo tanto, un altavoz con mucho cambio de fase sobre la frecuencia era equivalente a uno con fase plana. Esta línea de razonamiento es absurda y tiene pocos defensores. De manera simple, un equipo con respuesta de fase plana saca todas la frecuencias en secuencia temporal tal y como entraron. Un equipo con fase no lineal retrasa selectivamente unas frecuencias más que otras. Éstas discusiones se centran normalmente en el rendimiento de los altavoces, los cuales deben superar grandes retos para mantener una respuesta de fase razonablemente plana para incluso la mitad de su rango de frecuencias. Piensa en esta pregunta: siendo el resto de factores iguales, ¿sonaría mejor un altavoz con fase plana sobre un rango de seis octavas que uno diferente para cada octava? la respuesta debería ser evidente a menos que pensemos que los altavoces crean música en vez de
Transmission
Perspectivas: Cada hechizo de vudú y cada fantasma que he encontrado en los equipos de audio, han sido poco a poco reemplazados por un silencio total. No tengo razón para creer que todos los que persisten no puedan ser reemplazados también por la experiencia y la verdad. Martin Carillo
Perspectivas: Mantener tu estructura de ganancia optimizada asegurará que todo el sistema saturará simultáneamente, asegurando así la mejor relación señal-ruido. Miguel Lourtie
recrearla. Si éste es el caso, te invito a que consideres que pensarías sobre la contribución de tu consola, cables o amplificadores a este tipo de cambio de fase justificado como contribución musical del altavoz. Una premisa central de este libro es que el altavoz no tiene ninguna excepción en musicalidad. Su trabajo es tan sencillo como el del cable que alimenta la entrada de señal: rastrear la onda. Aquí no discutiremos qué formas de coloración en la fase o respuesta de amplitud suena “mejor”. Apliquemos este principio a un evento musical: una tecla de piano se atasca y el pico de presión contiene un gran rango de componentes frecuenciales, ordenados de la manera en que nuestro oído reconoce una nota de piano. Para retrasar selectivamente algunas porciones de ese pico transiente, reorganiza las secuencias en una forma de onda que definitivamente no es la original y es menos reconocible como una nota de piano. A medida que se añade más cambio de fase, el transiente se alarga en el tiempo. El sentido del impacto del martillo sobre la cuerda se perderá. Mientras que la fase lineal sobre la frecuencia es importante, es secundario en comparación con el parámetro de fase más crítico: su papel en la suma. Este tema se detallará en el Capítulo 2.
Polaridad La polaridad de una señal salta desde su orientación al punto de origen de la onda. Todas las ondas empiezan en el estado “ambiente” en el medio y se mueven hacia delante y detrás desde ahí. La misma forma de onda puede ser creada en direcciones opuestas, una movién-
dose hacia detrás y adelante mientras la otra va adelante y detrás. Hay muchos debates sobre si se puede discernir la polaridad absoluta de una señal. Se toca una tecla de piano y el pico de presión llega primero como presión positiva seguida de negativa. Si esto se reproduce con un altavoz perfecto pero invertido en polaridad ¿oiríamos la diferencia? El debate continúa. En nuestro caso el parámetro crítico con respecto a la polaridad es asegurar que no ocurren inversiones en partes de la cadena de transmisión que se combinen eléctrica o acústicamente. El resultado de combinar la polaridad de las señales resultará en cancelación, un efecto negativo sobre el que no hay mucho que discutir.
Latencia La transmisión lleva un tiempo. La señal se manda a través del camino de señal desde la fuente al oyente. Cada etapa en el camino requiere un tiempo para hacer pasar la señal. Este tipo de delay, conocido como latencia, ocurre igualmente a todas las frecuencias, y se mide (con suerte) en ms. La forma más obvia de latencia es el “tiempo de vuelo” del sonido propagándose por el aire. No se necesita mucha distancia para acumular varios milisegundos de delay en el camino acústico. El camino electrónico también está cargado con problemas de latencia, y será de mayor importancia en el futuro. En la transmisión electrónica puramente analógica la latencia es tan pequeña que es prácticamente insignificante. En los sistemas digitales, la latencia no puede ignorarse nunca. Incluso latencias de 2 ms en sistemas digitales pueden llevar a resultados desastrosos si la señal se junta con otras a niveles comparables con caminos analógicos (0ms) o caminos de red alternati-
Figura1.16 El camino de transmisión electrónica analógica desde la consola al altavoz
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Sound Systems: Design and Optimization vos (número de ms desconocido). Para sistemas digitales de audio en red la latencia puede ser una variable muy amplia. Es estos sistemas es posible mandar una entrada a múltiples salidas con diferente latencia, incluso aunque estén todas a “0ms” en el interfaz de usuario. El ingeniero de audio moderno debe estar atento a sus sistemas digitales para asegurarse de no tener sorpresas. Esto es especialmente cierto ahora que tenemos consolas digitales en sonido en vivo que pueden distorsionar (alterar) los tiempos de llegada de señales múltiples cuando se suman en un bus de mezcla.
Transmisión de Audio Analógica Ya hemos hablado de la frecuencia, el periodo, la longitud de onda y su forma. Ahora nos centraremos en la transmisión de la onda a través de los medios electrónico y acústico. Empezaremos con el campo menos desafiante, el de la transmisión electrónica. Las señales de audio electrónicas son variaciones en voltaje, corriente o energía electromagnética. Estas variaciones serán transformadas en energía mecánica en el altavoz. La tarea principal del camino de transmisión electrónica es entregar la señal original desde la consola al domino mecánico/acústico. Esto no quiere decir que la señal deba entrar en el dominio acústico como una copia exacta de la original. En la mayoría de los casos será preferible modificar la señal eléctrica anticipándose a los efectos que ocurrirán en el dominio acústico. Nuestro objetivo es obtener una copia fiel en el destino
Figura 1.17 El camino de transmisión electrónica analógica de nivel de línea desde la consola de mezcla a la entrada de los amplificadores
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final: la posición de escucha. Para conseguirlo necesitaremos precompensar los cambios causados por las interacciones en el espacio. La señal electrónica puede ser procesada para compensarlainteracciónacústica,puedeserdivididaparamandar el sonido a varios altavoces y ser recombinada después acústicamente en el espacio. El audio analógico en nuestro camino de transmisión funciona en dos niveles de operación estándar: línea y altavoz. Cada una de estas categorías existe en equipos activos y pasivos. Los equipos de nivel de línea activos incluyen la consola, procesamiento de señal como delays, ecualización, controles de nivel y crossovers y las entradas de amplificadores de potencia. Los equipos pasivos incluyen los cables, patchbays y paneles de terminación que interconectan los equipos activos. Los equipos activos están categorizados, por su voltaje máximo y su capacidad de corriente, en tres tipos: nivel de micro, línea y altavoz. Tanto micro como línea operan con entradas balanceadas de alta impedancia (receptores) y salidas balanceadas de baja impedancia (fuentes). Son típicos los valores de impedancia de entrada de 5–100kΩ y 32–200 Ω de salida. Los equipos de nivel de micro se sobrecargan con menos voltaje que los de nivel de línea, los cuales deberían soportar 10 voltios (+20dBV) en entrada y salida. Puesto que nuestro objetivo se centra en la parte de la transmisión del sistema de sonido, nos encontraremos casi exclusivamente con señales de nivel de línea. Los amplificadores de potencia tienen entrada de nivel de línea de alta impedancia y salida de nivel de altavoz de impedancia extremadamente
Transmission baja. El nivel de altavoz puede extenderse a más de 100 V y es peligroso tanto para la gente como para los equipos.
Dispositivos de Nivel de Línea Cada dispositivo activo tiene su propia funcionalidad, pero todos comparten aspectos en común. Todos estos dispositivos tienen límites de voltaje de entrada y salida, ruido de fondo residual, distorsión y efectos en la respuesta de frecuencia tales como variación en la amplitud y en la fase. Si profundizamos un poco más, encontramos que cada dispositivo tiene latencia, límites en las frecuencias bajas que se acercan a la corriente DC y en las altas que se aproximan a la luz. En los dispositivos analógicos estos factores se pueden controlar para que sus efectos sean prácticamente insignificantes—pero no debe darse por supuesto. Los valores actuales para todos estos factores pueden medirse y compararse con las especificaciones del fabricante y las necesidades de nuestro proyecto.
Undispositivoelectrónicotípicotendrátresetapas:entrada, procesamiento y salida, como se muestra en la Fig. 1.18. La naturaleza de la etapa de procesamiento depende de la función del dispositivo. Podría ser un ecualizador, un delay, un divisor frecuencial o cualquier dispositivo de audio. La sección de procesamiento podría ser analógica o digital, pero las etapas de entrada y salida son analógicas. Los dispositivos profesionales de nivel de línea utilizan una configuración de entrada y salida más o menos estándar: la línea balanceada. Las líneas balanceadas proporcionan un grado sustancial de inmunidad contra el ruido inducido en la línea (interferencia electromagnética) y problemas de tierra (zumbido) en virtud de las ventajas de la entrada diferencial. La entrada diferencial se explica más adelante en este capítulo. La configuración estándar es un sistema de fuente de voltaje basado en salidas de baja impedancia para entradas de alta impedancia. Esta interacción permite que la interconexión sea relativamente inmune a la distancia y número de dispositivos. Las especificaciones clave para dispositivos electrónicos activos de nivel de línea son:
Figura 1.18 Diagrama de flujo típico de un dispositivo electrónico analógico
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Sound Systems: Design and Optimization • Entrada balanceada activa de alta impedancia: 10kΩ • Salida balanceada activa de baja impedancia: 150Ω • Rango de respuesta de frecuencia: 8Hz a 22kHz • Respuesta de Amplitud: +-0.5dB, 20Hz a 20kHz • Respuesta de fase: <45 grados de 20Hz a 20kHz • Capacidad de entrada máxima: >+16dBV, 20Hz a 20kHz • Capacidad de salida máxima: >+16dBV, 20Hz a 20kHz • Zumbido y ruido: <-90dBV, 20Hz a 20kHz • Rango dinámico: >100dB, 20Hz a 20kHz • THD: <0.1 por cien, 20Hz a 20kHz • Latencia (analógico): <0.01ms (10 nanosegundos) • Latencia (digital): <10ms • Polaridad: no invertida • Indicadores: sobrecarga de entrada y salida. Veamos ahora algunos de los tipos de dispositivos de uso común en nuestros sistemas. La lista que sigue no es exahustiva, y las descripciones son para las características y aplicaciones más genéricas de estos dispositivos. Simplemente, hay demasiados dispositivos para describir. La descripción a favor (o en contra) de las caractrísticas específicas y beneficios de una marca y modelo en particular la dejaremos para los fabricantes. Por lo tanto, considera que frases como “en la mayoría de los casos,” “normalmente pero no siempre,” “habitualmente,” “en todos los dispositivos que he usado en los últimos veinte años,” o “excepto el modelo X” son aplicables a cualquiera de las descripciones.
Fuentes de Audio El dispositivo que transmite nuestra señal original tiene que ser capaz de entregar una señal en condiciones. El dispositivo de entrega más común es la consola de mezclas. Sus salidas deberían cumplir con los criterios anteriores para que tengamos una señal que valga la pena transmitir.
Procesamiento de Señal Los dispositivos de procesamiento de señal se usarán durante el proceso de alineación. El procesado puede pro22
ducirse en un solo chasis, o en varios por separado, pero deberán ser capaces de realizar las funciones básicas de la alineación: ajuste de niveles, de delays y ecualización. Puesto que aquí los cubriremos por separado, consideraremos las funciones de procesamiento de señal como una combinación de unidades individuales.
Dispositivos de Ajuste de Nivel Los dispositivos de ajuste de nivel ajustan el voltaje de ganancia a través del sistema y oprimizan el nivel para obtener el máximo rango dinámico, así como la mínima variación de nivel ajustando los niveles relativos del subsistema. Estos equipos aseguran que la transición desde la consola hasta el amplificador de potencia se mantiene dentro del rango de operación lineal. Especificaciones clave para los dispositivos de ajuste de nivel: • Incremento de ajuste de nivel: 1dB mínimo, preferible 0.5dB.
Líneas de Delay De la misma manera que los controles de nivel ajustan los niveles relativos, las líneas de delay controlan la fase relativa. Su trabajo es controlar el tiempo. Ayudan al proceso de suma alineando en fase los crossovers acústicos para un acople máximo y una variación mínima. La mayoría de líneas de delay tienen una resolución de 0.02ms o inferior, la cual es suficiente. Es preferible el mínimo valor de latencia. La mayoría de interfaces de usuario dan falsas lecturas de la cantidad de delay que añaden a la señal, ya que el indicador en el equipo tiene un ajuste por defecto imposible de 0ms, el cual es preciso sólo como indicación de la cantidad de delay añadido al valor de latencia base. Una unidad de expresión precisa sería 0ms(R); es decir, relativos. Si cada dispositivo del sistema es del mismo modelo y no rutean señales a través de ellos en una red, el valor relativo será suficiente para nuestros propósitos. Si mezclamos distintos modelos de líneas de delay o las conectamos en una red, no tendremos ese lujo. Tendremos
Transmission que medir y tener en cuenta cualquier latencia variable en nuestro camino de transmisión. Especificaciones clave para líneas de delay: • Incremento de resolución de delay: 0.1ms mínimo, preferible 0.02ms o menos • Latencia máxima:preferible <5ms.
Ecualizadores Tipos de Filtro Los ecualizadores son un banco de filtros ajustables por el usuario. Los filtros son, en el sentido más básico, circuitos que modifican la respuesta en un rango de frecuencias en particular sin alterar otras áreas. El término filtros de ecualización se refiere generalmente a dos tipos de filtros fundamentales: shelving y paramétrico. Los filtros shelving afectan los extremos y dejan la parte del medio inalterada. Los filtros paramétricos hacen lo contrario, afectan a la parte media y dejan los extremos inalterados. Cuando se usan juntos, estos dos tipos de filtro pueden crear virtualmente cualquier forma que necesitemos para la ecualización. Características del filtro paramétrico: • Frecuencia central: el punto más alto, o más bajo en la respuesta, especificado en Hz • Magnitud: el nivel en dB de la frecuencia central, por encima o por debajo del nivel unitario fuera del área de interacción del filtro. • Anchodebanda(Q):Elanchodeláreaafectadaporencima,o por debajo de la frecuencia central. Esto tiene algunas complicacionesalasquellegaremosenbreve.Demanerasimple, un filtro de ancho de banda “ancho” afecta a un rango de frecuencias más amplio a ambos lados del centro que uno de ancho de banda “estrecho” con el resto de parámetros iguales. Características del filtro shelving: • Frecuencia esquina: el rango de frecuencias donde comienza la acción del filtro. Por ejemplo, un filtro shelving con una frecuencia esquina de 8kHz afectará al rango por encima de esta frecuencia, y no afectará al rango por
debajo de 8 KHz. En la práctica es más complicado debido a las opciones disponibles en los circuitos de filtros. • Magnitud: el nivel en dB del área afectada, por encima o por debajo del nivel unitario fuera del área de interacción del filtro. • Pendiente (en dB/octava u orden de filtro): controla la transición de las áreas afectadas a las no afectadas. Una pendiente suave, afectará un rango más amplio por encima (o por debajo) de la frecuencia esquina que una pendiente más pronunciada. Hay una gran variedad de subtipos de estos filtros básicos. Para ambos tipos de filtros, las principales diferencias entre los subtipos residen en la naturaleza de la pendiente transicional entre la frecuencia específica y el/las áreas no afectadas. Los avances en diseño de circuitos crean nuevas veriones y la tecnología digital abre las puertas a más posibilidades. No es nuestro objetivo describir cada uno de los subtipos, y por suerte, no lo necesitamos. Resulta que las necesidades de ecualización para un diseño optimizado no son muy exóticas. Las formas de filtro que necesitaremos son bastante simples y están disponibles en la mayoría de los ecualizadores paramétricos estándar (analógicos o digitales) fabricados desde mediados de los ‘80. Funciones de los Filtros Estos dispositivos son llamados “equalizers” en inglés, que se traduce como “igualadores”, por lo que su función es “igualar” algo. Ese algo es la respuesta de frecuencia. Pero ¿cómo se desiguala?. Hay tres mecanismos principales que “desigualan” un sistema de altavoces en una sala: una respuesta de frecuencia nativa del altavoz desigual (un problema de fabricación o de instalación), pérdida por distancia y suma acústica. De momento, asumiremos que se ha instalado un sistema de altavoces con respuesta plana en una sala. El objetivo de la ecualización consiste en compensar los cambios en la respuesta de frecuencia debidos a la pérdida por distancia, a la suma de las reflexiones de la sala y a la suma de otros altavoces con señales similares. Cualquiera de estos factores puede (y lo hará) crear picos y descensos en la respuesta de frecuencia, y de manera
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Sound Systems: Design and Optimization altamente variable en cuanto al ancho de banda y la magnitud. Por lo tanto, debemos tener la máxima flexibilidad en nuestro juego de filtros. El ecualizador más conocido es el “gráfico”. El ecualizador gráfico es un banco de filtros paramétricos con dos de sus tres parámetros (frecuencia central y ancho de banda) fijos. Los filtros están distribuidos sobre el eje de frecuencias en intervalos de octavas o 1/3 de octava. Los controles del panel frontal son, normalmente, una serie de deslizadores que permiten al usuario ver su ecualización como una lectura de la respuesta de frecuencias (de aquí el nombre “gráfico”). La cuestionable precisión de la lectura es un problema menor comparado con su principal limitación: parámetros fijos en una aplicación variable. Esta falta de flexibilidad limita severamente nuestra capacidad de posicionar los filtros a la frecuencia central y con el ancho de banda necesario para compensar la respuesta del sistema de altavoces medida en la sala. La aplicación profesional principal para estos EQ es la mezcla de monitores, donde la prioridad es eliminar el feedback con un solo botón. La capacidad de ajustar los tres parámetros continua e independientemente—frecuencia cental, ancho de banda y nivel—le dan al ecualizador paramétrico su nombre. Unos máximos de corte y aumento de 15dB son suficientes. Anchos de banda desde 0.1 a 2 octavas proporcionan una resolución suficiente para incluso aplicaciones de estudio muy precisas. No existe un número límite de filtros para un camino de señal; sin embargo, se alcanza de manera rápida el punto de rendimiento decreciente. Si usamos una gran cantidad de filtros (más de seis) en un solo subsistema alimentando una aplicación de ajuste de sonido en vivo, vale la pena considerar otras soluciones que no sean la ecualización. Los estudios de grabación, en los que el tamaño de la audiencia es únicamente una cabeza, puede beneficiarse de un mayor número de filtros. El proceso de ecualización se verá con detalle en el Capítulo 10. Fase Complementaria La respuesta de fase de los filtros es, normalmente, la primera derivada de la respuesta de amplitud, esta relación se conoce como “fase mínima.” Esta relación de fase 24
a amplitud se refleja en las respuestas para las cuales el ecualizador es el antídoto apropiado. Este proceso de crear una respuesta inversa tanto en amplitud como en fase se conoce como equalización de fase complementaria. No es aconsejable usar filtros notch para la optimización de sistemas. Los filtros notch crean una cancelación, y por lo tanto eliminan por completo bandas estrechas de la respuesta del sistema. Un filtro notch es una forma diferente de topología de filtro, no simplemente una banda paramétrica estrecha. La aplicación de filtros notch no es la ecualización, sino la eliminación. Un sistema que tiene eliminadas bandas de frecuencia nunca podrá ajustarse a nuestro objetivo de variación mínima. Algunos ecualizadores tienen topologías de filtro que crean diferentes respuestas de ancho de banda dependiendo de sus ajustes de pico y disminución; un pico ancho se vuelve una disminución estrecha cuando el ajuste de ganancia cambia de aumento a disminución. ¿La marca de ancho de banda vale para aumentar o para disminuir (o ambos)? Estos filtros pueden ser una molestia en la práctica, ya que sus marcas de ancho de banda no tienen sentido. Sin embargo, mientras que podamos monitorear la respuesta con herramientas de medición, estos filtros pueden crear las formas complementarias necesarias.
Figura 1.19 Referencia de conversión Ancho de Banda vs. Q (after Rane Corporation, www.rane.com/library.html)
Transmission
Figura 1.20 Familia de curvas de la ecualización paramétrica estándar
Figura 1.21 Familia de curvas del filtro Shelving
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Sound Systems: Design and Optimization
Perspectivas: He tenido que optimizar un par de sistemas usando ecualizadores de 1/3 de octava y no lo recomiendo. No creo que haya ninguna discusión sobre lo que puede hacerse con ecualizadores basados en octavas correctamente implementados, pero puede hacerse mucho más con ecualizadores paramétricos que tienen curvas de respuesta de aumento/disminución simétricas. Las infinitas posibilidades hacen que sea posible insertar ecualizadores para las anormalidades medidas. Con filtros fijos los problemas parecían insolucionables. Alexander Yuill-Thornton II (Thorny)
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Ancho de banda y Q Hay dos términos descriptivos comunes para el ancho de los filtros: ancho de banda (en realidad porcentaje de ancho de banda) y Q o “factor de calidad.” Ambos se refieren al rango de frecuencias entre los puntos de -3dB comparados con el nivel de la frecuencia central. Ninguna de estas descripciones proporciona una representación precisa del filtro tal y como está implementado. ¿Por qué? ¿Cuál es el ancho de banda de un filtro que tiene solamente 2.5dB de aumento? No hay punto de -3dB. La respuesta necesita un pequeño vistazo en el interior del ecualizador. El camino de señal en un ecualizador sigue dos caminos: directo desde la entrada al bus de salida y alternativamente a través de la sección de filtro. El control de nivel en nuestro filtro determina cuánto de la señal filtrada estaremos añadiendo (positiva o negativamente) a la señal directa. Esto causa que se añada una suma positiva (aumento) o negativa (corte) al rango completo de la señal directa. Las especificaciones de ancho de banda de los filtros se derivan de la forma del filtro interno (filtro paso-banda) antes de sumarse con las señales no filtradas. La lectura del ancho de banda en el panel frontal normalmente refleja el filtro antes de la suma, puesto que su ancho de banda real cambiará a medida que se modifique el nivel. Algunos fabricantes usan el ancho de banda medido con el aumento máximo (o corte) como lectura del panel frontal. Esta es
la configuración que más se ajusta a la pendiente del filtro interno. La principal diferencia entre los dos estándares es el entendimiento intuitivo; Para la mayoría de operadores de sistemas de audio es más fácil visualizar un sexto de octava que un Q de 9. Lo que importa al final de todo es que la forma creada por la serie de filtros sea la apropiada para el trabajo. Como veremos después en el Capítulo 10, realmente no hay necesidad de mirar el nivel de la frecuencia central o el ancho de banda en el panel frontal de un EQ. La ecualización se ajustará observando el resultado de la respuesta del ecualizador y viéndolo en el contexto con la respuesta acústica. Hay una forma de filtro adicional que se puede usar para crear cambios planos extensos en la respuesta de frecuencia. Se conocen como filtros shelving, y se diferencian de los paramétricos por su falta de control sobre el ancho de banda. La frecuencia esquina determina el rango de acción y el control de magnitud determina el nivel al cual se hará plano. Este tipo de filtro proporciona un moldeado suave de la respuesta del sistema con cambio de fase mínimo. Especificaciones clave para ecualizadores: • Frecuencia central, magnitud y ancho de banda (Q) contínuamente ajustables
Transmission • Mínimo de cinco filtros (como se describe anteriormente) • Rango de ancho de banda desde 0.1 (o menos) a 1 octava (o más) • Aumento o disminución de15dB • Filtros High y low shelving con nivel ajustable y ajuste de pendiente opcional.
Divisores de Frecuencia El trabajo del divisor de frecuencia (también llamado divisor espectral en este texto) es separar el espectro de audio para que pueda ser recombinado de manera óptima en el espacio acústico. La separación se realiza para evitar las leyes físicas que hacen imposible (actualmente) tener un equipo que pueda reproducir el rango de audio completo con la suficiente calidad y potencia. Nota: este equipo es comúnmente conocido como crossover electrónico, el cual es un término equivocado. El equipo electrónico divide la señal, la cual se recombina
después acústicamente. El efecto “crossover” ocurre en el medio acústico, de ahí el término “crossover acústico.” Este no es solo un caso de semántica académica. Los crossovers acústicos están presentes en cualquier posición donde se encuentran señales con mismo origen y mismo nivel. Esto incluye mucho más que simplemente el rango de frecuencias donde los drivers de agudos y graves se encuentran, y también la interacción de múltiples altavoces de rango completo e incluso reflexiones de la sala. Un componente central del diseño optimizado es el manejo de crossovers acústicos. Los divisores de frecuencia son sólo uno de los componentes que se combinan para crear crossovers acústicos. Los divisores de frecuencia permiten ajustar la frecuencia esquina, la pendiente y la topología de filtro. Se ha hecho mucho en la comunidad del audio a favor de Bessel, Butterworth, Linkwitz–Riley o algunas otras topologías de filtro. Cada topología difiere alrededor de la frecuencia esquina, pero tiene la misma pendiente básica, puesto que el efecto del orden de filtro es dominante. No hay una respuesta sencilla a la cuestión de la topología porque las
Figura 1.22 Familia de curvas de un divisor de frecuencias
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Sound Systems: Design and Optimization propiedades acústicas combinadas de los dispositivos jugarán su propio papel en la suma sobre el rango del crossover acústico. Esa suma se determinará por los particulares de los dispositivos mecánicos, así como por los ajustes en el divisor de frecuencia. Un parámetro mucho más crítico es el orden del filtro y la capacidad de proporcionar órdenes diferentes para los canales pasa-altos y pasa-bajos. El uso de diferentes órdenes en la ecuación nos permite crear un divisor de frecuencia asimétrico, una opción apropiada para la inherente asimetría de la combinación de transductores. Cualquier divisor de frecuencias que pueda generar hasta cuarto orden (24dB por octava) debería ser suficiente para nuestras necesidades. Un parámetro adicional que puede encontrarse en algunos divisores de frecuencia es un circuito de alineación de fase. Puede encontrarse en forma de delay estándar o como una forma especializada de filtro de fase conocido como all-pass. El delay estándar puede usarse para compensar el desplazamiento mecánico entre los drivers de agudos y de graves. El filtro all-pass es un delay que puede ajustarse a un rango de frecuencias en particular. El ancho de banda y la frecuencia central son ajustables. Los filtros all-pass pueden encontrarse en controladores de altavoces y altavoces activos, donde las condiciones están lo suficientemente controladas para que los parámetros puedan ser optimizados. El filtro all-pass tiene un uso extremadamente limitado, ya que las condiciones del campo hacen que el discernimiento de la respuesta de fase sea extremadamente complicada. Especificaciones clave para los divisores de frecuencia: • Frecuencias esquina continuamente seleccionables • Parámetros independientes de paso-altos y paso-bajos • Mínimo de Primer-, segundo- y tercer orden. Cuarto orden opcional • Capacidad de alineación de fase (delay de señal y all pass opcional).
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Limitadores Los limitadores son dispositivos reguladores de voltaje que reducen el rango dinámico de una señal pasante. Pueden aplicarse en cualquier punto de la cadena de señal, incluyendo canales de entrada individuales, canales de salida o la señal post-divisor de frecuencia alimentando un amplificador de potencia. Los que nos interesan son aquellos limitadores que controlan la señal de entrada a los amplificadores de potencia para proporcionar protección a los altavoces y amplificador. Los limitadores no son un requisito en el camino de transmisión. Si el sistema se opera siempre de manera segura dentro de su rango lineal, no hay necesidad de usarlos. Esto es algo que podría pasar en nuestra vida, de la misma manera que sería posible la paz mundial. Desafortunadamente debemos asumir el peor de los casos, que es que el sistema esté sujeto al máximo nivel de abuso posible, más 6dB. Las condiciones de sobrecarga son un abuso en los amplificadores y en los altavoces, y tienen varias características sónicas desagradables (para la mayoría). Los limitadores son equipos con una ganancia de voltaje variable controlada por un umbral. Su comportamiento se caracteriza por sus dos rangos operacionales: lineal y no lineal y por los parámetros de tiempo asociados con la transición entre los estados: ataque y release. Los rangos están separados por el umbral de voltaje y las constantes de tiempo asociadas que gobiernan la transición entre ellas. Si la señal de entrada excede el umbral durante un periodo de tiempo suficiente, la ganancia del limitador se vuelve no lineal. La ganancia de voltaje del limitador disminuye porque la salida se covierte en un cepo al nivel del umbral, a pesar de que los niveles en la entrada se eleven. Si el nivel de entrada retrocede por debajo del umbral durante un tiempo suficiente, el equipo vuelve a la ganancia lineal. El campo de los limitadores es complicado debido a la cantidad de los equipos que los contienen hoy en día. Pueden encontrarse dentro de consolas de mezcla, donde su aplicación principal es el control dinámico de la mezcla, y no la protección del sistema. También pueden encontrarse en el procesamiento de la señal, antes y después de los divisores de frecuencia. Es difícil unir un limitador antes
Transmission de la división de frecuencia en un driver en particular, a menos que tenga parámetros de umbral dependientes de la frecuencia. El enfoque más común para la protección de sistemas está después del divisor, donde los limitadores se cargan con un modelo de driver en particular que opera en un rango de frecuencias restringido y conocido. Estos limitadores pueden encontrarse como equipos mismos, como parte de un divisor de frecuencias activo (analógico o digital) o incluso dentro del amplificador de potencia. ¿De dónde saca el limitador sus ajustes de umbral y sus constantes de tiempo? Los sistemas más modernos utilizan ajustes de fábrica basados en los niveles de potencia y excursión recomendados por el fabricante. Hay dos causas principales de mortalidad de los altavoces: trauma por calor y trauma mecánico. El factor del calor es controlado por los limitadores RMS, que monitorean las condiciones térmicas a largo plazo basándose en la energía disipada. El trauma mecánico resulta de la sobreexcursión de los drivers que resulta en la colisión con la estructura magnética, o por la rotura de partes del driver.
La protección contra el trauma debe ser mucho más rápida que la protección contra el calor; de esa manera las constantes de tiempo son mucho más rápidas. Este tipo de limitadores se llaman limitadores de pico. Idealmente, los limitadores se calibrarán según la física particular de los drivers. Si los limitadores no están optimizados para los drivers, degradarán la respuesta dinámica o posiblemente fallarán en su misión primordial de protección. Los sistemas mejor diseñados incorporan un balance óptimo de limitación pico y RMS. Esto se hace de manera más segura con el uso de amplificadores con límites de voltaje que caen dentro del rango mecánico del driver y limitadores de pico lo suficientemente rápidos para prevenir que el amplificador exceda esos límites o llegue al clipping. Los resultados son picos totalmente seguros y niveles RMS que pueden soportar la carga térmica a largo plazo. Otro acercamiento que también parecería seguro sería usar amplificadores de baja potencia o ajustar los umbrales del limitador muy por debajo de su capacidad, por precaución. Esto no es lo mejor necesariamente. En realidad,
Figura 1.23 Esquema de limitador predictivo. El limitador está calibrado independientemente del amplificador. Para que este esquema sea efectivo el limitador debe calibrarse con la ganancia de voltaje conocida y las características de potencia de pico del amplificador. Los cambios en el nivel de entrada del amplificador descalibrarán el limitador.
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Sound Systems: Design and Optimization
Figura 1.24 Esquema de feedback negativo. El limitador está calibrado con la salida del amplificador. El limitador permanece calibrado incluso con cambios en el control de nivel del amplificador
los limitadores sobreprotectores pueden poner en peligro el sistema porque la falta de rango dinámico hace que los operadores busquen un impacto máximo para forzar el sistema a un estado contínuo de compresión. Esto crea el peor caso de calor a largo plazo, así como desafíos mecánicos para rastrear ondas cuadradas si el amplificador o la electrónica llegan a la saturación. Las mejores oportunidades de supervivencia y satisfacción son una combinación de operación responsable y limitadores optimizados para un rango dinámico máximo. Los limitadores pueden dividirse en dos categorías básicas: predictivos o de bucle de feedback negativo. Los predictivos se insertan en el camino de la señal antes de los amplificadores de potencia. No tienen correlación directa con el voltaje en las salidas del amplificador, por lo tanto su relación con la señal que manejan es una variable abierta que debe ser calibrada según las particularidades del sistema. Para que este esquema tenga éxito los factores mencionados deben ser conocidos y recreados en el limitador. Estas prácticas son comunes en la industria. No pretendo ser alarmista. Miles de altavoces sobreviven a estas condiciones noche tras noche. La intención aquí 30
es aumentar la conciencia de los factores a considerar en los ajustes.Sepuedenconseguirresultadossatisfactoriossiempre que los limitadores puedan mantener una relación de rastreo apropiada con la salida de los amplificadores. Consulta a los fabricantes de altavoces, limitadores y amplificadores sobre sus prácticas y ajustes recomendados. Parámetros que son necesarios conocer para limitadores predictivos: • límites de voltaje (capacidad de potencia máxima) del amplificador • gananciadevoltajedelamplificador(incluyendolosajustes de nivel controlados por el usuario) • capacidad de voltaje de pico máximo del altavoz • límites de excursión del altavoz en su rango de frecuencias de operación • capacidad de potencia RMS a largo plazo. Los sistemas de feedback negativo emplean un bucle que retornaelvoltajedesdelosterminalesdelamplificador.Estevoltaje se usa después para la comparación con el umbral. De esta maneralagananciadevoltajeylascaracterísticasdesaturación
Transmission
Figura 1.25 Respuesta de frecuencia y fase de un ejemplo de controlador de altavoz dedicado de dos vías
delamplificadorseincorporanenelprocesodelimitación.Esta es una práctica común en los controladores de altavoz dedicados y pueden proporcionar un grado de protección comparable o superior con menos requisitos para los amplificadores; por ej. los controles de nivel de entrada del amplificador pueden ajustarse sin reajustar el umbral de límite. Especificaciones clave para limitadores: • Tipos de limitador: necesitan pico y RMS • Calibración: deben estar calibrados a las condiciones de sobrecarga mecánicas y térmicas respectivamente para cada tipo de altvoz • Rango de frecuencia: los limitadores deberían ser de rango limitado y en posiciones post-crossover en la cadena de señal. Los limitadores de rango completo no proporcionarán protección del sistema.
Controladores de Altavoz Dedicados Los controladores están diseñados para crear los parámetros de procesamiento electrónico necesarios para obtener un rendimiento óptimo del altavoz. Los parámetros se
investigan en ambientes controlados, y un “sistema” de altavoces se crea de la combinación de una electrónica optimizada y de motores conocidos. El controlador de altavoces dedicado contiene la misma serie de dispositivos descritos anteriormente: ajuste de nivel, divisor de frecuencias, ecualización, alineamiento de fase y limitadores, todos preconfigurados y bajo un mismo recinto. Los parámetros individuales dependen del modelo y del fabricante. Esto no significa que los dispositivos ecualizadores, delays y de ajuste de nivel sean prescindibles. Seguiremos necesitando estas herramientas para integrar el sistema de altavoces con otros altavoces y para compensar su interacción con la sala. Sin embargo, tendremos menos necesidad de disponer de divisores frecuenciales y limitadores adicionales y menos problemas en términos de ecualización. La popularidad de estos sistemas dedicados ha disminuido debido a dos tendencias actuales. La primera es la tendencia a usar procesadores de señal digital (DSPs) de terceras partes. Estas unidades pueden proporcionar toda la funcionalidad de los controladores dedicados, con la excepción, normalmente, de limitadores de feedback 31
Sound Systems: Design and Optimization Perspectivas: Mezclar en un sistema bien diseñado/ ajustado es la diferencia entre mezclar “técnicamente” y “musicalmente.” Muchas veces, con un sistema mal ajustado, es una lucha constante intentar hacer que las cosas funcionen sónicamente, y muchas veces parece que es una batalla perdida. Cuantas más frecuencias quitamos, más problemas tenemos con la claridad y cohesión del sistema. Un ajuste correcto nos permitirá mezclar “musicalmente” y pensar entonces cómo encajan el bombo y el bajo, cómo un pad de piano y los patrones rítmicos de la guitarra cuajan, etc. Cuando elevamos una guitarra para un solo, pensamos, “¿Qué instrumentos puedo aumentar para acentuar el solo de guitarra? Eso es lo que yo llamo mezclar musicalmente, y requiere un sistema bien diseñado y bien ajustado. Buford Jones
negativo. Los fabricantes suministran unos ajustes programados por defecto en el DSP. Estas herramientas tienen la ventaja de un bajo coste relativo y de flexibilidad, pero las desventajas incluyen la falta de una respuesta estandarizada, puesto que los usuarios de un sistema en particular pueden elegir programar sus propios ajustes en vez de los recomendados por el fabricante. Existe también una gran posibilidad de error porque a menudo la programación y la copia de ajustes se ejecuta de manera poco precisa incluso por el mejor de nosotros. La segunda tendencia se mueve hacia los sistemas completamente integrados, incluyendo el amplificador en el recinto del altavoz.
Altavoces Activos La última versión de controlador dedicado es: un divisor frecuencial, limitador, línea de delay, control de nivel, ecualizador y amplificador de potencia en una sola unidad directamente acoplado al altavoz. Este tipo de sistema es el altavoz autoamplificado, también llamdo “activo”. Los altavoces activos operan con un conjunto de variables cerradas: motores conocidos, recinto, desplazamiento físico conocido, excursión máxima y disipación. Como resultado, están diseñados para una máxima optimización en la respuesta de amplitud y fase sobre todo el rango de frecuencias, y para estar totalmente protegidos en todo su rango dinámico. Los altavoces activos, como los amplificadores, tienen una variable de polaridad abierta, ya que están balanceados electrónicamente en la entrada y mueven aire en la salida. La mayoría de altavoces activos salieron al mercado tras la estandarización de polaridad en la industria, por lo que sería raro encontrar un sistema no estandarizado. Desde nuestra perspectiva de diseño y optimización, los altavoces activos nos aportan una flexibilidad ilimitada en términos de subdivisión del sistema; es decir. el número de altavoces activos iguala el número de canales y de opciones de subdivisión. Por el contrario, los altavoces amplificados externamente pueden compartir hasta cuatro motores en un canal común por razones económicas, y por lo tanto reducen la flexibilidad de subdivisión.
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No abogaremos aquí por la superioridad de altavoces pasivos o activos. Dejaremos esta parte a los fabricantes. Las diferencias principales irán apareciendo a medida que progresemos porque la elección afectará a nuestras estrategias de diseño y optimización. En este texto consideraremos el sistema de altavoces como un sistema completo, con divisor frecuencial, limitador y amplificador de potencia incluidos. En el caso del altavoz activo esto es una realidad física, mientras que en el caso de amplificadores externos, los componentes están separados. Las técnicas necesarias para verificar la configuración apropiada de estos dos tipos de sistemas se cubrirá en el Capítulo 9. Especificaciones clave para altavoces activos: • Entrada de nivel de línea balanceada • Capacidad de alcanzar la potencia máxima dentro de los límites de operación lineal • Rango dinámico de 110 dB.
Interconexión de Nivel de Línea Este es a menudo un tema de confusión debido en gran parte a las prácticas desarrolladas en el pasado cuando el mundo del audio estaba lleno de entradas y salidas transformadas conectadas a válvulas. En ese caso, la interconexión de nivel de línea era una transferencia de potencia eléctrica (como todavía es el caso con el amplificador y el altavoz). La estrategia de la transferencia de potencia de nivel de línea contaba con el emparejamiento de la impedancia entre la entrada y la salida, y se basaba en la transmisión telefónica estándar de 600 Ω. Este enfoque fue crítico para las necesidades reales de transferencia de potencia entre los primitivos transductores de carbón en ambos extremos de la línea del teléfono. Los dispositivos de nivel de línea de los sistemas de audio profesionales son activos y no operan bajo estas restricciones, y solo necesitan transferir cantidades de potencia insignificantes. La transferencia de señal es reducida demanera efectiva a voltaje; de ahí el término de fuente de voltaje, que describe el sistema de transmisión entre dispositivos de nivel de línea. Una fuente de voltaje es capaz de transferir señales sin pérdidas siempre que la impedancia conductora sea muy baja en comparación con la receptora. Así pues, el
Transmission sistema moderno busca un desajuste de impedancias, en contraste con las prácticas del pasado. Line loss (dB) 5 20 3 log10
Input 1 Cable 1 Output impedance Input impedance
La cantidad de pérdida en la línea depende de la impedancia combinada de la salida relativa a la impedancia combinada del cable y la entrada. Ahora aplicaremos esta fórmula al sistema típico visto en la Fig. 1.18 (dejando la impedancia del cable por el momento). Line loss (dB) 5 20 3 log10
10, 000 1 0 1 150 10, 000
La impedancia de entrada combinada de 10kV y la de salida de 150 Ω son divididas por la impedancia de entrada de 10kΩ (10,150 Ω/10,000 Ω) para crear una proporción de 203:200, una pérdida de 0.13dB. Cada entrada adicional alimentada por esta salida reduciría la impedancia de entrada vista por el dispositivo de salida. Cada adición en paralelo incrementa la pérdida en 0.13dB. Por lo que no necesitamos preocuparnos por la división de las señales de salida de nivel de línea hacia múltiples fuentes hasta que el número de entradas aumente considerablemente. El factor restante es la impedancia del cable. La impedancia del cable es un producto de los efectos combinados de la resistencia DC del cable, y la reactancia AC, los cuales vienen en forma de capacitancia e inductancia del cable. Las propiedades reactivas son dependientes de la frecuencia. La capacitancia del cable actúa como un filtro pasa-bajos, mientras que la inductancia actúa como un filtro pasaaltos. La resistencia DC actúa como un atenuador de rango completo. La combinación pasa-banda de la reactancia del cable puede ser una causa de preocupación si las líneas son muy largas. Puedes encontrar todo lo que siempre quisiste saber sobre este tema (y más) en Audio System: Design and Installation de Phil Giddings. Según este texto, siempre que nuestras tiradas sean menores de 305m (1000ft) no hay razón para preocuparse. Una consideración adicional con respecto a la pérdida en la interconexión de nivel de línea:
es la pérdida más fácil de compensar. Si no fuera así, jamás habríamos sido capaces de comunicarnos via telefónica. Compensar esta pérdida requiere un aumento en la ganancia de voltaje que está disponible en forma de controles de nivel activos. El efecto secundario principal sería un aumento en el ruido de fondo. Esto no quiere decir que esta pérdida sea recomendable—sino que en los sistemas de nivel de línea es mucho menos crítica que en las líneas de altavoz, donde una caída de 6dB significaría una pérdida del 75 por cien de la potencia. La diferencia es que los sistemas de nivel de línea transfieren una potencia insignificante. Lo que transfieren es voltaje, el cual es fácil de restaurar. La etapa de entrada es balanceada para rechazar el ruido procedente del cable. El término de línea balanceada se refiere a la configuración del cableado que usa dos conductores para señal y uno en común (que puede estar conectado o no a un chasis o a tierra). Los dos conductores siempre contienen copias idénticas de la señal de entrada, pero invertidas en polaridad una con respecto a la otra. Las dos señales son alimentadas a una etapa de entrada “diferencial” que amplifica únicamente las señales desemparejadas—que es exactamente el caso de nuestra señal de entrada. Cualquier ruido que haya entrado en el cable (las interferencias electromagnéticas y de radio-frecuencia son las más típicas) estará por igual en ambos conductores y será cancelado por la entrada diferencial. Este resultado se llama “rechazo de modo común” por su capacidad de suprimir señales inducidas. La sección de entrada puede tener un control de nivel, que determinará el nivel entrante en el módulo de procesamiento. Una vez se complete el procesamiento, procederemos a la etapa balanceada de salida push–pull. El nombre viene de su función para preparar una señal de salida diferencial balanceada: dos señales idénticas, una de las cuales está invertida en polaridad. Al igual que en la etapa de entrada, puede haber un control de nivel. Pueden existir medidores adicionales de entrada/salida para monitorear niveles. Uno puede asumir que si los controles de nivel de entrada y salida están ajustados a su valor nominal, la señal tendrá ganacia unidad a lo largo de la estructura de ganancia interna. Este no tiene por qué ser necesariamente el caso, y tendrá que determinarse durante el proceso de verificación resumido en el Capítulo 33
Sound Systems: Design and Optimization
Figura1.26 Arriba: interconexión de línea balanceada activa típica (posible bucle de tierra). Abajo: interconexión de línea balanceada activa mejorada (sin bucle de tierra porque la malla no está conectada a la entrada de tierra) (Giddings, 1990, pp. 219–220)
Figura 1.27 Arriba: interconexión de salida de transformador balanceada a entrada balanceada activa. Abajo: interconexión de línea balanceada activa a entrada de transformador balanceada (Giddings, 1990, pp. 221–223)
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Transmission
Figura 1.28 Arriba: interconexión de salida balanceada activa a entrada no balanceada activa. Los comunes deben unirse en la tierra. Abajo: interconexión de salida no balanceada a entrada balanceada activa (Giddings, 1990, pp. 226–229).
9. La ganancia de voltaje general puede ser cualquiera, y las ganancias internas pueden ser también inesperadas. El caso más significativo es el de la ganancia pseudo-unidad, la cual todavía es una práctica común en la fabricación de procesadores digitales de audio. En este caso la ganancia de voltaje del equipo es ganancia unidad, pero se crea con hasta 20dB de ganancia en la entrada y con la cantidad de pérdida rastreada en la salida. El resultado es que el dispositivo que alimente la entrada puede saturar la unidad 20dB a menos que se fuerce para operar por debajo de sus niveles estándar. ¿Por qué habrían de hacer esto los fabricantes? La razón es empujar a los usuarios a forzar los conversores analógico-a-digital (A/D) para que no se detecten las limitaciones de ruido de fondo del equipo. En la mayoría de los casos esto puede remediarse si se detecta por anticipado. Las soluciones pasan por los ajustes de software y del panel frontal, y en el peor de los casos, por el movimiento de los jumpers dentro del chasis.
Balanceado Activo En la industria se usan una gran variedad de diagramas de interconexión. Hablaremos de esto brevemente para discutir los más comúnes en nuestro camino de la señal. Por supuesto, el más común no es necesariamente el mejor. Este diagrama junta las entradas y salidas balanceadas con el común (malla) como sucede en una conexión directa a través de un cable XLR de 3-pin. El inconveniente es el bucle de tierra creado por la conexión de la malla. Un diagrama alternativo puede proporcionar una operación balanceada apantallada sin introducir un bucle de tierra. La malla se conecta solamente a la parte de la fuente, y así se elimina el bucle de tierra. Estos diagramas se muestran en la Fig. 1.26.
Transformador Balanceado Se puede sustituir un transformador balanceado por una entrada activa, lo que aporta ventajas en el aislamiento entre sistemas. Los efectos de degradación de los trans35
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Figura 1.29 La transmisión electrónica analógica de nivel de altavoz desde el amplificador al altavoz.
formadores están bien documentados, pero existen aplicaciones en las que las ventajas del aislamiento superan los efectos degradantes. Esta configuración se muestra en la Fig. 1.27.
No balanceado Hay ocasiones en las que el equipo no tiene entradas o salidas balanceadas. En estos casos deberemos preservar la actuación de líneas balanceadas lo máximo posible. Los diagramas de flujo se han desarrollado para aproximarse lo más posible a la actuación de las líneas balanceadas. Se muestran en la Fig. 1.28. Cuando una salida no balanceada alimenta una entrada balanceada, las entradas diferenciales son alimentadas por la señal y el común respectivamente. Esto permite que el modo de rechazo común elimine cualquier interferencia inyectada en la línea. El
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éxito de este diagrama dependerá del aislamiento entre las tierras de los dos equipos. Nota importante: las interconexiones no balanceadas son una de las causas más comúnes de inversiones de polaridad. Verifica que la conexión está hecha a través de la fuente no inversora y los terminales receptores. En los casos en los que una salida activa balanceada alimenta una entrada no balanceada, el sistema no tendrá un rendimiento mejor que en una configuración no balanceada-a-balanceada. La parte de inversión de polaridad de la salida push–pull no será usada y la conexión de tierra solo se hará en un extremo. La conexión de tierra deberá hacerse a través de una tierra común en vez de a través de la malla, donde se introduciría un bucle.
Transmission
Figura 1.30 Consideraciones sobre la impedancia, rendimiento y coste relacionadas con la carga del altavoz.
Figura 1.31 Diagrama de flujo para configuraciones de la polaridad del amplificador estándar y modo puente.
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