Acústica de salas neutras PDF

Acústica de salas neutras Roberto Bueno Klein RTVE e Instituto RTVE Introducción El objetivo de esta parte del temario es que el alumnado comprenda la necesidad de las salas acústicamente neutras Acústica de salas pequeñas ¿Qué es una s...

Acústica de salas neutras Roberto Bueno Klein RTVE e Instituto RTVE Introducción El objetivo de esta parte del temario es que el alumnado comprenda la necesidad de las salas acústicamente neutras Acústica de salas pequeñas ¿Qué es una sala neutra? ¿Cómo conseguir una sala neutra? Idea principal de este tema La sala es un elemento más dentro de la cadena de grabación/reproducción de audio. La sala influye en lo que se graba/reproduce en el interior de ella Convolución temporal de la sala h(t) es la respuesta al impulso de la sala Multiplicación espectral de la sala Y(w)=X(w)·H(w) H(w) es la respuesta en frecuencia de la sala Idea principal de este tema Física y acústica Movimientos armónico simples y ondas (solo vamos a ver esto) Termodinámica Mecánica de fluidos Movimientos armónicos simples Sistema masa-resorte sin perdidas y libre rm M.A.S Sistema masa-resorte sin perdidas y libre Análisis mecánico del movimiento Ecuación del movimiento: Ecuación diferencial: Solución: ) Frecuencia de resonancia Frecuencia de oscilación Movimientos armónicos simples Sistema masa-resorte con perdidas y libre rm M.A.S Sistema masa-resorte con perdidas y libre Análisis mecánico del movimiento Ecuación del movimiento: Ecuación diferencial: Solución: · ) Frecuencia de resonancia Frecuencia de oscilación · Movimientos armónicos simples Sistema masa-resorte con perdidas y forzado rm M.A.S Sistema masa-resorte con perdidas y forzado Análisis mecánico del movimiento Ecuación del movimiento: ó Ecuación diferencial: Frecuencia de resonancia Frecuencia de oscilación · M.A.S Sistema masa-resorte con perdidas y forzado Análisis mecánico del movimiento Solución mucho más compleja: Régimen transitorio+Régimen permanente · )+ · · · Que no cunda el pánico!!!! M.A.S Sistema masa-resorte con perdidas y forzado Resonancia: Frecuencia de excitación w es igual a la frecuencia de resonancia del sistema. Consecuencias: 1) Se anula la parte reactiva del movimiento 2) La impedancia mecánica (oposición al movimiento) es igual a rm La fuerza de excitación y la velocidad están en fase. Velocidades de máxima amplitud M.A.S Sistema masa-resorte con perdidas y forzado Resonancia: Puente de Tacoma Narrows Puente de Tacoma Narrows M.A.S Sistema masa-resorte con perdidas y forzado Resonancia: Gráfica del módulo y de la fase de la velocidad Derivando respecto a t M.A.S Sistema masa-resorte con perdidas y forzado Resonancia: Gráfica del módulo y de la fase de la velocidad M.A.S Sistema masa-resorte con perdidas y forzado Resonancia: Frecuencia de resonancia y factor de calidad Ondas Ecuación de onda unidimensional en espacio libre Solución de la ecuación A es la amplitud de la onda, w la frecuencia, k el número de onda y el desfase inicial. es la longitud de onda Ondas Una onda es un conjunto de movimientos armónicos simples desarrollados en el tiempo y en el espacio ) Ondas Ondas Ondas estacionarias Cuando en la propagación de una onda surge un cambio de impedancia en el medio, una parte de la energía de la onda que se propagaba se transmite al nuevo medio, y otra parte de la energía de la onda se refleja, regresando por el camino que había recorrido previamente. La nueva onda que se crea es la suma de ambas ondas (la progresiva y la regresiva) B depende de la energía que se refleja en el cambio de medio es el desfase que se produce en el cambio de medio Ondas estacionarias Las ondas estacionarias, son ondas que se les impone una condición frontera La onda ya no se propaga libremente, el cambio de medio produce una condición frontera, que se deberá tener en cuenta cuando se solucione la anterior ecuación de onda Las interferencias que se producen entre la onda progresiva y la onda regresiva, producen un patrón estático respecto al espacio Ondas estacionarias Ondas estacionarias Ondas estacionarias  Fin de la física y las mates * * Por ahora…. Salas de producción sonora Dos intervenciones en las salas: 1) Aislamiento 2) Tratamiento acústico El aislamiento y el tratamiento acústico son completamente antagonistas. Mientras que el aislamiento acústico trata de contener el máximo de energía en el interior o en el exterior de un recinto, el tratamiento acústico lo que trata es de dejar salir la máxima energía posible. El aislamiento acústico se basa en la reflexión entre dos medios y el tratamiento acústico en la transmisión entre dos medios Aislamiento acústico El aislamiento acústico son todos aquellos medios que se utilizan para que la energía acústica no se transmita entre dos lugares diferentes o dentro del mismo lugar. El aislamiento en salas puede ser de dos tipos 1) Aislamiento respecto al exterior del edificio 2) Aislamiento entre las diferentes salas que existen en una instalación Aislamiento acústico Los sistemas de aislamiento basados únicamente en una gran estructura con mucha masa o mucha rigidez, no son sistemas eficientes. Ley de los 6 dB: Cuando duplicamos el espesor de un sistema de aislamiento basado en una única estructura, tan solo conseguimos 6 dB más de aislamiento Los sistemas de aislamiento basados en desacoplamiento de estructuras, son mucho más eficientes, consiguiendo más aislamiento en un menor espesor Aislamiento acústico Los sistemas de aislamiento basados en estructuras desacopladas, tienen su razón de ser en los sistemas mecánicos formados por dos masas y un muelle entre ambas masas. Los recintos aislados mediante estructuras desacopladas se hacen fabricando una estructura dentro de la estructura general del edificio. Ambas estructuras no tienen ningún punto de contacto entre ellas, estando completamente desacopladas mediante material absorbente, material elastomérico, muelles o incluso aire. Aislamiento acústico Aislamiento acústico Aislamiento acústico Aislamiento acústico Aislamiento acústico Tratamiento acústico El tratamiento acústico tiene como objetivo solucionar aquellos problemas que se presentan en una determinada sala, y que impiden realizar una grabación o una reproducción/escucha de calidad. El tratamiento acústico elimina todos aquellos fenómenos, y todo el carácter no deseado, que aporta una sala al campo sonoro que en ella se produce. Principales problemas en salas pequeñas Los principales problemas acústicos que se producen en salas pequeñas y que se deben tratar son: 1) Modos propios 2) Primeras reflexiones Modos propios. Teoría ondulatoria Los modos propios se corresponden con la distribución de la presión o la velocidad en la sala de aquellas ondas que son solución a la ecuación de onda teniendo en cuenta las condiciones frontera de las superficies de la sala. Modos propios. Teoría ondulatoria Los modos propios se circunscriben dentro de la teoría ondulatoria en acústica. Cuando la longitud de onda es grande en relación al tamaño de la sala. Se estudia la propagación del sonido en el interior del recinto como ondas En salas pequeñas es valido para el rango entorno a 20 Hz-500 Hz. De carácter estacionario Ecuación de onda Modos propios sin amortiguamiento y libres Cuando tenemos superficies completamente rígidas y sin perdidas, podemos decir que su impedancia superficial es infinito y podemos establecer que la velocidad vibratoria de las ondas sobre dichas superficies es igual a 0. Ecuación de onda de Helmholtz (desaparece el carácter temporal de la onda) Condiciones frontera: Modos propios sin amortiguamiento y libres Frecuencia de los modos propios , , Modos propios sin amortiguamiento y libres Distribución de presión en la sala Distribución de velocidad en la sala Modos propios sin amortiguamiento y libres Modos propios sin amortiguamiento y libres Cuando tenemos superficies completamente rígidas y sin perdidas, podemos decir que su impedancia superficial ya no es infinito y podemos establecer que la velocidad vibratoria de las ondas sobre dichas superficies es distinta de 0. Ecuación de onda de Helmholtz (desaparece el carácter temporal de la onda) Condiciones frontera: Modos propios con amortiguamiento y libres La consecuencia de que las paredes ya no sean rígidas y de que además tengan unas perdidas, es que las frecuencias de los modos propios calculados, se reducen. Dado que la reducción de la frecuencia de los modos propios es muy pequeña, y dada la facilidad de las expresiones mostradas para el caso de paredes rígidas, se suele utilizar las expresiones para el caso de superficies rígidas, teniendo en cuenta que la frecuencia real de cada modo propio va a ser menor de las obtenidas con las anteriores expresiones , , Modos propios con amortiguamiento y forzados Cuando tenemos superficies que no son rígidas y con perdidas, no podemos decir que la velocidad vibratoria de las ondas sobre dichas superficies sea igual a 0 ya que la impedancia superficial ya no es infinito. Tenemos una fuente radiando un caudal de aire Q Ecuación de onda de Helmholtz para el caso unidimensional Condiciones frontera en el recinto: Modos propios con amortiguamiento y forzados La solución se obtiene con la función de Green 𝐍 𝟐 𝟎 𝐍 𝐍 𝐐 𝐐 𝟐 𝟐 𝟎 𝐍 𝐍 𝐍 𝐍 Esta ecuación define el comportamiento modal de cualquier sala Es mi ecuación favorita de acústica Primeras reflexiones y teoría geométrica Las primeras reflexiones son aquellas reflexiones que llegan directamente hasta el punto de escucha desde la fuente, tras un único rebote en alguna superficie. Primeras reflexiones y teoría geométrica Las primeras reflexiones se circunscriben dentro de la teoría geométrica. Cuando la longitud de onda es pequeña en comparación al tamaño de la sala. Se modela la propagación del sonido como rayos acústicos En salas pequeñas se suele utilizar desde 500 Hz en adelante. Ventana temporal de llegada al punto de escucha: los primeros 20-30 ms Se utiliza la geometría euclídea Primeras reflexiones y teoría geométrica Se modela como un sistema de tipo filtro peine Primeras reflexiones y teoría geométrica Psicoacústica de las primeras reflexiones. El genial Michael Barron Primeras reflexiones y teoría geométrica Puntos donde se producen las primeras reflexiones. Fuentes imágenes Primeras reflexiones y teoría geométrica Puntos donde se producen las primeras reflexiones. Fuentes imágenes Primeras reflexiones y teoría geométrica Puntos donde se producen las primeras reflexiones. Fuentes imágenes Primeras reflexiones y teoría geométrica Puntos donde se producen las primeras reflexiones. Fuentes imágenes Primeras reflexiones y teoría geométrica Puntos donde se producen las primeras reflexiones. Fuentes imágenes Tratamiento acústico Tradicionalmente existen tres tipos de sistemas para la absorción acústica: a) Sistemas absorbentes puros, basados en un material poroso (primeras reflexiones) b) Resonadores Helmholtz, basados en paneles perforados con un cavidad (modos) c) Resonadores de panel, basados en paneles sin perforaciones y una cavidad (modos) Tratamiento acústico Los sistemas absorbentes puros se implementan directamente con materiales porosos, colocados o bien sobre superficies, o bien a una distancia de dichas superficies. Tratamiento acústico Perdidas en los materiales porosos. Mediante dos procesos 1) Fricción de las partículas de aire con la superficie de los poros del material 2) Perdidas caloríficas debido al cambio de proceso termodinámico Tratamiento acústico Fricción de las capas de aire en contacto con la superficie de los poros El rozamiento ralentiza la velocidad de vibración de las partículas. Se pierde energía cinética Conocido como el efecto capa frontera o boundary layer Tratamiento acústico El material poroso, transforma el proceso termodinámico del movimiento oscilatorio de las partículas de aire, que dentro de él se encuentran. Los materiales porosos, facilitan el intercambio de calor con el medio, con lo cual el aumento y disminución de la temperatura durante el ciclo termodinámico, es disipado en el entorno gracias al material poroso. La transformación del proceso de adiabático a isotérmico (no se produce variación de temperatura en el proceso) produce unas perdidas de energía cinética del movimiento de las partículas en forma de un aumento de calor en las inmediaciones. Tratamiento acústico La energía cinética de las partículas, está relacionada directamente con la velocidad. Así que estos sistemas, son más eficaces en los máximos de velocidad que se producen para las ondas en el interior del recinto. Tratamiento acústico Si recordamos el perfil de onda de los modos propios en el interior del recinto, nos viene a la cabeza rápidamente que la condición frontera en las superficies de la sala, era que la velocidad es cero y la presión es máxima, estando ambas magnitudes desfasadas 90º. De este perfil de onda también recordamos que los máximos de velocidad se encontraban a una distancia de lambda cuartos y múltiplos impares de lambda cuartos. Así que lo más inteligente parece que es colocar el material poroso a esta distancia de la pared. Tratamiento acústico Por esta razón si queremos absorber una onda con una frecuencia f y una longitud de onda lambda, tendremos que o bien colocar un material poroso de espesor lambda cuartos, o si utilizamos un material poroso de un espesor muy fino, deberemos colocarlo a una distancia lambda cuartos de la pared. Tratamiento acústico Tratamiento acústico Los sistemas absorbentes puros se utilizan para el rango de frecuencias medias y altas (de unos 500 Hz en adelante) En los últimos años han proliferado diferentes soluciones en forma de kits, basados en espumas y materiales porosos. Estos kits son únicamente útiles para tratar frecuencias por encima de 300 Hz en el mejor de los casos. Tratamiento acústico Los resonadores Helmholtz se utilizan generalmente para el rango de frecuencias entre 150 Hz y 300 Hz. Su construcción consiste en un panel perforado de un espesor, con un único agujero, de tamaño considerable, o multiperforado con agujeros de un tamaño mucho más pequeño. Detrás de este panel existe una cavidad de aire que encierra un material poroso en su interior Los modelos clásicos con los que se suele estudiar estos resonadores se basan en el sistema mecánico masa-muelle, en donde la masa es el aire en el interior del panel perforado (conducto) y el muelle es el aire encerrado en la cavidad que actúa como un colchón. Tratamiento acústico Tratamiento acústico A la frecuencia de resonancia, las perdidas que se producen en el resonador son máximas. Pero no solo a estas frecuencias, para unas frecuencias cercanas a la frecuencia de resonancia también se producen perdidas en el resonador. Estas frecuencias cercanas vienen determinadas por el ancho de banda. Tratamiento acústico La forma de utilizar los Helmholtz es sencilla, para cualquier problema que detecte en una sala, en frecuencias medias o bajas, como por ejemplo modos propios, lo único que tengo que hacer es diseñar un Helmholtz cuya frecuencia de resonancia coincida con la frecuencia del modo propio e: lado del cuadrado a: radio del agujero l: longitud del conducto d:profundidad Tratamiento acústico Un resonador de panel, tiene unos principios de funcionamiento similares a los resonadores Helmholtz, por ser intrínsecamente un resonador. Sin embargo su construcción es diferente y esto va a hacer que su funcionamiento no sea del todo similar. Los resonadores de panel se hacen con un panel de madera, yeso o una membrana elastomérica tensada, sobre un bastidor de madera que encierra una cavidad de aire llena de material absorbente. Tratamiento acústico Tratamiento acústico El resonador de panel, también se modeliza mediante un sistema mecánico masa- muelle, en el que la masa mecánica se corresponde con la masa del panel y el muelle es la compliancia (inversa de la rigidez k) del aire encerrado en la cavidad. Dado que la frecuencia de resonancia de los resonadores mecánicos se obtiene como la raíz cuadrada del cociente de la rigidez k entre la masa m, la frecuencia de resonancia de los resonadores de panel se sitúa por debajo de la frecuencia de resonancia de los Helmholtz, debido a que la masa de un panel de yeso, madera o una membrana elastomérica o bituminosa, es de por si bastante mayor que la masa de aire que existe en el conducto del Helmholtz. Los resonadores de panel se suelen utilizar para frecuencias desde 20 Hz hasta unos 150 Hz, y son ideales para tratar modos propios Tratamiento acústico Al igual que el Helmholtz, el resonador de panel posee una frecuencia de resonancia y un ancho de banda. Cuando la reactancia se anula, la impedancia de entrada se vuelve más pequeña y la absorción de la energía acústica se hace mayor. Tratamiento acústico La forma de utilizar los resonadores de panel, es la misma que la que ya se comento con los resonadores Helmholtz. Se analiza la sala y se obtienen las frecuencias problemáticas para las que se producen los modos propios. Se calcula la frecuencia de resonancia del resonador de panel de tal forma que coincida con los modos propios que se deseen tratar. m: masa del panel en kg/m2 d: profundidad del resonador Tratamiento acústico Tanto el resonador Helmholtz, como el resonador de panel, funcionan sobre la componente de presión de la onda acústica. Por esta razón, los sistemas resonadores deben ir colocados en los lugares donde la presión sea máxima para de esta forma producir las mayores perdidas. Un lugar de la sala en el que la presión es máxima es sobre cualquier superficie de la misma (paredes, techos, suelos). Tratamiento acústico En las salas interesa que los resonadores posean un gran ancho de banda, al menos una octava, para absorber energía en una mayor región del espectro. Esto se puede hacer de dos formas, o bien aumentando el ancho de banda a costa de perder absorción a la frecuencia de resonancia, o utilizando varios resonadores con un Q más estrecho y sintonizados a frecuencias cercanas, de tal forma que el ancho de banda se solape una parte y cubriendo entre todos una mayor parte del espectro. Salas neutras La sala de control tiene como objetivo ser la sala en la cual se evalúe y se tomen decisiones sobre el material sonoro. Por este motivo la única acústica permisible en estas salas es una acústica completamente neutra, que no añada carácter alguno a lo que está sonando en ese momento a través de los monitores. Las salas de control son mucho más restrictivas con la acústica, buscando generalmente salas secas con tiempos de decaimiento muy cortos y equilibrados para todas las frecuencias, con unas primeras reflexiones muy atenuadas, de tal forma que se nos permite percibir completamente el material sonoro que se está reproduciendo por los monitores sin ninguna interferencia por parte de la sala. Salas neutras Solamente cuando la sala de control sea totalmente neutra y su acústica este completamente controlada, es cuando podremos estar seguros de que lo que está sonando en ese momento es única y exclusivamente lo que radian los monitores. Salas neutras Es necesario que los tiempos de decaimiento sean muy cortos, para que no se enmascaren los ruidos durante la grabación o la reverberación natural de la sala donde se está grabando. Cuanto más seca sea la sala de control más fallos que se produzcan a muy bajos niveles podremos detectar durante la grabación. Si la acústica de la sala de control enmascara sonidos que se graban en la sala de grabación, no tendremos capacidad de decisión sobre esos sonidos. Esta es la razón por la que los tiempos de decaimiento en las salas de control son más pequeños que en las salas de grabación. Salas neutras Una sala seca, además permite la completa localización en el plano estéreo de los diferentes objetos sonoros que en él coloquemos. Cuando las reflexiones de la sala son de una magnitud considerablemente menor a lo que se está radiando a través de los monitores, el cerebro desecha esas reflexiones y utiliza única y exclusivamente la información que proviene de ambos monitores.