T.5 ELECTROCÁUSTICA 89 157 PDF

Electroacústica Tabla de Contenido Tabla de Contenido Tabla de Contenido.......................................................................................................................................... 2 Física del sonido (propagación y percepción)........................................................................................... 5 Introducción.................................................................................................................................................... 5 Magnitudes acústicas básicas.................................................................................................................... 6 Variables físicas........................................................................................................................................... 6 Presión acústica.......................................................................................................................................... 7 Presión estática........................................................................................................................................... 7 Presión acústica eficaz.............................................................................................................................. 7 Nivel de presión sonora............................................................................................................................. 8 Densidad estática e incremental............................................................................................................ 8 Velocidad de propagación..................................................................................................................... 8 Velocidad instantánea de vibración..................................................................................................... 8 Velocidad de vibración eficaz................................................................................................................ 8 Impedancia específica y característica............................................................................................... 8 Intensidad acústica instantánea............................................................................................................. 9 Intensidad acústica media....................................................................................................................... 9 Nivel de intensidad..................................................................................................................................... 9 Nivel de potencia acústica...................................................................................................................... 9 Velocidad de vibración............................................................................................................................ 9 Clasificación de las ondas acústicas....................................................................................................... 10 Relación entre acústica y electricidad................................................................................................... 12 Tipos de ruido................................................................................................................................................ 12 Ruido blanco............................................................................................................................................. 12 Ruido azul................................................................................................................................................... 13 Ruido rosa................................................................................................................................................... 12 Naturaleza del sonido................................................................................................................................. 13 Introducción.............................................................................................................................................. 13 Cualidades del sonido............................................................................................................................ 13 El oído................................................................................................................................................................. 16 Umbrales........................................................................................................................................................ 17 Altura (tono) y frecuencia.......................................................................................................................... 17 Sonoridad y nivel de sonoridad................................................................................................................. 18 Acústica de salas............................................................................................................................................. 19 El sonido en recintos. Parámetros básicos.............................................................................................. 19 ECO............................................................................................................................................................. 19 Reverberación.......................................................................................................................................... 19 Resonancias............................................................................................................................................... 21 Acústica geométrica................................................................................................................................... 21 Acústica de grandes recintos.................................................................................................................... 22 Materiales absorbentes........................................................................................................................... 23 Recomendaciones para una absorción efectiva............................................................................. 25 Camino libre promedio (mean free path MFP).................................................................................. 25 Frecuencia de recinto grande.............................................................................................................. 25 Estructura fina del sonido en un ambiente......................................................................................... 26 Nivel sonoro en un recinto...................................................................................................................... 26 2 Tabla de Contenido Dispositivos para el control acústico........................................................................................................ 26 Panel vibrante........................................................................................................................................... 26 Difusores de sonido.................................................................................................................................. 26 El transductor (altavoces y micrófonos)...................................................................................................... 29 Tipos de altavoces....................................................................................................................................... 29 Clasificación según su principio de funcionamiento........................................................................ 29 Otros tipos de altavoz.............................................................................................................................. 33 Clasificación según su acoplo con el medio de radiación............................................................ 33 Clasificación según su banda de trabajo........................................................................................... 34 Configuraciones básicas de altavoces................................................................................................... 35 Aguante de potencia de altavoces.................................................................................................... 36 Tipos de especificaciones de potencia.............................................................................................. 37 Causas de averías de altavoces........................................................................................................... 38 Cómo elegir la potencia del amplificador......................................................................................... 38 Impedancia del altavoz.......................................................................................................................... 39 El transductor acústico-eléctrico (el micrófono)................................................................................... 39 El efecto inverso........................................................................................................................................ 40 Los patrones de directividad................................................................................................................. 41 La sensibilidad........................................................................................................................................... 41 La impedancia.......................................................................................................................................... 41 El valor de la frecuencia máxima......................................................................................................... 42 Algunos casos especiales....................................................................................................................... 42 Micrófonos, tipos y utilización práctica................................................................................................... 42 El diagrama polar......................................................................................................................................... 43 La sensibilidad............................................................................................................................................... 45 Ruido propio.................................................................................................................................................. 45 Relación señal/ruido (S/R).......................................................................................................................... 46 Respuesta de frecuencias.......................................................................................................................... 46 Clasificación de los micrófonos según su transductor.......................................................................... 47 Carbón........................................................................................................................................................ 47 Bobina móvil.............................................................................................................................................. 47 De cinta...................................................................................................................................................... 47 Condensador............................................................................................................................................ 47 Efectos de sonido............................................................................................................................................. 48 Acoples.......................................................................................................................................................... 48 Definición................................................................................................................................................... 48 Factores que intervienen........................................................................................................................ 48 Cómo evitar el acoplo............................................................................................................................ 48 Ecualización contra los acoples. Exterminadores de acoples........................................................ 49 Transporte de señal de audio: balanceado y no balanceado......................................................... 50 Formas de transporte de señal.............................................................................................................. 50 Mezclando sistemas balanceados y no balanceados........................................................................ 51 Procesadores de dinámica........................................................................................................................ 51 Introducción.............................................................................................................................................. 51 Tipos............................................................................................................................................................. 52 Puerta de ruido......................................................................................................................................... 59 Controles y medidores............................................................................................................................. 63 Grabación y reproducción del sonido. Audio digital........................................................................... 64 3 Tabla de Contenido Antecedentes históricos.......................................................................................................................... 64 Computador y sonido............................................................................................................................. 65 Formatos de sonido más populares...................................................................................................... 66 Audio digital (CD, DVD).......................................................................................................................... 69 4 Física del sonido (propagación y percepción) Física del sonido (propagación y percepción) La acústica es la parte de la ciencia que estudia los fenómenos de vibración sonoros, considerando su origen (todos aquellos producidos por medios analógicos, guitarra, piano, percusiones, palabra y ruidos), su propagación y sus efectos. Dentro de la acústica existen otras ciencias específicas: La psicología, que estudia las sensaciones provocadas por los fenómenos sonoros. La física, que trata de la vibración sonora en sí y su propagación. La fisiología, que estudia el proceso de interpretación de la onda sonora en nuestro sistema auditivo. La matemática, que estudia las cantidades y magnitudes. La fisioacústica, que trata del estudio físico del sonido. La acústica musical, que abarca la teoría y análisis del sonido y sus frecuencias. La electroacústica, que se ocupa del estudio, análisis y diseño de dispositivos que convierten la electricidad en acústica y las ondas sonoras en electricidad denominadas señales portadoras (en inglés carrier). Esquema acústico Instrumento musical El aire El oido Fuente Medio Receptor Esquema electroacústico Introducción Se entiende por onda sonora u onda acústica, al conjunto de vibraciones y variaciones de presión que son percibas por nuestro sistema auditivo. Estas ondas necesitan un medio elástico para su transmisión. Las ondas sonoras, no se propagan en el vacío al contrario que las ondas electromagnéticas. El sonido puede tener una frecuencia periódica o no. Si la frecuencia es periódica puede ser sinusoidal o compuesto. En cualquier caso, se puede descomponer en una combinación de tonos puros (mediante aplicación de la transformada de Fourier), dado que la alteración que provoca un tono no altera significativamente las propiedades del medio, se puede aplicar el principio de superposición. Por tanto y por simplicidad, estudiamos señales sinusoidales. El sonido consiste en una serie de ondas longitudinales, que se propagan en el aire. El aire se mueve hacia delante y hacia atrás sucesivamente pero no avanza, solo lo hace el sonido, la onda, la perturbación, la señal, la información. Si el aire avanzase se crearía el vacío junto al tambor. 5 Física del sonido (propagación y percepción) La electroacústica se dedica principalmente al estudio del sonido. El principio de Huygens dice que cada punto de un frente de onda se puede considerar como la fuente de una nueva onda, o dicho de otra manera, todo punto al ser alcanzado por una onda se convierte a su vez en centro secundario emisor de ondas, la combinación de las nuevas ondas configura el nuevo frente de onda. Magnitudes acústicas básicas Para entender lo que es una onda acústica, hemos de conocer previamente la definición de un medio elástico. Un medio elástico es aquel, que posee la capacidad de restaurar la posición de equilibrio de sus moléculas, cuando estas experimentan un pequeño desplazamiento respecto a dicha posición. Por lo tanto podemos decir que una onda acústica es la transmisión del movimiento de vibración de las partículas que forman un medio elástico. Frente de onda se define de onda como la superficie que contiene puntos que se encuentran en la misma fase de vibración. La dirección perpendicular a un frente de onda se denomina “rayo”. En la figura se intenta modelar un medio elástico mediante la disposición de diferentes puntos de masa unidos mediante muelles, los cuales son los que dan la elasticidad característica al medio. Según el estado en el que se encuentra el material la propagación de las ondas sonoras pueden ser de distintas maneras: En los materiales sólidos: Existen dos tipos de sólidos, los transversales donde el movimiento vibratorio es en dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda, y los longitudinales en los que el movimiento vibratorio se produce en la dirección de la propagación de la onda. En los fluidos: También existen dos tipos, uno son los líquidos cuyo ejemplo típico sería la piedra que cae al agua, la onda se transmite de forma transversal, y los gases, el más normal es el aire, donde la onda se transmite de forma longitudinal. Variables físicas Periodo T: Es el tiempo que tarda en repetirse una señal. Frecuencia F: Es el número de repeticiones de señal por segundo. Sonido: 20 Hz - 20 KHz (Rango audible por el oído humano). Ultrasonidos: f > 20 KHz. Infrasonidos: f < 20 Hz. Cuando hay rayos en una tormenta vemos el relámpago prácticamente al instante, pero el trueno lo oímos con retraso, esto permite calcular la distancia a la que cayó el rayo. Los murciélagos emiten y perciben ultrasonidos. Y los elefantes infrasonidos. Velocidad del sonido c: Es la velocidad a la que se propaga la onda sónica. En el aire, a 0º C y 50% de humedad relativa, c = 331'6 m/s, a temperatura de 20º C, c = 343 m/s. 6 Física del sonido (propagación y percepción) : es la distancia, en la dirección de propagación, entre dos puntos consecutivos en los que hay los mismos parámetros físicos. Coincide con la distancia recorrida por la onda en un periodo. El tiempo de duración de una oscilación completa se llama periodo (T). El número de vibraciones por segundo se llama frecuencia (F) la cual se mide en Hertzios. Entre la velocidad sonora, la longitud de onda, su periodo y su frecuencia se da la siguiente relación: Si aplicamos la expresión V= velocidad de propagación en el medio F= Frecuencia Las magnitudes básicas que determinan un campo acústico son: Presión acústica Llamamos presión acústica, a las variaciones de presión atmosférica que determinan una onda sonora generada por una fuente acústica. Ejemplo, no sonarán con el doble de potencia dos flautas en lugar de una, sino su raíz cuadrada 2 =16. Se mide también en Pascales (Pa). También se puede explicar como el incremento de la presión total por la propagación de una onda acústica respecto a la presión estática. Recordemos que la presión, como magnitud genérica, se puede entender como la fuerza ejercida por unidad de superficie. Se mide en Newton/m² y a esta unidad se le denomina Pascal (Pa). En meteorología se usan otros medidas múltiplos de esta que son el “bar” y la “atmósfera”. Ambas son del mismo orden de magnitud. La medida de una atmósfera surge al tomar como referencia de presión la fuerza por unidad de superficie que ejerce la atmósfera terrestre sobre la superficie de la tierra a nivel del mar y a 20º C. Presión estática Se mide en Pascales (Pa). Representa la presión existente en un medio cuando no hay onda acústica. 1atm=100.000 Pa (medidos a nivel del mar a 0º C). Presión acústica eficaz Se mide en Pascales eficaces (Pa RMS) (Root Means Square). Ya sólo depende del vector de posición (al tomar una magnitud “eficaz” desaparece el tiempo, igual que ocurría con tensión eficaz o intensidad eficaz en circuitos). Se define como el valor eficaz de la presión acústica instantánea. 7 Física del sonido (propagación y percepción) Nivel de presión sonora Se mide en dBSPL (Sound Presure Level) ó simplemente dB. Es una medida logarítmica de la presión eficaz. Como en todas las medidas logarítmicas, tendremos que fijar una referencia. En este caso la referencia será 20·µPa (10 pW/m²). Este valor tiene su razón de ser: es el umbral auditivo inferior para un tono de 1KHz en la mayoría de adultos de edad media. Un dato interesante sería ver cual es el umbral de dolor del oído humano. Podríamos decir que se encuentra alrededor de los 20 Pa (10 W/m²). Este ejemplo refleja una de las mayores ventajas de trabajar con unidades logarítmicas que es la compresión del rango. Así mientras en niveles de presión eficaz nos encontrábamos trabajando con valores que podían oscilar entre los 20 µPa y los 20 Pa (separados seis órdenes de magnitud), con los dBSPL estaremos manejando valores que variarán a lo sumo entre 0dB y 120dB. Densidad estática e incremental La oscilación de las moléculas hace que la masa del elemento varíe, concentrándose al comprimirse en determinados puntos. Esta magnitud se puede expresar matemáticamente en función de la densidad estática más una pequeña variación de esta. Es lo que se denomina densidad incremental. Velocidad de propagación Es la velocidad a la que se propaga la energía de vibración. Hay que distinguir la velocidad de propagación de la velocidad de vibración. La velocidad de propagación se relaciona con la longitud de onda y con la frecuencia. Velocidad instantánea de vibración Es la velocidad a la que vibran las partículas de un medio debido a una onda acústica, se mide en m/s. Velocidad de vibración eficaz Es, como siempre que hablamos de un valor eficaz, la raíz cuadra del valor cuadrático medio de la magnitud a la que hace referencia y se mide en m/s. Impedancia específica y característica Se mide en Rayls. En general la impedancia será el cociente entre la Presión y el módulo de velocidad de vibración. 8 Física del sonido (propagación y percepción) La impedancia característica se puede poner en función de la impedancia específica si tomamos el caso particular en el que se propaga la onda plana libre progresiva (O.P.L.P). Intensidad acústica instantánea Sus unidades son W/m². Representa la cantidad de energía por unidad de tiempo (potencia) y por unidad de superficie que atraviesa en la dirección de propagación. En el aire se usa Iref = 10 pW/m² que es aproximadamente el umbral de audibilidad, la intensidad de un tono de 1000 Haz que es apenas percibido por una persona con audición normal. En el caso de que estemos trabajando con ondas longitudinales podemos asegurar que la intensidad varía en la dirección de la velocidad de vibración y por lo tanto también en la dirección de propagación. Intensidad acústica media Podemos definir la Intensidad acústica media como la media aritmética de todas las intensidades instantáneas. Nivel de intensidad Se mide en dB y representa le intensidad media expresada en unidades logarítmicas. La intensidad acústica es un rango muy grande, y además la percepción subjetiva que tenemos del volumen de un sonido es logarítmica, por lo que se define el Nivel de Intensidad, NI = 10 × Log (I/Iref). Si en el aire se propaga una onda plana libre y progresiva el nivel de presión sonora coincide numéricamente con el nivel de intensidad y es constante en cualquier punto del espacio. Nivel de potencia acústica Se mide también en dB y representa la potencia acústica media expresada en unidades logarítmicas. Velocidad de vibración Es muy distinto de lo que más tarde denominaremos velocidad de propagación. Y es la velocidad con la que las moléculas de un medio elástico son desplazadas del punto de equilibrio. Existen otros tipos de ondas que no son de vibración, como pueden ser las de torsión de medios sólidos, por lo tanto, para este tipo de ondas, sería necesario el conocimiento de dicha velocidad angular de torsión para poder determinar íntegramente estos campos. 9 Física del sonido (propagación y percepción) Clasificación de las ondas acústicas Según el frente de onda se pueden clasificar en: Ondas planas. Ondas esféricas. Son aquellas cuyo frente de onda es plano y Son aquellas cuyos frentes de onda son esféricos y cuyos rayos son paralelos entre sí. concéntricos a un punto denominado “foco” (F). F Ondas cilíndricas. Son aquellas cuyos frentes de onda tienen forma cilíndrica y se centran en una recta llamada “foco lineal” (FL). FL Según la existencia de obstáculos: Sin obstáculos: se denominan ondas libres. Con obstáculos: En contraposición a las anteriores se denominan ondas no libres. El fenómeno de la reflexión y de la refracción consiste en que las ondas acústicas se reflejan totalmente en los obstáculos rígidos que no vibran, y se reflejan parcialmente al cambiar de medio, que vibra con mayor o menor “facilidad”. En este caso la onda se transmite parcialmente, pero desviada, refractada. La variación progresiva de la temperatura y por tanto de la densidad del aire con la altura provoca una refracción continua que hace curvarse la trayectoria del sonido. La reflexión y refracción se interpretan mejor pensando en el sonido como rayos, aunque no es rigurosamente cierto físicamente hablando, es aplicable cuando el haz de ondas es muy direccional. 10 Física del sonido (propagación y percepción) Según el modo de propagación: Ondas Longitudinales: Su velocidad de vibración tiene la misma dirección que la velocidad de propagación. Se conocen como ondas “L” en la terminología de fenómenos sísmicos. Se propagan en cualquier estado de la materia (sólido, líquido o gas) y con una velocidad de propagación bastante alta. Ondas Transversales: Son aquellas cuya velocidad de propagación y de vibración son perpendiculares entre sí. No se propagan en los gases, sólo lo hacen en sólidos y líquidos viscosos. También se conocen como ondas “de corte” u ondas en “S” en la terminología de fenómenos sísmicos. Suelen tener menos velocidad de propagación que las longitudinales. Son ondas transversales las que recorren una cuerda tensa cuando la pulsamos, o las que se propagan por una alfombra cuando la sacudimos. Los puntos de la cuerda pulsada tienen un movimiento de vaivén pero no se desplazan. La onda trasporta energía, no materia, y la perturbación que provoca en la cuerda es perpendicular a la dirección en que avanza el movimiento ondulatorio. Según dirección y sentido de propagación, si aplicamos esta distinción a ondas planas surgen dos tipos: Progresiva: Dirección de propagación recta en un sentido determinado. Regresiva: Es la onda que se propaga en la misma dirección y sentido contrario a la que hemos denominado progresiva. La superposición de una onda progresiva y otra regresiva con la misma frecuencia y dirección da lugar a la aparición de ondas estacionarias. Si hablamos de ondas esféricas podemos decir que hay: Ondas convergentes: Ondas divergentes: Se propagan hacia un punto concreto. Se propagan de un punto hacia fuera. Si se dan ambas ondas con el mismo foco y la misma frecuencia surgen, al igual que antes, ondas estacionarias. Campo acústico difuso: Es aquel que en cualquiera de sus puntos la propagación es igual en todas las direcciones. Campo acústico frontal: Aquel que tiene una sola dirección. Estudio de la Onda Plana Longitudinal Libre y Progresiva (O.P.L.P): 11 Física del sonido (propagación y percepción) Se puede entender que este tipo de ondas se comportan igual si fijamos un t = t0 y recorremos el eje x que si fijamos una posición x = x0 y observamos como se comporta en el tiempo. Con esto se entiende que ë es el espacio que re corre la onda en un tiempo t. Espacio que recorre una onda plana longitudinal plana libre y progresiva. Relación entre acústica y electricidad Acústica Electricidad Intensidad I Potencia P Impedancia Z Impedancia Z Presión P Tensión V Velocidad U Intensidad I Tipos de ruido Hasta ahora hemos empleado la palabra sonido para definir todas las manifestaciones sonoras independientemente de su naturaleza. A partir de este momento diferenciaremos entre sonido y ruido. Sonido es toda sensación agradable producida por movimientos vibratorios de altura definida y de proveniencia fácil de establecer. Ruido es la mezcla compleja de sonidos de frecuencias diferentes las cuales nos producen una sensación desagradable. Caracterizaremos todos los ruidos en función de la presión cuadrática ya que es la más fácil de medir. Por su uso común en distintos campos de la electroacústica se distinguen el ruido blanco, el ruido rosa y el ruido azul. Ruido blanco Es aquel que contiene todas las frecuencias del espectro audible con la misma intensidad. Ruido rosa Llamado también paso bajo. Contiene todas las frecuencias del espectro audible y cuya intensidad va decreciendo -3dB en cada octava. 12 Física del sonido (propagación y percepción) Ruido azulado Es de tipo ‘pasa altos’ y es menos utilizado. Naturaleza del sonido Introducción El término sonido tiene un doble sentido, por un lado se emplea en sentido subjetivo para designar la sensación que experimenta un observador cuando las terminaciones de su nervio auditivo reciben un estímulo. Pero también se emplea en sentido objetivo, para describir las ondas producidas por compresión del aire, que puede estimular el nervio auditivo de un observador. La acústica es la parte de la física y de la técnica que estudia el sonido en toda su plenitud, ocupándose así de su producción y propagación, de su registro y reproducción, de la naturaleza del proceso de audición, de los instrumentos y aparatos para la medida, y del proyecto de salas de audición que reúnan cualidades idóneas para una perfecta audición. Como rama de la física, la acústica culmino su desarrollo en el s. XIX, gracias sobre todo a los trabajos de Hermann Helmholtz y de lord Raylaigh, y sus bases teóricas han permanecido prácticamente inalteradas desde finales de ese siglo. Sin embargo, desde el punto de vista técnico, a lo largo del s. XX los progresos de la acústica han sido constantes, especialmente por lo que se refiere a sistemas para el registro y la reproducción del sonido. Para comprender las características del sonido, primero se hará una pequeña introducción de sus parámetros y sus conceptos más básicos. El sonido es una secuencia de vibraciones de las partículas que forman el aire, las cuales se propagan a través del mismo, gracias a estas partículas del aire que se mueven, las vibraciones llegan a nuestros oídos. La audición en los seres humanos, ocurre siempre que una vibración, tenga una frecuencia comprendida entre unos 15 y 20.000 hercios, y su intensidad sea la suficiente para llegar al oído interno. Cuando las vibraciones pasan estos márgenes, se habla de ultrasonidos y no son perceptibles al ser humano. Las características del sonido se pueden medir y para ello se usa las unidades de hertzios (Hz) que miden la frecuencia de un sonido o sea cuantas veces vibra en un segundo, y los decibelios (dB) que mide la intensidad (amplitud) de una onda. El sonido se produce por la vibración de los cuerpos, la cual se transmite en forma de ondas sonoras a través del aire que los rodea y llega hasta nuestros oídos, que pueden así percibir el sonido original. Cualidades del sonido Las cualidades que caracterizan el sonido son la intensidad, su altura o tono y su timbre: La intensidad de un sonido viene determinada por la amplitud del movimiento oscilatorio, subjetivamente, al intensidad de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más o menos fuerte. El tono o altura de un sonido depende únicamente de su frecuencia, es decir, del número de oscilaciones por segundo. La altura de un sonido corresponde a nuestra percepción del mismo como más grave o más agudo. Cuando mayor sea la frecuencia, más agudo será el sonido. El timbre es la cualidad del sonido que nos permite distinguir entre dos sonidos de la misma intensidad y altura. Podemos así distinguir si una nota ha sido tocada por una trompeta o 13 Física del sonido (propagación y percepción) un violín. Esto se debe a que todo sonido musical es un sonido complejo que puede ser considerado como una superposición de sonidos simples. De esos sonidos simples, el sonido fundamental de frecuencia v es el de mayor intensidad y va acompañado de otros sonidos de intensidad menor y de frecuencia 2f, 3f, 4f, etc. Los sonidos que acompañan al fundamental constituyen sus armónicos y de sus intensidades relativas depende del timbre. El rango de frecuencias musicales es muy amplio. El LA central tiene 440Hz. El piano tiene 7 escalas + 3 notas (87 notas). La frecuencia fundamental del LA más bajo es de 27'5 Hz, cerca del límite inferior de audición, el DO central 261 Hz, y el DO más agudo 4.186 Hz, sus armónicos llegan hasta límite de audición humano. Es decir, que en un movimiento ondulatorio las amplitudes de las vibraciones de los diferentes puntos del medio están en razón inversa a sus distancias al foco emisor. Hay muchas formas de generación de sonido: 1. Mediante instrumentos musicales. Los instrumentos musicales ilustran perfectamente la variedad de cuerpos cuya vibración puede dar origen a un sonido. Existen muchos tipos de instrumentos musicales, de cuerda; en los instrumentos de cuerda, lo que vibran son las cuerdas del instrumento; de viento Esencialmente, en los instrumentos de viento, lo que vibra es la columna de aire contenida en el instrumento; de percusión; en los instrumentos de percusión lo que vibra es un diafragma o bien un objeto metálico (unos platillos, por ejemplo). 2. A través de la voz humana. Al articular las cuerdas vocales se generan los sonidos, que al unirse forman las palabras. 3. Los animales. 4. El viento, las olas, los ríos. 5. Las máquinas, los motores, un zumbador, una hélice, etc. La Serie armónica Se puede hacer una división fundamental entre sonidos regulares e irregulares. A los sonidos irregulares los denominaremos ruido, y el uso y tratamiento expresivo de los sonidos regulares es lo que llamaremos música. Todos los sonidos de los instrumentos son sonidos complejos, es decir, sonidos formados por una frecuencia fundamental y una serie de sonidos armónicos. Aproximadamente, los sonidos de la serie armónica representan los elementos de la serie de Fourier que resulta al aplicar el análisis de Fourier a una forma de onda periódica. El timbre depende de la forma o de la complejidad de la onda sonora. Cada uno de los sonidos de la serie armónica es un componente del timbre o color del sonido representado por una nota cuya frecuencia es la del sonido fundamental. A los sonidos de la serie armónica, componentes del timbre, se les llama sonidos armónicos o simplemente armónicos, también se han denominado a veces sonidos parciales, alícuotas, acompañantes o concomitantes. Aquí se representa la serie de armónicos del sonido Do1 14 Física del sonido (propagación y percepción) Leyes de E. Schumann Se deben a E. Shumann las leyes que se enumeran a continuación, y que baso en sus experimentos. - 1ª Ámbito de formantes El timbre de los instrumentos viene determinado, independientemente de la altura del sonido fundamental, por un ámbito de frecuencias de alturas sonoras fijas, el llamado ámbito de formantes, el cual está configurado por sonidos parciales de diferentes intensidades. - 2ª Desplazamiento acústico Al aumentar la intensidad de un sonido, el máximo se desplaza a un nivel superior en el orden de los sonidos parciales. Por lo general, los componentes superiores se intensifican y los inferiores se debilitan. - 3ª Salto acústico En sonidos con dos ámbitos de formantes al pasar de una intensidad de piano a fortísimo el máximo pasa a su vez del ámbito inferior al superior. - 4ª Interválica Junto con la altura absoluta del ámbito de formantes y la intensidad de cada uno de los parciales, es decisivo para el timbre el intervalo que forman, independientemente de la altura de la fundamental, los sonidos parciales más intensos de uno y de otro ámbito. 15 El oído El oído El oído es el órgano receptor de la audición y también participa en el mantenimiento del equilibrio, se encuentra conectado con la vía aérea por la trompa de Eustaquio. El oído está compuesto por tres secciones, el oído externo, medio e interno. Oreja Hueso temporal Ventana oval Caracol o cóclea Nervio Tímpano auditivo Martillo Las células ciliadas se sitúan en el órgano de Corti Yunque Estribo que se asientan sobre la membrana basilar Conducto Trompa de Eustaquio auditivo externo El oído externo lo componen el pabellón auricular u oreja y el conducto auditivo externo. El oído medio es una cavidad ósea con una pared membranosa, el tímpano, sólo abierta hacia la vía aérea por la trompa de Eustaquio. Su función es recibir las vibraciones del aire (los sonidos) y transmitirlos al oído interno, donde se transformarán en estímulos nerviosos. En su interior se encuentra una cadena de huesecillos que permiten amplificar los sonidos. Son el martillo, el estribo y el yunque. El oído interno es donde los estímulos mecánicos se transforman en conducción nerviosa generando la percepción audible. Además, participa en el equilibrio La oreja recoge las ondas sonoras y las conduce por el conducto auditivo. Las ondas sonoras chocan contra el tímpano, que, como consecuencia, vibra. Las vibraciones se transmiten gracias a una cadena de los tres huesecillos. Las vibraciones pasan por la ventana oval y llegan al caracol, ya en el interior del oído interno. Allí las vibraciones se convierten en impulsos nerviosos, estos transcurren por el nervio acústico hasta el cerebro, donde son interpretados como sonidos. Las ondas sonoras, en realidad cambios en la presión del aire, son transmitidas a través del canal auditivo externo hacia el tímpano, en el cual se produce una vibración. Estas vibraciones se comunican al oído medio mediante la cadena de huesecillos y, a través de la ventana oval, hasta el líquido del oído interno. El movimiento de la endolinfa que se produce al vibrar la cóclea, estimula el movimiento de un grupo de proyecciones finas, similares a cabellos, denominadas células pilosas. El conjunto de células pilosas constituye el órgano de Corti. Las células pilosas o ciliadas se sitúan en el órgano de Corti que se asientan sobre la membrana basilar, siguiendo la estructura en espiral a lo largo de la misma. Alberga unas 15.000 células ciliadas en el humano (esto varía con las especies) que se interdigitan de forma muy organizada con células de soporte. Estos receptores son sensibles a sonidos dentro de una gama de frecuencias entre unas decenas de Hertz (Hz) hasta unos 20 kHz en el humano joven. Los sonidos 16 El oído naturales integrados por muchas frecuencias se descomponen en cada una de ellas, que a su vez excitan la porción que les corresponde de células ciliadas ubicadas en la membrana basilar. Las células pilosas transmiten señales directamente al nervio auditivo, el cual lleva la información al cerebro. El patrón de respuesta de las células pilosas a las vibraciones de la cóclea codifica la información sobre el sonido para que pueda ser interpretada por los centros auditivos del cerebro. El rango de audición, igual que el de visión, varía de unas personas a otras. El rango máximo de audición en el hombre incluye frecuencias de sonido desde 16 hasta 28.000 ciclos por segundo. El menor cambio de tono que puede ser captado por el oído varía en función del tono y del volumen. Los oídos humanos más sensibles son capaces de detectar cambios en la frecuencia de vibración (tono) que correspondan al 0,03% de la frecuencia original, en el rango comprendido entre 500 y 8.000 vibraciones por segundo. El oído es menos sensible a los cambios de frecuencia si se trata de sonidos de frecuencia o de intensidad bajas. La sensibilidad del oído a la intensidad del sonido (volumen) también varía con la frecuencia. La sensibilidad a los cambios de volumen es mayor entre los 1.000 y los 3.000 ciclos, de manera que se pueden detectar cambios de un decibelio. Esta sensibilidad es menor cuando se reducen los niveles de intensidad de sonido. Umbrales Umbral de audibilidad (Gráfica de curvas de igual sonoridad). Corrimiento temporal del umbral, CTU, por reflejo acústico. Se produce también algo en el otro oído. Corrimiento Permanente del umbral, CPU, por daño irreversible en las células pilosas del oído interno. Umbral de sensación. Umbral de dolor. Umbral diferencial, mínima diferencia de amplitud distinguible en un tono de amplitud variable. A 40 dB se distinguen de 1 a 2 dB en frecuencias medias-extremas. Limen diferencial, mínima diferencia de frecuencias distinguible en tonos consecutivos. En torno a 0'2 %. Curvas de igual sonoridad, indican el Nivel de Intensidad LI que debe tener un tono de cualquier frecuencia para que produzca la misma sensación subjetiva de Sonoridad. El Nivel de Sonoridad Ln se mide en fones y a cada nivel de sonoridad se le asigna como valor Ln el LI de un tono de 1 KHz. Es decir a 1KHz Ln = LI Amplitud de banda crítica. Enmascaramiento simultaneo. Enmascaramiento temporal. Efectos cocleares no lineales: pulsaciones, tonos de combinación y armónicos auditivos. Efectos de procesamiento no lineal: consonancia y la fundamental restituida. Altura (tono) y frecuencia El tono que percibimos, agudo o grave, no coincide exactamente con la frecuencia. Para una frecuencia baja constante al aumentar la intensidad baja el tono, se percibe más grave, parece que baja la frecuencia. 17 El oído Sonoridad y nivel de sonoridad El nivel de sonoridad que hemos usado para comparar diferentes frecuencias no sirve para comparar diferentes sonoridades entre sí (60 fones no suenan el doble de fuerte que 30 fones). Para ello se define la Sonoridad N (2 sones se perciben el doble de sonoros que 1 y la mitad que 4). N = 1 son equivale a Ln = 40 fones independientemente de la frecuencia. Aumentar 9 fones equivale aproximadamente a duplicar la sonoridad (digamos que se deshace el logaritmo). El oído/cerebro discrimina sonidos separados > 100 ms. Repeticiones más rápidas se perciben como reverberación. 18 Acústica de salas Acústica de salas El sonido en recintos. Parámetros básicos Todo sonido generado por una fuente sonora en el interior de un recinto cerrado sufre una serie de alteraciones por el simple hecho de estar encerrado, estas alteraciones son atribuibles a la estructura y materiales que forman dicha sala o recinto. El sonido “rebota”, se refleja, en las paredes, suelo y techo. Parte de la onda incidente se absorbe y parte se refleja. ECO El eco es un fenómeno acústico producido cuando una onda se refleja y regresa hacia su emisor. Puede referirse tanto a ondas sonoras como a electromagnéticas. Cuando la onda sonora se refleja perpendicularmente en una pared o una montaña. Para que se produzca eco, la superficie reflectante debe estar separada del foco sonoro una determinada distancia: 17 m (el recorrido total de la onda será al menos de 34 m) para sonidos musicales y 11,34 m para sonidos secos, lo que se debe a la persistencia acústica. Se denomina persistencia acústica al fenómeno por el cual el cerebro humano interpreta como un único sonido dos sonidos diferentes recibidos en un corto espacio de tiempo. Para que el oído perciba dos sonidos como diferentes, ambos sonidos deben tener una diferencia entre sí de al menos 70 ms para sonidos secos (palabra) y 100 ms para sonidos complejos. Si consideramos que la velocidad del sonido es de 340 m/s, para que se perciban dos sonidos como distintos la diferencia entre el recorrido directo y el recorrido reflejado del sonido debe ser de al menos aproximadamente 34 metros. En el caso de que fuente y emisor estén muy cerca, esto implica que según la distancia al plano reflector. Por encima de 17 m tenemos eco, porque el oído capta el sonido original y el sonido reflejado como dos sonidos distintos. Por debajo de una décima de segundo o de 17 m tenemos reverberación. Reverberación y eco pueden coexistir si hay varios obstáculos a diferentes distancias. Generalmente en una sala hay muchas reflexiones. Respuesta impulsional. Por ello: La I total es más grande que sólo la directa. La dirección es más homogénea/difusa. Cuando cesa el sonido tarda en decaer. Reverberación Un auditorio que se precie de ostentar este título implicara un acondicionamiento tal que asegure a su audiencia un campo sonoro uniforme, es decir, con ausencia de puntos sordos o demasiado reverberantes. El tiempo de reverberación o tiempo de atenuación es el tiempo que tarda la señal sonora desde su punto de inicio hasta su disminución en 60dB, o el espacio de tiempo necesario que ha de trascurrir para que la intensidad del sonido se reduzca en una millonésima parte de su valor. 19 Acústica de salas El comportamiento del sonido en un recinto, bajo las condiciones anteriores, fue estudiado por Sabine, quien determinó que la siguiente ecuación caracteriza el fenómeno: 0,161 V Rt = A Donde: RT = tiempo de reverberación. V = volumen del recinto en m3. A = Absorción total de la sala en m2 La absorción total (A) es igual a la suma de la absorción de cada una de sus superficies. A = S1+S2+S3+…Sn El coeficiente de absorción es la relación entre la energía que absorben los materiales y la energía de las ondas que inciden sobre ellos por unidad de superficie: Los coeficientes de absorción se encuentran entre 0 absorción nula y 1 absorción total. Una condición de reflexión uniforme es casi imposible de encontrar y Eyrin-Norris ante este problema formula la siguiente ecuación: S = Superficie interior del recinto. a = Coeficiente de absorción medio. Ln (1-a) = Logaritmo neperiano de la absorción media del recinto. Mellinton-Sette formulo una nueva expresión para el caso de recintos con distintos materiales de absorción. Resumiendo, para una buena acústica de sala lo fundamental será que su construcción y acondicionamiento sean casi perfectos en distribución acústica, para conseguir un campo sonoro difuso con un buen nivel de presión sonora. Este nivel de presión sonora, que es la suma de los campos directo y reverberante, viene expresado en la siguiente ecuación: Q 4 Spl= Nws+10 log + 2 Spl = Nivel de presión sonora. Nws = Nivel de potencia sonora. Q = Factor de direccionalidad de la fuente sonora. r = La distancia entre la fuente sonora y un punto de la sala. R= Es la constante de la sala y es igual a: 20 Acústica de salas No existe ninguna sala de audición perfecta, al igual que tampoco existe el tiempo de reverberación perfecto, pues todo depende del número de instrumentos u oradores que intervienen. Pero si existen unos valores medios aproximados tomando como base el rango de frecuencias entre los 500 y 1000 Hz y una sala de 6000 m3: Iglesia 2,0 seg. Estudio de grabación 0,8 seg. Auditorio 1,8 seg. Palacio de ópera 1,4 seg. Sala de cine 1,1 seg. Salas de concierto de reconocido prestigio mundial: Carnegie Hall (Nueva York) 24.000 m3 1,70 seg. Metropolitan Opera House (Nueva York) 19.600 m 3 1,80 seg. Grosser Musuik (Viena) 15.000 m3 2,50 seg. Musikhochschule (Berlín) 9.600 m 3 1,65 seg. Philarmonie (Berlín) 26.000 m3 2,00 seg. Royal Festival Hall (Londres) 22.000 m3 1,47 seg. Royal Opera House (Londres) 12.300 m3 1,20 seg. La Scala (Milán) 11.200 m 3 1,20 seg. Auditorio Manuel de Falla (Granada) 10.100 m 3 1,80 seg. Auditorio Nacional (Madrid) 22.000 m3 2,00 seg. Y dentro de un largo etc. ninguna que se precie supera los 3 seg. de reverberación. Resonancias Se puede interpretar como una onda que avanza más que otra que retrocede (en el espacio libre desechábamos la reflejada, pero en un recinto si existe), pero si ambas son de igual amplitud también se puede interpretar como una onda estacionaria. Si hay 2 paredes enfrentadas sin absorción la onda regresiva se refleja y se convierte en progresiva y viceversa. Si la pared es perfectamente rígida de longitud L y no hay excitación pueden permanecer indefinidamente las frecuencias que hagan que el aire no se mueva en las paredes. En la práctica hay pérdidas. Si hay una fuente de sonido la amplitud es mayor a la frecuencia de resonancia. Acústica geométrica Cuando se puede asumir que las dimensiones del recinto son muy grandes comparadas con la longitud de onda del sonido podemos tratar el problema en la misma forma como se analiza la luz, mediante geometría, esto se puede observar en las siguientes figuras: 21 Acústica de salas Onda incidente Estructura = sólida Onda reflejada Ley de reflexión Reflexión sobre una superficie cóncava Reflexión sobre una superficie convexa El análisis por trazado de rayos es una técnica de gran valor para detectar problemas en grandes locales como por ejemplo teatros o salas de conciertos. Se realiza utilizando la misma técnica que se utiliza con la Luz, esto es, suponiendo que las reflexiones que ocurren son especulares. Por lo anterior tenemos que un recinto puede ser analizado mediante Acústica geométrica para las longitudes de ondas pequeñas con respecto a las dimensiones del local, mientras que para longitudes de onda de órdenes de magnitud similares a las dimensiones del local deben analizarse los modos de resonancia que se producen. Acústica de grandes recintos En la medida que se tiene un recinto muy grande con respecto a las longitudes de onda del sonido se tendrían un número muy elevado de reflexiones en un tiempo corto, lo cual complicaría el análisis, por lo cual se utilizan técnicas estadísticas siendo el cálculo de la reverberación la más importante. Uno de los factores más importantes para caracterizar la respuesta sonora de un ambiente es el efecto de absorción de los materiales y muebles que contiene. 22 Acústica de salas Materiales absorbentes Para definir la absorción a se establece como 1 el máximo de esta cantidad y es igual a la absorción que tendría una ventana abierta de un metro cuadrado, mientras que se establece que su mínimo es igual al comportamiento de una pared perfectamente reflectora. Los valores intermedios corresponden a materiales que, de alguna manera, transforman la energía de las ondas sonoras en algún otro tipo, por ejemplo energía térmica, vibraciones, etc. Proceso de absorción Es de destacar que el comportamiento absorbente de un material no depende solo de su constitución sino, también de la forma como esté montado. d Considerando un montaje como el indicado en la figura anterior, se tiene que la absorción del conjunto se puede describir con la siguiente ecuación: Material Estructura p0 c Poroso Sólida rs = resistencia al flujo del material. oC = impedancia acústica del aire. rs d = Distancia a la pared. Lámina de material poroso colocada a cierta distancia de una pared 23 Acústica de salas 0.9 - 0.8 - 0.6 - 0.5 - Absorción 0.4 - 0.3 - 0.2 - 0.1 - 0 - 10.0 - 17.4 - 30.3 - 52.8 - 91.9 - 160.0 - 276.6 - 485.0 - 844.5 - 1470.3 - 2560.0 - 4457.2 - Frecuencia Hz Absorción de un material poroso colocado a 9 cm de una pared rígida con rs = 207 Rayls Frecuencia Hz. Material 125 250 500 1000 2000 4000 Piso de 0.02 0.02 0.02 0.04 0.05 0.05 Concreto Piso de Madera 0.15 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 Piso de 0.1 0.15 0.25 0.3 0.3 0.3 alfombra Pared de 0.05 0.04 0.02 0.04 0.05 0.05 ladrillos Cortinas 0.05 0.12 0.15 0.27 0.37 0.5 Personas 0.18 0.4 0.46 0.46 0.51 0.46 sentadas Vidrio 0.04 0.04 0.03 0.03 0.02 0.02 Tabla de coeficientes En la tabla tenemos los coeficientes de absorción de un grupo de materiales típicos para la construcción de salas. Materiales 500 Hz 1.000 Hz Corcho aglomerado 0,40 0,25 Fibra de vidrio 0,70 0,80 Espumas sintéticas 0,65 0,60 Parquet sobre piso 0,06 0,09 Entarimado de madera 0,08 0,09 Madera de 3mm. Con cámara 0,18 0,10 Papel de yeso perforado 0,60 0,90 Los materiales absorbentes por sus características se clasifican en: Disipativos o porosos. Membranas o elásticos. Resonadores de Helmholtz. 24 Acústica de salas Los materiales porosos disipan la energía acústica transformándola en calor. El máximo rendimiento es en las frecuencias agudas. Ejemplo, fibras de vidrio, lana mineral, espumas sintéticas, corcho etc. Las membranas resonadoras o elásticos transforman la energía acústica en mecánica. El máximo rendimiento se consigue en frecuencias bajas. Ejemplo, láminas de plástico o contrachapados, tablex, chapa de aluminio etc. Los resonadores de Helmholtz disipan el sonido al hacer este oscilar el aire contenido en las cavidades del material. La mayor absorción de los resonadores de Helmholtz se consigue en la frecuencia: c = Velocidad del sonido. S = Sección del cuello de la cavidad en m3. l = Longitud del cuello en m. V = Volumen de la cavidad en m3. Recomendaciones para una absorción efectiva Los materiales absorbentes se deben aplicar a las superficies que contribuyan a una reverberación excesiva, produzcan ecos audibles o enfoquen la energía sonora. Recordar que doblar la absorción reduce la reverberación a la mitad. No se deben usar materiales absorbentes en aquellas superficies que deben producir reflexiones útiles (menos de 50 ms de retardo), en especial en los auditorios y salones de clase. Camino libre promedio (mean free path MFP) Consiste en la distancia promedio recorrida entre reflexiones en un espacio: V MFP = 4 S Donde V = volumen S = superficie Por ejemplo, si se tiene un cubo de 10 metros de aristas, las ondas recorrerán un promedio de 16,6 metros entre reflexiones. Frecuencia de recinto grande Es la frecuencia a partir de la cual el recinto se comporta como un salón grande, es decir, la resonancia es muy grande. FL = 2000 RT60 V Donde: RT60 es el tiempo de reverberación V = volumen. Si se tiene un salón con 2 seg. de tiempo de reverberación y un volumen de 1.000 m3 la frecuencia a partir de la cual se puede considerar un recinto grande es 90 Hz. 25 Acústica de salas Estructura fina del sonido en un ambiente Dentro de un ambiente se tiene que, en un punto dado llega un conjunto complejo de ondas sonoras que pueden clasificarse de acuerdo con su orden de llegada y a su densidad temporal, por esto tenemos que se cumple la estructura indicada en la siguiente figura donde se tiene: Sonido Directo: Aquel que llega sin ningún tipo de obstáculo desde la fuente hasta el punto de medición. Reflexiones Tempranas: Son las debidas a las primeras reflexiones del techo y las paredes adyacentes a la fuente sonora. Son de gran importancia debido a que proporcionan información perceptual sobre las dimensiones de la sala. Deben ser fuertes y estar comprendidas dentro de la ventana tiempo-amplitud del efecto Haas. Tiempo de decaimiento de la señal: Es la porción de la señal posterior a las reflexiones tempranas y que, de ser muy densas en el dominio del tiempo se llaman Reverberación. Nivel sonoro en un recinto Así como se clasificó el campo sonoro de una sala, en el punto anterior, de acuerdo con el eje del tiempo, también se puede realizar una clasificación de acuerdo al espacio: Campo cercano: Es aquel que se tiene a distancias muy cercanas a la fuente sonora donde la longitud de onda es del mismo orden de magnitud de las dimensiones de la fuente. Por estas razones no se puede predecir con precisión el campo sonoro. Campo Lejano: La distancia a partir de la cual no influye el tamaño de la fuente. Campo Libre: Espacio donde el campo sonoro se comporta en forma similar al campo libre (-6 dB cada vez que se doble la distancia). Campo Reverberado: También llamado campo difuso, en este campo se cumplen las predicciones de Sabine sobre la reverberación Dispositivos para el control acústico Para poder controlar la acústica de una sala, no basta con tener en cuenta los coeficientes de absorción de las superficies ya que éstos, por lo general, sirven para resolver problemas frecuenciales de banda ancha y en ocasiones los problemas son, en el dominio del tiempo o de una banda de frecuencia estrecha. A continuación detallaremos las condiciones de diseño de algunos dispositivos. Panel vibrante Es una estructura absorbente, basada en un panel separado a una cierta distancia de una pared sólida. Difusores de sonido Uno de los problemas más importantes a resolver en las salas de música consiste en la creación de un campo sonoro muy difuso, esto es, que el sonido sea envolvente. Para esto es necesario evitar, en lo posible, las reflexiones especulares en algunos lugares. En los teatros antiguos la difusión se logra mediante balcones, estatuas, adornos, etc. pero esto resultaría muy costoso y poco estético para los patrones actuales. Por ello se han diseñado dispositivos de dispersión controlada los cuales se basan en paneles de ciertas geometrías. 26 Acústica de salas A partir de una extensa evaluación subjetiva de salas de conciertos Europeas, se encontró que la diferencia biaural de las señales que llegan a los oídos estaba altamente correlacionada con los datos de preferencia subjetiva. La similaridad Biaural (o Coherencia interaural) se define como el valor pico de la función de correlación de los primeros 80 ms de la respuesta impulsiva dentro de una diferencia de retardo interaural de 1 ms. La diferencia biaural es el negativo de la similaridad Biaural. Todo esto implica que el sonido que llega en el plano medio del oyente es perjudicial para la preferencia subjetiva ya que, al recibir por igual las ondas de presión sonora en ambos oídos, se produce un efecto “Monofónico” en lugar del agradable “Estéreo”. Estos resultados también se correlacionaron fuertemente con aspectos físicos de la sala: mientras más altas eran, mayor era la preferencia, ya que el oyente recibía una mayor cantidad de reflexiones laterales tempranas. En la actualidad no resulta conveniente la construcción de salas con techos altos y paredes laterales cercanas por múltiples razones. Estas salas tendrían un aforo limitado, lo cual no está acorde con la masificación de los espectáculos y con el rendimiento económico de los mismos. La masa de aire suspendida sobre los espectadores tenía como función, en las salas antiguas, de servir como ecualizador de temperatura en tiempos donde no se tenía aire acondicionado. En la actualidad produciría un esfuerzo costoso e innecesario en los sistemas de aire acondicionado al tener que enfriar un volumen de aire mayor del requerido. Las pautas estéticas actuales no están acordes con estos tipos de teatros. Las salas actuales suelen construirse para una gran variedad de espectáculos, no solo para música clásica sino que, por razones económicas, deben servir para teatros, ballet, reuniones políticas, congresos, conferencia, óperas, musicales modernos, rock, jazz, elecciones de reinas de belleza, etc., y para todo esto hace falta un espacio muy amplio, tanto acústico como visual, que no tienen las salas antiguas. Para aumentar la diferencia biaural en las salas modernas podría pensarse en la absorción de las señales que inciden en el techo pero esto, en salas de 1000 o más asientos constituirían un enorme despilfarro de energía acústica. La solución correcta es la de redireccionar la energía sonora de manera que llegue directa o indirectamente en forma lateral al oyente. A partir de estos requerimientos el Profesor M. R. Schroeder desarrolló una estructura cuya superficie produce una excelente difusión del sonido en un gran intervalo de frecuencias. El objetivo básico planteado es el de obtener una superficie capaz de reflejar una onda incidente en todas direcciones, para lo cual supongamos que tenemos una estructura como la indicada en la figura Como se puede observar consiste en una serie de rendijas. 27 Acústica de salas Cada rendija se comporta como una fuente sonora pero con un retardo igual al doble de su profundidad, luego el problema se limita a encontrar cual debe ser la secuencia de profundidades para que el patrón de difracción de la estructura sea lo más uniforme posible. Estructura básica de un difusor de sonido tipo Schroeder “VN DRC 7” Ejemplos de difusores de Residuos Cuadráticos. 28 El transductor (altavoces y micrófonos) El transductor (altavoces y micrófonos) En una cadena de reproducción y grabación sonora se trabaja con señales eléctricas que representan sonidos. Estos sonidos, son variaciones de presión que tienen que ser convertidas en señales eléctricas antes de entrar en la cadena de sonido, y posteriormente al ser reproducidos. El primer dispositivo al que hacemos referencia es el micrófono, mientras que la conversión de la señal eléctrica a sonido se realiza con la ayuda del altavoz. Un dispositivo que realiza esta transformación, de magnitud física a una magnitud eléctrica, es lo que se denomina un transductor. Los transductores más típicos dentro del mundo de la audiofrecuencia son los micrófonos, que convierten ondas de presión sonora en señales eléctricas; los altavoces, que convierten señales eléctricas en ondas de presión sonora; y la cápsula de los antiguos tocadiscos, que convierte desplazamientos en señales eléctricas. De todos los tipos de transductores que pueden intervenir en la cadena de sonido empezaremos hablando de uno que es partícipe en todos los entornos relacionados con la audiofrecuencia: los altavoces. El altavoz transforma una señal eléctrica en señal acústica. Por ejemplo el altavoz electrodinámico: una corriente eléctrica en un campo magnético provoca una fuerza sobre el conductor lo que, a su vez provoca movimiento, que a su vez genera vibración, y como resultado obtenemos sonido. El transductor electroacústico (el altavoz) Un altavoz es un dispositivo que se conecta a un amplificador de audio y produce las ondas sonoras asociadas a la señal eléctrica inyectada al dispositivo. No obstante, debemos tener claro que existe una amplia variedad de construcciones distintas que pueden responder al concepto de transductor electroacústico y que pueden ser clasificadas por los principios físicos empleados en la generación de las ondas sonoras. Existe una amplia variedad de altavoces que pueden ser clasificados según el principio físico por el que se produce la generación del movimiento. Los principales sistemas de transducción son tres: altavoces dinámicos, electrostáticos y de cinta. AI margen de estos tres tipos que acaparan más del 95% de los sistemas comerciales, existen otros sistemas que se mantienen dentro de la propia curiosidad, aunque en algunos casos puedan hacer gala de elevadísimos niveles de calidad. Estamos hablando de altavoces de plasma, torsionales, etc. Tipos de altavoces Clasificación según su principio de funcionamiento El altavoz dinámico El sistema más tradicional y económico es el altavoz dinámico, que se basa en la interacción de campos magnéticos (proporcionados por un imán permanente) y las corrientes (proporcionadas por una bobina que se conecta a la señal que se desea generar). La fuerza generada al incidir el campo magnético, perpendicularmente al paso de la corriente por la bobina, es transmitida a un diafragma que será el elemento encargado de generar las ondas sonoras. 29 El transductor (altavoces y micrófonos) Cuando la tensión de la señal eléctrica aplicada a la bobina es positiva, el diafragma del altavoz se desplaza hacia el exterior, mientras que si la tensión es negativa, el sentido es el opuesto: hacia el interior del altavoz. Como es 1ógico, todos estos sistemas disponen de una serie de limitaciones como es la potencia máxima admisible y la presión máxima que pueden generar. Es importante no confundir estos términos, puesto que nada tiene que ver. El principio de funcionamiento de los altavoces dinámicos es sencillo: una corriente eléctrica atravesada perpendicularmente por un campo magnético es sometida a una fuerza proporcional a las magnitudes de ambos factores y con un sentido perpendicular a los anteriores. El altavoz electrodinámico se compone de: Una bobina móvil por donde se hace circular la corriente con la señal portadora a reproducir. Un imán para crear un campo magnético en la zona donde está la bobina móvil. El campo magnético debe ser intenso, cada vez se desarrollan materiales magnéticos más potentes (neodimio por ejemplo), a veces también se usa un electroimán. Un diafragma y/o domo unido a la bobina para mover una cantidad considerable de aire. Suspensión / sujeción interna y externa del diafragma para evitar movimientos laterales y dar la elasticidad deseada. Carcasa rígida que se fijará para que se muevan solo la bobina y el diafragma. Pieza polar Cono Campana o o Diafragma Chasis Bornes de conexión Suspensión Iman Araña Tapa anti polvo o Bobina móvil guardapolvo o Bobina de voz Altavoz dinámico 30 El transductor (altavoces y micrófonos) La limitación de potencia máxima que puede disipar un altavoz se debe a dos causas distintas. La primera es la generación de calor en la bobina del altavoz que, no olvidemos, está recibiendo un paso de corriente. Cuanto mayor es el desplazamiento del altavoz, mayor será la corriente que atraviesa la bobina. Existe una ley física, conocida como la Ley de Joule, que relaciona el paso de corriente por un conductor con una generación de calor, de modo que a un paso mayor de corriente por un conductor, mayor generación de calor se produce. Si el valor de la corriente aumenta desproporcionadamente, se puede generar tal cantidad de calor que se puede fundir el esmalte que aísla las espiras de la bobina y destruirse. El altavoz se habrá quemado porque hemos superado la potencia máxima admisible. Pero hay otra causa que limita el nivel de corriente admisible por un altavoz, y es función del desplazamiento máximo que puede realizar el diafragma del altavoz. Recordemos que el diafragma se encuentra suspendido en un punto de equilibrio con la ayuda de una suspensión. Cuando se le aplica una señal eléctrica a la bobina, que se encuentra pegada solidariamente al diafragma, el conjunto se desplaza de la posición de equilibrio. Lógicamente el recorrido dispone de un punto máximo ya que la suspensión se alarga junto con el diafragma en su viaje hacia el exterior del sistema. Si este punto se supera, se romperá la suspensión y con ella el altavoz. De los dos factores que limitan la potencia máxima admisible por un altavoz hay que seleccionar el valor más restrictivo. Por ejemplo, si un altavoz admite una potencia máxima en la bobina de 100 vatios, esto es, que es capaz de disipar hasta 100 vatios en forma de calor, y el diafragma llega al recorrido total del desplazamiento posible con 50 vatios, la potencia máxima del altavoz será de 50 vatios. Si por el contrario el recorrido total del desplazamiento se produce cuando se aplica una señal eléctrica de 200 vatios, la limitación global la impondrá la capacidad de disipar energía de la bobina, que como ya hemos mencionado anteriormente es de 100 vatios. La potencia máxima admisible y el nivel de presión sonora La relación entre la potencia máxima admisible de un altavoz y el nivel de presión sonora que puede generar es inexistente. Un altavoz puede disponer de un valor muy elevado de potencia máxima admisible y generar un nivel de presión sonora muy reducido, o por el contrario ser ensordecedor. No depende de la potencia máxima admisible. El sonido generado por un altavoz proviene del desplazamiento del diafragma. Éste, que produce una onda de presión. Cuanto mayor sea el valor de la presión instantánea producida por el cono, mayor será la sensación de volumen que podremos percibir. La presión sonora generada depende de la aceleración que pueda imprimir el altavoz al diafragma y del desplazamiento máximo que pueda tener asociado dicho diafragma. La aceleración del diafragma la impone el imán del altavoz. Por lo tanto, cuanto mayor sea el campo magnético que atraviese la bobina, mayor será la fuerza ejercida para la misma cantidad de corriente por la bobina. A un altavoz con un gran imán hay que suministrarle menos corriente para producir el mismo volumen sonoro. Como consejos generales, buscar altavoces como un generoso imán y, dependiendo de la aplicación que se les vaya a dar, con una suspensión más o menos blanda. El altavoz ideal Como resumen de todo lo anterior se puede destacar lo siguiente: el altavoz ideal debería admitir una potencia cercana a los cero vatios, pero capaz de generar un nivel de presión sonora de más de 130 dB, lo cual seria de la definición de un sistema altamente eficiente que no requiere de amplificadores y que en la actualidad no existe. 31 El transductor (altavoces y micrófonos) El altavoz electrostático El altavoz electrostático es más costoso de producir que un altavoz del tipo dinámico, por lo que este tipo de sistemas se destinan principalmente a entornos de elevado coste. El principio físico por el que funcionan es mucho más sencillo de entender que el de los sistemas dinámicos: las cargas de igual signo se repelen y las de distinto signo se atraen. Básicamente consiste en dos placas metálicas perforadas, colocadas paralelamente, y que contienen una tercera plancha, ésta mucho más delgada que las anteriores, a modo de diafragma. En algunas ocasiones este diafragma se construye de forma que pese menos que la columna de aire que va a desplazar. Un altavoz electrostático se compone de dos placas metálicas y de un diafragma que produce las ondas sonoras. Este tipo de sistemas suele tener precios abultados debido en parte a las complejas técnicas de fabricación involucradas. Placas rígidas perforadas Diafragma Tensión de polarización Transformador elevador Señal de entrada Las dos placas principales se polarizan con una tensión muy elevada de forma que la fuerza generada sea también muy elevada. En el diafragma se conecta la señal eléctrica de audiofrecuencia que se desea convertir a señales sonoras y se amplifica en tensión hasta alcanzar hasta los 500 voltios. De esta forma, si la tensión es positiva el diafragma se desplaza hacia la placa polarizada con una tensión negativa, mientras que si la tensión es negativa, el diafragma se desplaza hacia la placa polarizada con una tensión positiva. El altavoz de cinta El altavoz de cinta se basa en un principio similar al del sistema dinámico, pero con importantes diferencias a la hora de implementado físicamente. La principal diferencia es que el propio conductor y portador de la señal de audiofrecuencia es el diafragma que va a producir las ondas sonoras. Por lo tanto se intenta aumentar la superficie eficaz del sistema construyendo conductores en forma de cinta, esto es, anchos y muy delgados. 32 El transductor (altavoces y micrófonos) Un altavoz de cinta se basa en el mismo principio de funcionamiento que los sistemas dinámicos, pero es el propio conductor el responsable de la creación sonora. La ventaja de este tipo de sistemas es que la masa en movimiento es muy inferior al de los sistemas dinámicos, aunque cuentan con una serie de problemas añadidos que limitan el uso de esta tecnología en sistemas de elevado coste, también al ser tan estrecha permite que el campo magnético sea más potente. Se ponen varias cintas en paralelo ajustadas a distintas frecuencias. Otros tipos de altavoz Piezoeléctricos, se usan para agudos, por su rigidez y poca inercia, incluso para ultrasonidos. Los elementos más empleados son la Sal de Rochelle, cerámicas (Titanato de bario), polímeros (Fluoruro de polyvinylidin, PVF). De panel, el decaimiento con la distancia es menos lento que 1/r2. El rendimiento es igual que el altavoz dinámico. Clasificación según su acoplo con el medio de radiación Sistemas de radiación directa Los sistemas de radiación directa son: caja cerrada, Bass Reflex y Activo-Pasivo. Sistemas de radiación indirecta: bocinas, anillos de radiación, motores de compresión, etc. 33 El transductor (altavoces y micrófonos) Altavoz de Bocina Altavoz de Bocina Replegada Garganta Bocina Motor Circuito Magnético Bocinas Clasificación según su banda de trabajo De baja frecuencia: subwoofers, woofers. Altavoz 18” Frecuencia respuesta 40 Hz-2000 Hz Sensibilidad 95 dB Sub Graves Peso 11,5 Kg De frecuencias medias: midrange. Altavoz 6” Frecuencia respuesta 85 Hz-6000 Hz Sensibilidad 93 dB Peso 1,400 Kg 34 El transductor (altavoces y micrófonos) De alta frecuencia: tweeters, ultrahigh Motor 1,5” Titanio Frecuencia respuesta 1.500 Hz-20.000 Hz Sensibilidad 97 dB Peso 0,800 Kg Configuraciones básicas de altavoces Altavoz en pantalla infinita. Altavoz en caja cerrada. Sistemas de refuerzo de graves: bass-reflex, altavoz pasivo, paso-banda. Sistemas de varías vías: filtros de cruce de alto y bajo nivel. Paso altos II + - + - Paso altos I + - Filtro + - Paso bajos Un filtro paso banda es un tipo de filtro electrónico que deja pasar un determinado rango de frecuencias de una señal y atenúa el paso del resto. Un filtro pasa bandas permite el paso de una banda de frecuencias. Es decir este tipo de filtros son selectores de frecuencia y rechaza aquellas frecuencias superiores a FH e inferiores a FL. Este tipo de filtros, tienen un voltaje máximo de salida o una ganancia máxima a una frecuencia denominada frecuencia central FC. La banda de frecuencias entre FH y FL es el ancho de banda AB que esta dado por: AB = FB – FL 35 El transductor (altavoces y micrófonos) Aguante de potencia de altavoces De entre las muchas confusiones que abundan en el mundo del audio profesional está la del aguante de potencia (en inglés, Power Handling) de un altavoz. Por una parte, los fabricantes utilizan una variedad de términos tales como potencia de pico, RMS, media, continua o de programa. Por otra, existen diferentes formas de medir el aguante de potencia de un altavoz o caja acústica que producen diferentes resultados. La potencia es la energía por unidad de tiempo. Se mide en vatios. La potencia que entrega un amplificador a un altavoz se mide a través la división del cuadrado del voltaje (V) por la impedancia (Z): V² Potencia Z Según que tipo de voltaje utilicemos, lograremos un tipo de potencia. Si el voltaje es de pico, la potencia será también de pico. Si el voltaje es RMS, obtendremos potencia media (RMS). El RMS (del inglés, root-mean-square), (la raíz cuadrada de la media aritmética de los cuadrados de los valores). Es sólo una herramienta matemática que extrae el valor medio de una señal alterna, es decir, con valores positivos y negativos. Para determinar el aguante de potencia de un altavoz, se lo ha de someter a una prueba de potencia. Ésta consiste en alimentar el altavoz con señal de prueba, que normalmente consiste algún tipo de señal de ruido con un rango dinámico controlado, durante un tiempo determinado, habitualmente entre 2 y 100 horas. La señal de prueba suele ser alguna forma de ruido rosa. El ruido rosa es una señal aleatoria que posee la misma energía en toda la banda de frecuencia. Por otro lado el ruido rosa no es constante, sino que posee una cierta dinámica. El ruido rosa nos permite de esta forma realizar estudios donde se pone a prueba no sólo el aguante térmico del altavoz, sino también el aguante mecánico. El rango dinámico de una señal se expresa con el factor de cresta, que es la relación entre la potencia de los picos y la potencia de la media de la señal. Una señal de ruido rosa con un factor de cresta de 6 dB, quiere decir que la potencia del pico es 6 dB mayor que la potencia media de la señal. Ello equivale a una relación de 2 a 1 entre el voltaje de pico y el RMS, que corresponde a una relación de 4 a 1 entre la potencia de pico y la potencia media (RMS), puesto que la potencia se calcula en base al voltaje al cuadrado. Esta dinámica es la especificada habitualmente por las normas internacionales. Existen varias normas que especifican procedimientos a la hora de realizar las pruebas. Las más relevantes son: La norma AES2-1984 Ésta es una norma para componentes de altavoz realizada por el Audio Engineering Society. Es de uso muy habitual y, aunque es solo para componentes, se aplica también, a veces, a cada una de las vías de un sistema activo. Especifica una señal de ruido rosa con factor de cresta de 6 dB, con un ancho de banda de una década. Por ejemplo, un altavoz de bajos podría usar una banda de 60-600 Hz, mientras que una unidad de agudos podría usar una de 1500-15000 Hz. La duración de la prueba es de dos horas, tras la cual el componente no deber mostrar daño apreciable. 36 El transductor (altavoces y micrófonos) Filtro AES para simulación de señal musical La norma IEC268-1 (1985) Esta es una norma realizada por la Comisión Electrotécnica Internacional. Especifica una señal de ruido rosa con espectro IEC de programa y factor de cresta de 6 dB. El espectro de programa IEC intenta ser un espectro que se aproxime al contenido de una señal musical real, y tiene por ello menos agudos y menos graves. La duración de la prueba es de cien horas, tras la cual el altavoz no deber mostrar daño apreciable. Filtro IEC para simulación de señal musical La norma EIA RS-426-A (1980) Esta es una norma del la Asociación de Industrias Electrónicas de los EEUU. La duración de la prueba es de ocho horas, tras la cual el altavoz no deber mostrar daño apreciable. La señal también es ruido rosa con factor de cresta de 6 dB. Tipos de especificaciones de potencia Potencia media: Este tipo de potencia suele denominarse erróneamente RMS, al utilizar el cálculo el voltaje RMS. La razón de este error es que el RMS sólo tiene sentido aplicarlo en parámetros que tienen signo negativo y positivo. La potencia sólo tiene signo positivo (va del amplificador al altavoz, no al contrario), y por ello no se le aplica el RMS, sino que simplemente es media. La potencia media es, por tanto, aquella que utiliza el voltaje RMS para su cálculo. Potencia de programa: La potencia de programa es un término arcaico que proviene de antiguas pruebas de potencia con senoidal. Hoy en día, no tiene un significado concreto. Para muchos fabricantes, es, simplemente, el doble de la potencia media, aunque otros fabricantes usan relaciones diferentes a 2:1. Puede usarse como guía para la elección de amplificador. Por ejemplo, un altavoz de 300W de potencia media y 600W (2x300W) de potencia de programa podría utilizar un amplificador de 600W de salida. Esto es para aplicaciones de gran control, para aplicaciones más habituales con cierto abuso del sistema este amplificador sería quizás demasiado grande. Potencia de pico: Corresponde al cálculo de la potencia en base a los voltajes de pico. Para una señal de 6 dB de factor de cresta, la potencia de pico es cuatro veces más que la potencia media. Así pues, para señales de potencia con factor de cresta de 6 dB, las potencias quedarían como sigue: 37 El transductor (altavoces y micrófonos) Potencia Relación Ejemplo Media 1 300W Programa 2 600W Pico 4 1200W (¡no siempre!) Continua: Simplemente especifica que la señal está presente todo el tiempo, ya que existen normas que especifican señal intermitente. Causas de averías de altavoces Las causas de avería de un componente suelen se dividen entre térmicas y mecánicas. Térmicas Las causas del fallo térmico de un componente pueden ser: Exceso de potencia de entrada. Señales fuera de la banda pasante (radio frecuencia, frecuencias subsónicas). La energía que no se convierte en sonido se convierte en calor. Recorte (clip) del amplificador, la causa más común de fallo térmico. Corriente continua entregada por el amplificador, caso poco habitual en los amplificadores profesionales de hoy en día. Excesiva ecualización, principalmente de agudos, puesto que esta zona de frecuencias los componentes poseen una eficiencia muy baja y generan mucho calor. Para prevenir los fallos térmicos, evite recortar el amplificador de potencia y asegúrese de que sólo envía al altavoz aquellas frecuencias que éste puede reproducir, utilizando filtros paso-alto y/o paso-bajo para limitar la banda de frecuencia que alimenta el altavoz. Mecánicas Las causas del fallo mecánico: Se deben al excesivo movimiento del altavoz. El altavoz tiene más excursión (movimiento hacia delante y hacia detrás) cuanto más baja es la frecuencia. Esto quiere decir que una señal con la frecuencia lo suficientemente baja y con el nivel suficiente, puede sacar la bobina móvil del entrehierro, con el consiguiente daño de la bobina, que probablemente rozará, y posiblemente acabe también cortándose o con cortocircuito. En los casos más extremos el soporte de la bobina golpeará la pieza polar inferior y se deformará. Para prevenir fallos mecánicos, no utilice señales por debajo de la banda de utilización del componente o cajas, y use un amplificador de la potencia adecuada. Cómo elegir la potencia del amplificador En general, se debe elegir un amplificador cuya potencia de salida esté por encima del aguante de potencia del altavoz. Esto se debe a que un amplificador sólo entrega la potencia especificada con señal sinusoidal, y entrega mucha menos potencia para una señal real con dinámica. Por ello, se recomiendan amplificadores que entreguen un 50% más de potencia que la potencia media (RMS) del altavoz. Por ejemplo, para una caja de 450W, podríamos usar un amplificador que entregara 700W. Si utilizamos un amplificador pequeño, no obtendremos el nivel suficiente ni la sensación (de nivel) suficiente, así que tenderemos a saturar el amplificador y con ello pondremos en peligro la integridad del altavoz. 38 El transductor (altavoces y micrófonos) Impedancia del altavoz La impedancia es la oposición al paso de la corriente alterna. En un altavoz, la impedancia es diferente para cada frecuencia, por lo que los fabricantes publican "curvas de impedancia". Estas curvas nos dan idea de la impedancia nominal del altavoz, su impedancia mínima, así como sus características de resonancia. Por ejemplo, un altavoz de cono al aire mostrará un pico de impedancia en la frecuencia de resonancia. Si medimos un altavoz con un multímetro nos dará una lectura diferente, normalmente menor, que la impedancia nominal del altavoz. Por ejemplo, un altavoz de 8 ohmios podrá darnos una lectura de 6 ohmios. La razón de estas diferencias está en que el multímetro mide la resistencia, no la impedancia. La resistencia es la oposición al paso de la corriente continua (en inglés, direct current o DC) y tiene un único valor, mientras que la impedancia es la oposición al paso de la corriente alterna, por lo que es función de la frecuencia y tiene tantos valores como frecuencias de uso. El multímetro es válido para una resistencia de las

T.5 ELECTROCÁUSTICA 89 157 PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue