jueves, 19 de abril de 2012

Diseño Salas de Audio

Ondas Estacionarias, Respuesta en Graves y Medidas de Sala

Al ser sus longitudes de onda mucho mayores que las proporciones habituales en salas domésticas (a 20 Hz su longitud de onda aproximada es de 17 metros) el principal problema son las bajas frecuencia, que se verán modificadas (en presión) en mucha más medida que los valores que pueda imprimir cualquier otro componente (altavoz, amplificador, etc.) y siguiendo unos patrones concretos que responden puramente a leyes físicas.

Esto nos lleva primero a hablar de estacionarias, que como su propio nombre indica, son las frecuencias a las que la distribución de presiones está estacionaria en dicha sala. Pero, ¿por qué ocurre esto?

Consideremos una sala regular (superficies paralelas; paredes, suelo y techo) concreta, con sus medidas de largo, ancho y alto, y una temperatura ambiente dada (que será el principal factor que determine la velocidad del sonido, y por ende, frecuencias). Si tomamos la medida de cada eje y dividimos la velocidad del sonido entre el doble de la medida de cada eje (en metros por segundo y metros respectivamente) obtendremos tres frecuencias concretas, correspondientes a cada uno de los tres ejes de la sala. Estas son las que llamaremos fundamentales de cada eje, qué ocurre a esa frecuencia cuya longitud de onda (en realidad de un semiciclo) coincide con la medida del eje. Si dibujamos la onda senoidal en dicho eje, veremos que empezando por un máximo (en el límite de la sala; pared, suelo o techo) varía la onda hasta cero (justo en el centro de dicho eje) y vuelve a un máximo de sentido contrario (en el límite opuesto; pared, techo o suelo) y cuando rebote en ese otro límite volverá por el mismo camino describiendo la misma curva, por tanto la onda permanece estacionaria mostrando siempre en los mismos puntos la misma presión. Y como vemos, siempre en los límites de la sala (paredes, suelo, techo) será máxima esa presión (estacionarias axiales, producidas por la reflexión en dos superficies paralelas).



Hay otros dos tipos de estacionarias, tangenciales y oblicuas, producidas por las reflexiones entre cuatro superficies y entre todas las superficies respectivamente, pero no las vamos a considerar en este artículo. No obstante, en estudios más detallados bastaría añadir las tangenciales y obviar las oblicuas).

Pero qué ocurre con los armónicos (frecuencias múltiplos enteros de esa fundamental) de dicha frecuencia, que como su longitud de onda es justo una fracción entera, igualmente serán estacionarias, valga la redundancia, por permanecer estacionarias a lo largo de dicho eje la distribución de presiones (bastaría dibujar la onda senoidal correspondiente en dicho eje para verlo claramente), y lógicamente con máximos en los límites. Como curiosidad, la fundamental de cada eje y sus armónicos mostrarán n puntos de mínima presión y n+1 puntos de máxima presión equidistantes y alternados, siendo siempre máxima en los límites de la sala, mínima justo en el centro para la fundamental y armónicos impares y máxima para los pares.


Y qué ocurre en esos puntos de máxima presión. Imaginad un ecualizador, con cortes a cada una de las frecuencias que corresponden a estacionarias (fundamentales de cada eje y sus armónicos) en cada eje, pues que en cualquier punto exceptuando los de mínima presión, esa sala incrementará la presión a dicha frecuencia (la que corresponda según eje y estacionaria) hasta el máximo que corresponda en el punto de máxima presión (este incremento puede suponer hasta +16 dB respecto a lo que sería una respuesta plana, de la sala). Ahora solo imaginad que hay tres ejes, que en cada eje hay varias estacionarias, e imaginad esa distribución de máximos y mínimos de presión, para cada eje y para cada estacionaria, ¿complejo, verdad?

Entonces, cómo hacer para mitigar este maremagno de presiones y hacer que afecte lo mínimo posible a nuestra instalación, en definitiva, para obtener la respuesta más plana posible en bajas frecuencias.

Ni más ni menos que localizar la posición de altavoces y oyente donde excitemos lo menos posible esas estacionarias y a su vez percibamos lo menos posible esos incrementos de presión a las mismas. Por tanto, ¿como buscamos excitar lo menos posible esas estacionarias (de baja frecuencia)? Habremos de colocar el foco de las mismas (que no es otro que el altavoz de graves de nuestras cajas, por tanto es lógico pensar que la posición de cajas debe hacerse respecto a ese foco; centro y frontal del cono de graves) en un punto del espacio donde a ser posible la presión a cada estacionaria en cada eje sea mínima y lo más homogénea entre todas. E igualmente con el oyente, donde perciba con la menor presión toda esa misma amalgama de frecuencias; respecto al punto de escucha deberá ser el centro de la cabeza y a la altura del oído. De ahí la versatilidad de un monitor respecto a la acústica de la sala, ya que nos permitirá mayor libertad de movimiento en los tres ejes. Todo esto generalmente se hace hoy día con ayuda de herramientas informáticas, pues sería ardua la tarea para hacerla a mano.

Una prueba curiosa donde ver estos fenómenos y sencilla de realizar; podemos generar un tono a la frecuencia de una estacionaria concreta (con un ordenador y grabarlo en CD-R, con un generador de tonos, con un disco de pruebas, etc.), y reproducirlo en nuestro sistema. A continuación y mientras se reproduce dicho tono, ir desplazándonos a lo largo del eje a que corresponda dicha estacionaria, desde un límite (paredes generalmente, es más cómodo probar con estacionarias del eje largo o ancho, por razones obvias) hacia el otro, y oiremos claramente cómo la presión es máxima, e irá alternándose a mínima y máxima hasta acabar en la pared opuesta de nuevo en un máximo. De hecho puede ser que incluso al llegar a la zona de mínimo hasta dejemos de percibir ese tono, y en la zona de máximos (pegados a las paredes es la más fácil de localizar) llegue a hacerse insoportable.

¿Y qué hay de las proporciones de la sala? Desde luego no todas son iguales, aunque la inmensa mayoría de las veces, es la que hay y pocas opciones de cambiar sus medidas tenemos. Pero hablando en términos absolutos, hay soluciones mejores que otras.

Como hemos visto, las estacionarias se relacionan directamente con las medidas de cada eje, de ahí que si una sala tiene dos o sus tres ejes idénticos en medida (o múltiplos enteros unos de otro) coincidirán sus estacionarias (en frecuencia), lo que supone un incremento mayor aun en esos máximos de presión, descontrolando aun más las bajas frecuencias. Así que como primera norma, hay que huir de salas cúbicas, medidas múltiplos en sus ejes, o que coincidan en dos ejes.

¿Hay alguna proporción adecuada?
Hay varios métodos para su cálculo, como es utilizar el número Fi (? = 1,618033989) para partiendo de un eje, calcular los otros como múltiplos de Fi por este primero. En definitiva, podrían resumirse todas como el obtener unas proporciones que resulten de distribuir sus estacionarias lo más homogéneamente posible, esto es, nunca más juntas dos contiguas (en frecuencia, independientemente del eje a que correspondan) del 5% de su valor, ni más distantes de 20 Hz.

Ya tenemos la sala, hecha a medida o no, que nos permitan o nos hayamos permitido, que mejor nos convenga desde el punto de vista acústico. ¿Y en qué rango estudio las estacionarias en mi sala? Genéricamente se recomienda entre 20 y 300 Hz, pero en la práctica cada sala es única (salvo que la repliquemos tanto en medidas como materiales, acondicionamiento, etc.).

Ese rango será en cada caso desde la resonancia baja de la sala, que no es otra que la correspondiente a su mayor eje, por el extremo más bajo. Y por la parte más alta dependerá del RT de la sala (tiempo de reverberación, es el tiempo que tarda una señal en decaer 60 dB desde que deja de emitirse), por tanto de los materiales de la misma (superficies y coeficientes de absorción de los mismos), y del volumen de la sala (en metros cúbicos; multiplicar los tres ejes de la misma) según la siguiente relación: (1849 * RT) / Volumen.

De este modo tenemos el rango concreto donde se deberían estudiar las estacionarias en nuestra sala concreta, y en consecuencia, la ubicación de cajas y oyente como solución a una óptima respuesta plana de la sala a dichas frecuencias.


Vamos a complicar más las cosas. ¿Qué ocurre con mis altavoces y su respuesta en frecuencia? ¿Cómo afecta esto respecto a todo lo visto? Todos los fabricantes de cajas ofrecen un rango de respuesta de la caja, esto no quiere decir generalmente que la caja (vamos a ocuparnos del extremo bajo, que es el que nos interesa en este punto) no llegue más allá de dicha frecuencia, sino que su curva de respuesta decae bruscamente a partir de ahí (generalmente si no se especifica otra cosa, la respuesta ofrecida por el fabricante suele ser dentro de un margen de +/- 3 dB).

Pero qué ocurre si nuestras cajas nos dicen que bajan hasta 60 Hz, pero la resonancia baja de nuestra sala es de 30 Hz (el largo de la sala es aproximadamente 5,7 metros). Fácilmente podemos deducir con lo visto hasta ahora, que a poco que estudiemos y conjuntemos todo, podríamos extender la respuesta del sistema (ojo, no de la caja puesto que no la estamos modificando, sino que nos apoyamos en la acústica de la sala y el efecto de frecuencias estacionarias) buscando esa posición donde compensemos con la sala la caída que tiene la caja, de modo que podamos en la posición de oyente percibir una respuesta más o menos plana hasta esos 30 Hz. De hecho esto es así en cualquier sala donde se hace un estudio a fondo de su acústica, ubicación de cajas, etc., siempre que se busque naturalidad, y por ello casi siempre en estas instalaciones se prescinde de subwoofer independiente de las cajas principales en aplicaciones de audio puro.

En resumen, qué conseguimos buscando nuestra sala con las proporciones más adecuadas y situando de manera óptima las cajas y oyente dentro de la misma. Básicamente extender la respuesta de nuestras cajas, y obtener en la parte baja de frecuencias una curva de respuesta lo más plana posible.

Antonio Díaz Rodríguez

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