La Matrix de Gerzon

Existen innumerables conjuntos de micrófonos estéreo, cada uno con fortalezas y debilidades únicas. Si solo tiene un par de micrófonos cardioides, sus opciones se limitan a 'cardioides X-Y coincidentes' o algún tipo de técnica casi espaciada como DIN, NOS u ORTF; el último de ellos es el más conocido y popular. En este artículo, sugeriré una alternativa que ofrece algunas ventajas valiosas. No puedo atribuirme el mérito: me encontré con esta idea por primera vez a mediados de los años 80, pero la recordé recientemente cuando buscaba algo completamente distinto en el archivo de mi revista Studio Sound. Hasta donde yo sé, el difunto gran Michael Gerzon (famoso por Ambisonics) fue el primero en describir este arreglo en forma impresa, y le dio crédito a Tony Faulkner. Pero como Tony ya tiene un par de conjuntos de micrófonos del mismo nombre, ¡me tomo la libertad de nombrar este en honor a Michael!

Técnicas estéreo cardioides coincidentes

Antes de describir este 'conjunto Gerzon', consideremos algunos pros y contras de otros conjuntos estéreo cardioides. Cuando Alan Blumlein estaba desarrollando sus ideas para el sonido estereofónico en la década de 1930, observó que para lograr imágenes precisas en el escenario sonoro estéreo, las señales reproducidas por los altavoces deberían diferir sólo en sus amplitudes relativas, no en su fase o sincronización. Para lograr esto, desarrolló el concepto de conjunto de micrófonos coincidentes, en el que las cápsulas direccionales se montan directamente una encima de la otra (asegurando la coincidencia de fases en el plano horizontal) y en ángulo para que sus sensibilidades relativas varíen con el ángulo de incidencia de la fuente de sonido. En otras palabras, una fuente de sonido situada a un lado del eje central del conjunto de micrófonos será captada a un nivel mayor por un micrófono que por el otro, simplemente por el grado de rechazo fuera del eje que ofrecen los patrones polares de los micrófonos. generando así la diferencia de amplitud entre canales requerida.

Un conjunto coincidente X-Y formado por dos micrófonos cardioides en un ángulo mutuo de 90 grados es el equivalente auditivo de una lente ojo de pez, y produce un "ángulo de grabación estéreo" (el ángulo alrededor del frente del conjunto de micrófonos, a través del cual suenan completamente hacia la izquierda o hacia la derecha cuando se escucha en los altavoces) de aproximadamente 196 grados. Esto significa que el conjunto debe colocarse muy cerca de la orquesta o el coro para que la grabación llene el escenario sonoro reproducido. Por lo general, es necesario colocar cardioides X‑Y coincidentes más o menos directamente sobre la cabeza del director, lo que inevitablemente genera un sonido muy cercano y relativamente seco, y genera un desequilibrio exagerado entre los músicos de la orquesta cerca del centro y los bordes del conjunto, y entre aquellos en la parte delantera y trasera. No sorprende, entonces, que los cardioides X-Y no produzcan un sonido naturalmente agradable y equilibrado. Por el lado positivo, la imagen estéreo está bien enfocada y es precisa, como ocurre con todos los arreglos coincidentes, y la compatibilidad mono es sólida como una roca.

Sin embargo, un conjunto de micrófonos estéreo no sólo captura a los músicos buscados. También captura el sonido reverberante de la habitación. En el caso de los cardioides X‑Y, la energía de reverberación del lugar de grabación tiende a acumularse alrededor del centro de la imagen estéreo, en lugar de distribuirse uniformemente en todo el ancho. Mantenga ese pensamiento, ya que volveré a ello más adelante.

Matrices cardioides casi espaciadas

A finales de los años 50 y principios de los 60, las emisoras europeas buscaron sistemas estéreo alternativos que ofrecieran un carácter de sonido más "natural". Muchas compañías discográficas comerciales preferían los micrófonos omnidireccionales muy espaciados, pero estos tenían imágenes estéreo relativamente vagas y, lo que es más importante, a menudo tenían una compatibilidad mono deficiente, lo que era un gran problema para las emisoras. Así que las emisoras experimentaron con técnicas cardioides "casi espaciadas", asumiendo que el ángulo entre los micrófonos cardioides aún generaría las diferencias de amplitud entre canales de una matriz coincidente, mientras que el espaciado de los micrófonos generaría algunas diferencias de sincronización/fase entre canales, como una matriz omniespaciada.

Surgieron varias variaciones: la emisora ​​​​nacional holandesa, Nederlandse Omroep Stichting, ideó la técnica NOS, los alemanes desarrollaron la técnica DIN y la Office de Radiodiffusion Télévision Française de Radio France desarrolló la técnica ORTF. Estas configuraciones se detallan en la tabla, con valores para sus SRA y distorsiones angulares; También se incluyen datos para un conjunto omnidireccional espaciado típico a modo de comparación. (Por supuesto, existen innumerables otras combinaciones posibles de espaciamiento de cápsulas, ángulo mutuo y SRA). Con SRA de entre aproximadamente 80 y 100 grados, estos tres conjuntos con nombre casi espaciados requieren una ubicación más distante que el conjunto X-Y coincidente, dando un carácter sonoro más reverberante. Técnicamente, la disposición NOS tiene imágenes estéreo ligeramente más precisas, pero con una separación entre cápsulas de 30 cm, también es la más impráctica de montar. Los formatos DIN y ORTF utilizan espacios más pequeños (20 y 17 cm, respectivamente), y el ángulo mutuo de 90 grados del primero es bastante más fácil de juzgar que los 110 grados necesarios para ORTF.

Un diagrama que ilustra las posiciones relativas de diferentes conjuntos estéreo que emplean micrófonos cardioides necesarios para representar el conjunto fuente con anchos de imagen estéreo similares. (Los ángulos dados aquí son los SRA).

La matriz de Gerzon

Entonces, ¿Qué pasa con la técnica Gerzon? Con una separación entre cápsulas de solo 5 cm, es más "casi coincidente" que "casi espaciada", y esto da como resultado una compatibilidad mono significativamente mejor que las disposiciones DIN, NOS u ORTF. Además, a 120 grados, el ángulo mutuo del conjunto Gerzon es bastante mayor que cualquiera de los conjuntos analizados anteriormente, y con los micrófonos cardioides, resulta que un ángulo mutuo de alrededor de 120 grados ofrece una distribución casi perfectamente plana y uniforme de la reverberación de la sala, (energía a través de la imagen estéreo completa). Si bien esto rara vez se menciona, es importante, porque la mejor estabilidad de la imagen estéreo y la mejor sensación de dimensiones frontal-posterior detrás de los altavoces se produce cuando la curva de distribución de reverberación es lo más plana posible. El único conjunto de micrófonos estéreo que logra una distribución de reverberación más plana (y más amplia) es el clásico conjunto Blumlein (cápsulas en forma de 8 a 90 grados), que es ampliamente admirado por su imagen estéreo natural.

La configuración básica del conjunto Gerzon, con las cápsulas superpuestas 50 mm y un ángulo mutuo de 120 grados.

Otro punto fuerte de la técnica Gerzon es que, para cualquier ubicación de fuente frontal dada, el pequeño espacio entre cápsulas produce prácticamente las mismas diferencias de fase/amplitud en los oídos de un oyente con altavoz (al menos hasta alrededor de 2 kHz) que se obtendría al escuchar la fuente de sonido en vivo. En este sentido, la matriz de Gerzon puede presumir de ser más precisa que los cardioides X‑Y coincidentes.

Para un ancho estéreo dado del conjunto fuente, el SRA del arreglo Gerzon de alrededor de 130 grados significa que debe colocarse más lejos que un arreglo X‑Y coincidente, brindando una perspectiva ligeramente más reverberante y más natural de lado a lado y de frente a -saldos atrasados. Aun así, seguiría estando más cerca que cualquiera de las técnicas convencionales casi espaciados, que ofrecen perspectivas aún más reverberantes.

Mi única advertencia es que el amplio ángulo mutuo del conjunto Gerzon significa que las fuentes de sonido centrales llegan muy fuera del eje (65 grados) a ambos micrófonos, por lo que los cardioides de buena calidad, con un patrón polar muy consistente en todo el ancho de banda, se requieren al menos 90 grados. La mayoría de los micrófonos decentes de diafragma pequeño deberían funcionar bien, pero tenga cuidado con los modelos de diafragma grande, y si el carácter del sonido de las fuentes centrales parece "coloreado" tonalmente, ¡pruebe con otros micrófonos!

La distribución de la energía de reverberación en el escenario sonoro, capturada por matrices X‑Y con diferentes ángulos mutuos y patrones polares. La escala vertical es arbitraria, mientras que la escala horizontal se basa en el ángulo de deflexión de una pantalla de vectorscopio estereoscópico: completamente hacia la izquierda o hacia la derecha corresponde a un ángulo de ±45 grados, y una condición desfasada es de ±90 grados. Los cardioides X‑Y capturan la distribución más uniforme de energía reverberante con un ángulo mutuo de 120 grados y no hay elementos desfasados. Por el contrario, la dispersión más uniforme se produce con un ángulo mutuo de 90 grados para los micrófonos X‑Y en forma de 8, y los sonidos que llegan a los lados del conjunto generan audio desfasado.

Shuffling

Si bien este conjunto Gerzon tiene algunas fortalezas técnicas muy intrigantes e importantes, se percibe menos amplitud que el conjunto ORTF (inevitablemente, dado el pequeño espacio entre cápsulas), pero un procesamiento simple ofrece una sensación de amplitud aún mejor, sin ninguna degradación sonora. Esto se logra utilizando otro invento de Blumlein llamado Shuffling, que amplía la imagen estéreo por debajo de aproximadamente 600 Hz, convirtiendo pequeñas diferencias de fase entre canales en los micrófonos en diferencias de amplitud entre canales para los altavoces. Aunque se podría realizar un procesamiento similar en una grabación ORTF, el espaciado más amplio de las cápsulas de esa matriz puede introducir efectos audibles de filtrado en peine, como se explica en el cuadro "Ampliación estéreo".

El Shuffling se logra potenciando la señal de los lados sólo unos 8 dB por debajo de 600 Hz (se puede experimentar con una "eq shelving" y la cantidad de realce para obtener mejores resultados). Es trivialmente sencillo lograrlo en una DAW utilizando un par de complementos de conversión M-S con un filtro shelving cuyos canales se pueden controlar de forma independiente, o un ecualizador estéreo con un modo M-S.

Curiosamente, el filtro shelving necesario para este refuerzo de graves normalmente introduce unos 25 grados de retraso de fase a 600 Hz, donde nuestro sentido del oído es bastante sensible a los cambios de fase, pero a 600 Hz el pequeño espacio entre cápsulas del conjunto Gerzon introduce un cantidad similar de avance de fase en la señal de los lados (en relación con el medio), contrarrestando casi perfectamente ese retraso. Es un giro del destino muy feliz que da como resultado una imagen estéreo mejorada y una reducción del "fase".

Los componentes básicos de Stereo Shuffling, que aumentan la sensación de amplitud del conjunto Gerzon.

Conclusión

Entonces, la próxima vez que necesites grabar en estéreo con un par de cardioides, ¿por qué no pruebas la matriz Gerzon? Es un conjunto fácil de montar: simplemente superponga las cápsulas de micrófono solo 5 cm con un ángulo mutuo de 120 grados. Es posible que prefiera el sonido de este arreglo tal como está, ya que no es tan intrínsecamente tan 'fásico' como ORTF, y la compatibilidad mono es mucho mejor. Pero, si anhelas una sensación de amplitud más parecida a la de ORTF, prueba después un poco de reproducción aleatoria en el archivo grabado en tu DAW, como se describe anteriormente.

Desde una perspectiva práctica, la forma más compacta del conjunto Gerzon me resulta útil a la hora de grabar conciertos públicos, y la capacidad de conseguir una mayor amplitud en la posproducción sin degradar las demás propiedades del conjunto es extremadamente útil. Pero el mayor atractivo para mí es la imagen estéreo más enfocada y estable, un carácter menos fásico y una representación mucho, mucho mejor de la profundidad frontal y posterior y la recreación de la sensación de espacio de la sala de grabación.

Ampliación estéreo de técnicas de micrófonos casi espaciados

La ampliación estéreo funciona en el dominio de los lados medios aumentando la amplitud de la señal de los lados en relación con los medios. Con señales de fuente estéreo izquierda-derecha que difieren sólo en sus amplitudes entre canales, funciona muy bien. Pero con una matriz espaciada, la distancia entre los dos micrófonos genera inherentemente cambios de fase entre canales. La conversión de las señales L-R en M-S implica sumas y restas, por lo que las señales M-S inevitablemente sufren fuertes efectos de filtrado en peine.

Por ejemplo, imagine una fuente de sonido en el extremo izquierdo de una matriz ORTF. En bajas frecuencias, la diferencia de fase entre los dos micrófonos será muy pequeña, pero esa diferencia de fase aumenta a medida que aumenta la frecuencia. A 1 kHz, el sonido tiene una longitud de onda de aproximadamente 34 cm, por lo que, dada la separación entre cápsulas del ORTF de 17 cm, el sonido que llega al micrófono derecho será media longitud de onda más tarde que el del micrófono izquierdo y, por lo tanto, en polaridad opuesta.

La misma condición ocurre a 3kHz, 5kHz, 7kHz y así sucesivamente, por supuesto. Por el contrario, a 2, 4, 6 kHz, etc., las ondas estarán en fase, por lo que si la amplitud en ambos canales fuera la misma, sumarlas para generar el medio daría como resultado muescas de cancelación profundas a 1, 3 y 5 kHz. con picos a 2, 4 y 6 kHz. En el canal Side, los nulos y los picos se intercambiarían. Si luego se aumentara el nivel de la señal Side para aumentar el ancho estéreo, algunas bandas de frecuencia estrechas se moverían hacia afuera, pero otras no, por lo que la imagen estéreo en realidad se degradaría, en lugar de mejorarse.

Como mitigación, el hecho de que la matriz ORTF utilice patrones polares cardioides en ángulo significa que para una fuente en el extremo izquierdo, el nivel de señal en el canal derecho sería alrededor de 20 dB más bajo que el del canal izquierdo. Esa diferencia significativa en amplitud reduce sustancialmente la profundidad de los nulos y picos de cancelación en las señales combinadas, y así reduce la escala de degradación de la imagen estéreo. Sin embargo, la ampliación estéreo de banda ancha con conjuntos de micrófonos espaciados a menudo hace más daño que bien.

La técnica Shuffling de Blumlein, en la que la ampliación estéreo sólo se aplica a bajas frecuencias, evita en gran medida el problema, ya que restringe el procesamiento a frecuencias en las que los cambios de fase entre canales son mucho menores que 180 grados. En el caso de la matriz ORTF, la experimentación sugiere que es mejor restringir cualquier ecualización espacial por debajo de 320 Hz.

Distorsión angular

La relación entre un conjunto de fuentes de sonido colocadas frente a un conjunto de micrófonos estéreo y sus posiciones percibidas cuando se escuchan a través de altavoces estéreo no es fija ni lineal. Todos los conjuntos de micrófonos introducen cierto grado de distorsión angular, donde los ángulos entre las fuentes reales y los micrófonos se informan erróneamente en las imágenes de sonido virtual reproducidas por los altavoces. Es, en líneas generales, equivalente al efecto de mirar un antiguo programa de televisión 4:3 extendido hasta llenar una pantalla de televisión moderna 16:9.

Sin embargo, en el caso de conjuntos de micrófonos estéreo, la distorsión angular generalmente hace que los sonidos cerca del centro se reproduzcan más ampliamente de lo que deberían, y los sonidos más cercanos a los bordes tienden a agruparse. Diferentes combinaciones de espaciamientos entre cápsulas, ángulos mutuos y patrones polares producen diferentes grados de distorsión angular. La cantidad precisa se puede calcular para una matriz determinada, pero normalmente varía de 2 a 7 grados, y la mayoría oscila entre 4 y 6 grados.

Puede encontrar más información sobre esto y muchos otros aspectos técnicos de las matrices de micrófonos estéreo en el libro de Michael Williams, Microphone Arrays for Stereo and Multichannel Sound Recording.

Michael Williams