-3- Sistemas de megafonía Buena inteligibilidad y recubrimiento, no tan importante la fidelidad Sonorización de estaciones de tren, aeropuertos, etc.

Transcripción

1 Introducción Sonorización Reproducción del sonido en un determinado área (área de audiencia) mediante medios artificiales (sistemas de refuerzo sonoro y megafonía) Objetivos de un sistema de sonorización Alcanzar un nivel sonoro suficiente en el área de audiencia (ganancia acústica suficiente) Fidelidad de la señal reproducida (respuesta en frecuencia, distorsión, SNR, reverberación, etc.) Suficiente inteligibilidad Recubrimiento uniforme Elementos de un sistema de refuerzo Acústicos: características acústicas del entorno a sonorizar Electroacústicos: micrófonos y altavoces Equipos de audio: mesas, ecualizadores, equipos de procesado, amplificadores Conexionado: cables, conectores Sistemas de sonorización Sistemas de refuerzo sonoro Buena fidelidad, inteligibilidad, nivel sonoro y recubrimiento Salas de conferencias, teatros, conciertos al aire libre, etc. Sonorización de locales comerciales Sistemas de megafonía Buena inteligibilidad y recubrimiento, no tan importante la fidelidad Sonorización de estaciones de tren, aeropuertos, etc

2 Desarrollo del tema Introducción. Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico. Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria. Realimentación y ganancia acústica potencial. Potencia eléctrica necesaria. Sistema de refuerzo sonoro en interiores. Constante acústica de la sala y distancia crítica. Influencia sobre los parámetros de diseño. Criterios de inteligibilidad. Pérdida de articulación de consonantes, AL cons. Medida objetiva de la inteligibilidad. Índice de transmisión del habla, STI, RASTI. Control de la realimentación. Transductores y altavoces directivos. Ecualización y filtros ranura. Interconexión del sistema. Impedancias de entrada y salida. Líneas balanceadas y no balanceadas. Técnicas de interconexión. Puesta a tierra del sistema. Importancia de la puesta a tierra. Procedimientos de puesta a tierra. Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico Se considera un sistema de refuerzo en exteriores, en el que se pueden despreciar los efectos del eco y la reverberación. Sólo se considera el sonido directo y la atenuación con la distancia L p L p mic Ley de atenuación con la distancia: atenuación proporcional al cuadrado de la distancia mic D0 Lp Lp 20log D S

3 Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria Ganancia acústica Es el incremento de nivel que un oyente de la audiencia percibe con el sistema de refuerzo conectado, comparado con el nivel que percibiría con el sistema desconectado AG L pon L poff Ganancia acústica necesaria (Needed Acoustic Gain, NAG) Para un nivel dado producido por el orador en el micrófono, L pmic, con el sistema apagado se tiene que el nivel en el oyente es D Lp L 20log OFF pmic D Si se desea un nivel L p en la audiencia o s NAG L L p p OFF Cómo determinamos L p? Obtención del nivel deseado en la región de la audiencia Sistemas para conciertos Se eligen niveles elevados por motivos puramente estéticos (sonido contundente ) Sistemas para la palabra El nivel se debe elegir al menos 25 db por encima del ruido (SNR = 25dB) para una correcta inteligibilidad Se suele utilizar el concepto de distancia acústica equivalente (Equivalent Acoustic Distance, EAD) En ambos casos son importantes otros factores como el recubrimiento de toda la zona de audiencia

4 Distancia acústica equivalente El sistema de sonido crea la ilusión de que el orador se encuentra a una distancia equivalente (EAD) del oyente menor que la distancia real D 0 EAD: distancia subjetiva a la que un oyente sitúa al orador gracias al sistema de refuerzo sonoro. En un ambiente poco ruidoso sería suficiente con aproximar el orador a unos 3 metros del oyente (EAD = 3m) La ganancia acústica necesaria se obtiene entonces directamente a partir de la EAD teniendo en cuenta la atenuación con la distancia NAG Do 20log EAD Distancia acústica equivalente Ejemplo 1 7 EAD 3 NAG 20log 7.5dB

5 Distancia acústica equivalente Ejemplo 2 En un ambiente más ruidoso no será suficiente con una EAD de 3m para obtener una buena inteligibilidad Un criterio ampliamente aceptado para tener una buena inteligibilidad es que la relación SNR debe ser de 25dB o superior Si consideramos que una conversación normal alcanza niveles de 60 a 65 db SPL a 1m de distancia, en un ambiente con un ruido de fondo de 50dB necesitaremos de 75 a 80 db para una escucha confortable Veamos a qué distancia acústica equivalente (EAD) se corresponden 80dB D1m Lp 65dB Lp ' 80dB D'? 7 EAD 0.17 NAG 20log 32dB D ' 0.17 Lp' Lp 20log D Lp' Lp 20 log D 20 log D' 20log D' L L ' 20log D p p D ' m EAD 0.17m Distancia acústica equivalente Distancia acústica equivalente (EAD) en función del tipo de voz y del ruido ambiente, para una SNR de 25 db Obsérvese que se cumple la ley de -6dB/dd, lo que indica la situación de campo directo Para entrar en la tabla se suman 25dB al nivel de ruido de ambiente 0.17m

6 Realimentación y ganancia acústica potencial Realimentación acústica: captación por el micrófono de la señal proveniente del altavoz (de forma directa o a través de reflexiones en el entorno) Si se cumplen las condiciones de oscilación (ganancia de lazo unidad y desfase de 2n, n=0,1,2, ) a alguna frecuencia el sistema se volverá inestable por oscilación de dicha frecuencia(s). Estas oscilaciones del sistema se denominan habitualmente acoplos y se caracterizan por un pitido ensordecedor que va creciendo a medida que el resto del programa sonoro desaparece por efecto enmascaramiento y pérdida de potencia en las demás frecuencias Los sistemas de sonido son de banda ancha, por lo que si la condición sobre la amplitud de la ganancia de lazo se cumple, la condición de fase se cumplirá a alguna frecuencia se debe limitar la ganancia del sistema para que la ganancia de lazo sea menor que la unidad Realimentación y ganancia acústica potencial Efectos de la realimentación acústica Establece un límite para la ganancia acústica máxima que se puede obtener con el sistema de refuerzo antes de que se produzcan la inestabilidad por oscilación Ganancia acústica potencial (potential acoustic gain, PAG) Incluso antes de que se produzca oscilación la realimentación provoca Coloración de la respuesta en frecuencia pérdida de fidelidad Incremento del tiempo de reverberación pérdida de inteligibilidad

7 Ganancia acústica potencial Es la ganancia acústica máxima que podemos proporcionar al sistema de refuerzo sin que éste se vuelva inestable por la realimentación A efectos de diseño, se producirá oscilación cuando el SPL en el micrófono debido a los altavoces y al orador sea el mismo (ganancia de lazo unidad) Do Lp L 20log OFF pmic Ds D2 Lp L 20log ON, GL 1 pmic D1 D D PAG Lp L 20log ON, GL1 p OFF D D 0 1 s 2 L p mic L poff L p ON, GL=1 NAG > PAG, sistema no viable (inestabilidad por realimentación) Ganancia acústica potencial Ejemplo Distancia orador-mic: D S = 1m Distancia orador-oyente: D 0 = 7m Distancia altavoz-mic: D 1 = 4m Distancia altavoz-oyente: D 2 = 6m DD PAG 20log DD PAG 20log 13.5dB 16 s 2 En el ambiente poco ruidoso, NAG = 7.5dB < PAG Sistema viable En el ambiente ruidoso (50dBA), NAG = 32dB > PAG Sistema no viable

8 Ganancia acústica potencial Número de micrófonos abiertos (Number of Microphones, NOM) Cada micrófono abierto en un escenario aumenta las posibilidades de realimentación y reduce la PAG 0 1 PAG 20log 10log NOM DD DD s 2 Margen de estabilidad para la realimentación (Feedback Stability Margin, FSM) Antes de que se cumpla la condición de realimentación se producen problemas de coloreo en la respuesta en frecuencia y aumenta el tiempo de reverberación en recintos Se suele considerar un margen de estabilidad de 6 a 10 db para evitar estos problemas DD 0 1 PAG 20 log 10 log NOM FSM DD s 2 Ganancia acústica potencial Ejemplo DD DD 0 1 PAG 20 log 10 log NOM FSM s 2 74 PAG 20log 10log16 7.5dB 16 En el ambiente poco ruidoso, NAG = 7.5dB = PAG Sistema viable? En el ambiente ruidoso (50dBA), NAG = 32dB > PAG Sistema no viable

9 Ganancia acústica potencial La PAG depende de características geométricas del sistema. Actuando sobre éstas se puede incrementar su valor Aumentando la separación entre altavoces y micrófonos, D 1 Acercando los altavoces a la audiencia, D 2 Reduciendo la separación entre orador y micrófono D S Aumentando la separación entre orador y oyente D 0. Esta solución no es viable porque implica aumentar D 2 DD DD 0 1 PAG 20 log 10 log NOM FSM s 2 Ganancia acústica potencial Ejemplo: reducción de la distancia orador-micrófono mediante un micrófono de mano Distancia orador-mic: D S = 0.05m Distancia orador-oyente: D 0 = 7m Distancia altavoz-mic: D 1 = 4m Distancia altavoz-oyente: D 2 = 6m DD DD 0 1 PAG 20 log 10 log NOM FSM s PAG 20log 10log dB Incremento de la PAG de 7.5dB (con micro a 1m) a 33.4dB En el ambiente poco ruidoso, NAG = 7.5dB < PAG Sistema viable En el ambiente ruidoso (50dBA), NAG = 32dB < PAG Sistema viable

10 Ganancia acústica potencial Una de las primeras medidas que se toman para aumentar la estabilidad de un sistema de sonido es la de acercar los oradores a los micrófonos Esto genera un problema adicional Las prestaciones del sistema dependen en buena medida de las variaciones de la distancia orador-micrófono Es difícil para el orador mantener una distancia fija entre el micrófono y su boca Como resultado la ganancia variará considerablemente con los movimientos del orador El problema se puede resolver con micrófonos portados por el orador, como los micrófonos de solapa (Lavalier) o los modernos micrófonos de contacto Además de incrementar la PAG, la estabilidad del sistema se puede mejorar reduciendo la NAG necesaria (por ejemplo, convenciendo al orador de que, además de acercarse al micrófono, debe subir su tono de voz) Potencia eléctrica necesaria Una vez calculadas la NAG y la PAG y comprobada la viabilidad del sistema, se calcula la potencia eléctrica necesaria (Electrical Power Required, EPR) La EPR es un parámetro muy importante para el dimensionamiento de un sistema de sonido EPR[W] 10 L HRL 20log D p sens 10 2 L p : nivel SPL deseado en la audiencia (nivel nominal) HR: headroom deseado 6-10 db para la palabra db en música L sens : sensibilidad del altavoz en db SPL/1m/1W

11 Potencia eléctrica necesaria Ejemplo 1 PAG 23.8dB NAG 7.5 db orador L p (1m) 65dB SPL EAD 3m orador p (1m) 65dB SPL orador p(ead) Lp (1m) 20log 1 Sensibilidad típica de altavoces pequeños: 85 db SPL/W/m Headroom para la palabra: 6 db L L EAD 3 Lp (EAD)=65 20log 55.45dB SPL 1 LpHRLsens20log D log EPR[W] W Potencia eléctrica necesaria Ejemplo 2 PAG 33.4dB NAG 32 db L p 80dB SPL Sensibilidad típica de altavoces pequeños: 85 db SPL/W/m Headroom para la palabra: 6 db LpHRLsens20log D log EPR[W] W Incremento del headroom a 10 db LpHRLsens20log D log EPR[W] W

12 Desarrollo del tema Introducción. Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico. Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria. Realimentación y ganancia acústica potencial. Potencia eléctrica necesaria. Sistema de refuerzo sonoro en interiores. Constante acústica de la sala y distancia crítica. Influencia sobre los parámetros de diseño. Criterios de inteligibilidad. Pérdida de articulación de consonantes, AL cons. Medida objetiva de la inteligibilidad. Índice de transmisión del habla, STI, RASTI. Control de la realimentación. Transductores y altavoces directivos. Ecualización y filtros ranura. Interconexión del sistema. Impedancias de entrada y salida. Líneas balanceadas y no balanceadas. Técnicas de interconexión. Puesta a tierra del sistema. Importancia de la puesta a tierra. Procedimientos de puesta a tierra. Sistema de refuerzo sonoro en interiores Es necesario incorporar los efectos de la reverberación

13 Constante de la sala y distancia crítica Campo directo y campo reverberante En una sala se tienen dos campos sonoros Campo correspondiente al sonido directo Campo reverberante (múltiples reflexiones incoherentes) El sonido directo se atenúa proporcionalmente al cuadrado de la distancia El campo reverberante se distribuye uniformemente en la sala (no depende de la distancia) Constante de la sala y distancia crítica Constante de la sala (R) Medida de la absorción total de sonido que se produce en las paredes de la misma. Sus unidades son m 2 Sa R 1 a S: superficie de la sala a: coeficiente de absorción media

14 Constante de la sala y distancia crítica Distancia crítica (D c ) Es la distancia medida desde la fuente hacia la audiencia a la cual se igualan las presiones del campo directo y el campo reverberante Dc 0.14 QR Q: directividad de la fuente R: constante de la sala Directividad típica de un orador: Q = 3dB Constante de la sala y distancia crítica Nivel relativo de campo reverberante a campo directo en función de la distancia al orador y la constante de la sala Distancia crítica, D c

15 Constante de la sala y distancia crítica Nivel relativo de campo directo a campo reverberarte en función de la distancia al orador y la distancia crítica g( D) Dc D 2 2 Influencia sobre los parámetros de diseño Atenuación del sonido en interiores teniendo en cuenta el campo reverberante mic D0 g( D0) Lp Lp 20log 10log Contribución DS g ( DS ) del campo reverberante 2 2 g( D) Dc D

16 Influencia sobre los parámetros de diseño Ejemplo 1 Coeficiente de absorción media: 0.2 Nivel normal de un orador a 1m = 65dB SPL Superficie de la sala: 111m 2 Constante de la sala Sa R 28m 1a 10.2 Directividad orador 3dB 10 Q Distancia crítica Dc m Influencia sobre los parámetros de diseño Nivel normal orador a 1m = 65dBSPL Nivel del orador a 1m teniendo en cuenta el campo reverberante L (1 m) L (1m) L (1m) L orador orador orador p, total p, directo p, rev (1 m) 6510log(1 1 ) 68dBSLP orador 2 2 ptotal, Nivel del orador en el micrófono L L L mic p mic p mic p orador DS gd ( S) Lp (1m) 20 log 10 log 1m g(1) log 10log dB SPL 2 2 Nivel del orador en el oyente mic D0 g( D0) Lp Lp 20log 10log D g ( D ) L mic p S log 10 log dbspl S

17 Influencia sobre los parámetros de diseño Ganancia acústica necesaria en función de la distancia acústica equivalente Do g( Do) NAG 20log 10log EAD g ( EAD ) Ganancia acústica potencial D D g( D ) g( D ) PAG 20log 10logNOMFSM10log DsD2 g ( Ds ) g ( D2 ) Potencia eléctrica necesaria EPR[ W ] 10 g( D2 ) LpHRLsens20log D2 10log g (1) 10 Influencia sobre los parámetros de diseño Ejemplo 1 Directividad del altavoz: 6dB (la misma para D1 y D2) Distancia crítica 6dB 10 Q 10 4 Dc m Ganancia acústica potencial (PAG) DD gd ( ) gd ( ) PAG 20log 10log DD s 2 gd ( s ) gd ( 2 ) g(4.2) g(1.5) PAG 20log 10log g(0.6) g(4.8) PAG 5.26dB Sin margen de estabilidad! Sala muy pequeña y altavoz mal posicionado

18 Influencia sobre los parámetros de diseño Ejemplo 2 Coeficiente de absorción media: 0.15 Superficie de la sala: 630m 2 Constante de la sala Sa m 2 R 1a Directividad y D c orador 3dB 10 Q 10 2 Dc m Directividad y D c altavoz-oyente: 9dB 9dB 10 Q 10 8 Dc m Directividad y D c altavoz-orador: -3dB 3dB 10 Q Dc m Influencia sobre los parámetros de diseño Ejemplo 2 Ganancia acústica potencial (PAG) DD gd ( ) gd ( ) PAG 20log 10log DD s 2 gd ( s ) gd ( 2 ) g(12) g(5.4) PAG 20 log 10 log g(0.6) g(13.2) PAG log PAG dB Considerando el margen de estabilidad PAG 116 5dB El sistema podría proporcionar una ganancia acústica pequeña, aunque perceptible

19 Desarrollo del tema Introducción. Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico. Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria. Realimentación y ganancia acústica potencial. Potencia eléctrica necesaria. Sistema de refuerzo sonoro en interiores. Constante acústica de la sala y distancia crítica. Influencia sobre los parámetros de diseño. Criterios de inteligibilidad. Pérdida de articulación de consonantes, AL cons. Medida objetiva de la inteligibilidad. Índice de transmisión del habla, STI, RASTI. Control de la realimentación. Transductores y altavoces directivos. Ecualización y filtros ranura. Interconexión del sistema. Impedancias de entrada y salida. Líneas balanceadas y no balanceadas. Técnicas de interconexión. Puesta a tierra del sistema. Importancia de la puesta a tierra. Procedimientos de puesta a tierra. Criterios de inteligibilidad Además de criterios de nivel es necesario cumplir criterios de inteligibilidad. Los factores más importantes que influyen en la inteligibilidad son: Relación señal a ruido. En general debería ser superior a 25dB, aunque en ambientes muy ruidosos 10 o 15dB pueden ser tolerables Tiempo de reverberación. Tiempos de 1.5 segundos o menores no degradan la claridad de la palabra Relación campo directo / campo reverberante. Para ambientes con tiempos de reverberación superiores a 1.5 segundos, la inteligibilidad es función de la relación campo directo a campo reverberante, así como del tiempo de reverberación Los criterios de evaluación de la inteligibilidad permiten evaluar la calidad acústica de un recinto en cuanto a la reproducción de señal vocal Pérdida de articulación de consonantes Índice de transmisión del habla (Speech Transmision Index, STI)

20 Pérdida de articulación de consonantes, AL cons Es uno de los más útiles para la predicción de la inteligibilidad potencial en sistemas de refuerzo sonoro Se trata de un criterio subjetivo que proporciona el porcentaje de consonantes no entendidas en función de la relación campo directo / campo reverberante y del tiempo de reverberación de la sala. Consonantes no entendidas AL cons(%) 100 Consonantes emitidas 0% < Al cons < 10% Inteligibilidad muy buena 10% < Al cons < 15% Inteligibilidad buena 15% < Al cons < 100% Inteligibilidad no aceptable Se asume un nivel de señal en la audiencia suficiente para obtener una relación SNR superior o igual a 25dB Muestra una elevada correlación con los resultados estadísticos de los tests subjetivos de calidad (golden ears) Pérdida de articulación de consonantes, AL cons ALcons (%) La inteligibilidad decrece proporcionalmente al tiempo de reverberación La inteligibilidad decrece según nos alejamos de la fuente sonora (por disminución de la relación campo directo / campo reverberante) hasta llegar a una distancia, que llamaremos distancia límite D L, a partir de la cual ya no varía D L 3.16D c En la distancia límite el campo directo es unos 10dB menor que el reverberante

21 Pérdida de articulación de consonantes, AL cons Metodología de utilización de este criterio Se garantiza una relación señal a ruido mínima de 25dB Se determina la distancia crítica para el altavoz del sistema A partir del T60 se determina a partir de la gráfica la distancia D/DL que permita obtener un Alcons < 10%. Si esa distancia es menor que el punto de audiencia mas lejano será necesario aumentar el nivel de señal directa para aumentar DL hasta que la relación D/DL sea la adecuada Para valores de T60 muy altos pueden requerirse valores de DL también muy altos. En este caso, sino fuese posible conseguir la distancia límite necesaria con un solo altavoz (por limitación del Q), se recurrirá a varios (sistemas distribuidos) Índice de transmisión del habla, STI Se basa en medidas de parámetros objetivos sobre la señal de audio Se mide la inteligibilidad de la señal estudiando la degradación de la señal de intensidad acústica Se construye un modelo de señal acústica de intensidad de voz como una suma de señales moduladas en amplitud Portadoras: ruido rosa en 7 subbandas de octava, desde 125 Hz a 8 KHz Moduladoras: 14 señales de muy baja frecuencia, de 0.63 Hz a 12.5 Hz en bandas de octava Total de señales: 98 índices de modulación La degradación introducida por el ruido, la reverberación, etc., se traduce en cambios de amplitud y del índice de modulación de estas señales, que son medidos y convertidos en un índice de inteligibilidad final

22 Índice de transmisión del habla, STI Valoración de la inteligibilidad con el índice STI Para acelerar la evaluación de la inteligibilidad se ha desarrollado una versión rápida de este criterio, el Rapid Speech Transmision Index, RASTI 5 moduladoras para portadora centrada en 2KHz 4 moduladoras para portadora centrada en 500 HZ Causas de una reducida inteligibilidad Relación SNR pobre Tiempo de reverberación excesivo, especialmente en las bandas de 500Hz y 2KHz. Se reduce la relación entre el campo directo y el reverberante Ecos Se deben generalmente a una mala elección de la localización de los altavoces Alineamiento incorrecto de altavoces Se deteriora el diagrama de radiación de la agrupación de altavoces, reduciendo la relación entre el campo directo y el reverberante en la zona de audiencia Altavoces con bajo Q Altavoces poco directivos reducen la relación de campo directo/campo reverberante Distancia a la fuente Cuando todo lo demás falla, es posible mejorar las características del sistema reduciendo la distancia de la fuente a la audiencia (sistemas distribuidos)

23 Desarrollo del tema Introducción. Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico. Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria. Realimentación y ganancia acústica potencial. Potencia eléctrica necesaria. Sistema de refuerzo sonoro en interiores. Constante acústica de la sala y distancia crítica. Influencia sobre los parámetros de diseño. Criterios de inteligibilidad. Pérdida de articulación de consonantes, AL cons. Medida objetiva de la inteligibilidad. Índice de transmisión del habla, STI, RASTI. Control de la realimentación. Transductores y altavoces directivos. Ecualización y filtros ranura. Interconexión del sistema. Impedancias de entrada y salida. Líneas balanceadas y no balanceadas. Técnicas de interconexión. Puesta a tierra del sistema. Importancia de la puesta a tierra. Procedimientos de puesta a tierra. Realimentación acústica Captación por el micrófono de la señal proveniente del altavoz (de forma directa o a través de reflexiones en el entorno) Condiciones de oscilación: ganancia de lazo unidad y desfase de 2n, n=0,1,2, Si estas condiciones se cumplen a alguna frecuencia el sistema se volverá inestable por oscilación ( acoples ) Los acoples se caracterizan por un pitido ensordecedor que va creciendo a medida que el resto del programa sonoro desaparece por efecto enmascaramiento y pérdida de potencia en las demás frecuencias Los sistemas de sonido son de banda ancha, por lo que si la condición sobre la amplitud de la ganancia de lazo se cumple, la condición de fase se cumplirá a alguna frecuencia se debe ajustar el sistema para ganancia de lazo menor que la unidad

24 Efectos de la realimentación acústica Establece un límite para la ganancia acústica máxima que se puede obtener con el sistema de refuerzo antes de que se produzcan la inestabilidad por oscilación Ganancia acústica potencial (potential acoustic gain, PAG) Antes de que se produzca oscilación la realimentación provoca Coloración de la respuesta en frecuencia pérdida de fidelidad Incremento del tiempo de reverberación pérdida de inteligibilidad Su efecto es peor en sistemas de sonido en interiores que en exteriores, debido a que la presencia del campo reverberante (aproximadamente constante en toda la sala) eleva el nivel producido por los altavoces en los micrófono (eleva la ganancia de lazo del sistema) Control de la realimentación Optimización de las distancias de separación entre micrófonos, altavoces, orador y oyente (geometría del sistema) Utilización de micrófonos y altavoces directivos Ecualización del sistema de sonido, teniendo en cuenta los efectos de la sala Utilización de supresores de realimentación

25 Optimización de la geometría del sistema La PAG depende de características geométricas del sistema. Actuando sobre éstas se puede incrementar su valor Aumentando la separación entre altavoces y micrófonos, D 1 Acercando los altavoces a la audiencia, D 2 Reduciendo la separación entre orador y micrófono D S Aumentando la separación entre orador y oyente D 0. Esta solución no es viable porque implica aumentar D 2 DD DD 0 1 PAG 20log 10log NOM FSM s 2 Optimización de la geometría del sistema Ejemplo: reducción de la realimentación actuando sobre la distancia oradormicrófono Distancia orador-mic: D S = 1m Distancia orador-oyente: D 0 = 7m Distancia altavoz-mic: D 1 = 4m Distancia altavoz-oyente: D 2 = 6m DD DD 0 1 PAG 20 log 10 log NOM FSM 74 PAG 20log 10log16 7.5dB 16 Reducción de la distancia orador-mic de 1m a D S = 0.05m s 2 DD DD 0 1 PAG 20log 10log NOM FSM s PAG 20log 10log dB Incremento de casi 30dB de la ganancia acústica potencial

26 Control de la realimentación Una de las primeras medidas que se toman para aumentar la estabilidad de un sistema de sonido es la de acercar los oradores a los micrófonos Esto genera un problema adicional Las prestaciones del sistema dependen en buena medida de las variaciones de la distancia orador-micrófono Es difícil para el orador mantener una distancia fija entre el micrófono y su boca Como resultado la ganancia variará considerablemente con los movimientos del orador El problema se puede resolver con micrófonos portados por el orador, como los micrófonos de solapa (Lavalier) o los modernos micrófonos de contacto Además de incrementar la PAG, la estabilidad del sistema se puede mejorar reduciendo la NAG necesaria (por ejemplo, convenciendo al orador de que, además de acercarse al micrófono, debe subir su tono de voz) Utilización de micrófonos y altavoces directivos Hasta el momento se ha supuesto que micrófonos y altavoces son omnidireccionales En la práctica se deben utilizar transductores direccionales El altavoz estará orientado con el eje principal (máximo de su diagrama de radiación) orientado hacia la audiencia, por lo que su radiación hacia el micrófono será comparativamente menor margen extra para la PAG El micrófono estará orientado con el máximo de su diagrama apuntando hacia la boca del orador, hacia el interior del escenario, por lo que su captación de señales provenientes del altavoz será comparativamente menor margen extra para la PAG

27 Ganancia acústica potencial Ejemplo Distancia orador-mic: D S = 1m Distancia orador-oyente: D 0 = 7m Distancia altavoz-mic: D 1 = 4m Distancia altavoz-oyente: D 2 = 6m DD DD 0 1 PAG 20 log 10 log NOM FSM s 2 74 PAG 20log 10log16 7.5dB 16 Ganancia acústica potencial SM MS Márgenes adicionales PAG: MS: mic-speaker SM: speaker-mic DD DD 0 1 PAG 20 log 10 log NOM FSM MS SM s PAG 20log 10log dB

28 Ecualización del sistema de sonido La realimentación de un sistema es función de la frecuencia Modelo de un sistema de refuerzo con realimentación Función de transferencia del sistema realimentado (teoría de realimentación) G R ( f) G ( f) 1 ( ) ( ) 0 G 0 f R f Ecualización del sistema de sonido Simplificación: consideremos que se produce realimentación por un único camino j R R e Da( a) Dm( m) R r Despreciando el desfase introducido en los equipos del sistema de sonido G R G0 1 j G R e

29 Ecualización del sistema de sonido Módulo de la respuesta en frecuencia del sistema realimentado Existen frecuencias más cercanas que otras a la condición de oscilación, dependiendo de la geometría del sistema Ecualización del sistema de sonido Mediante técnicas de ecualización se pueden atenuar las frecuencias más cercanas a la realimentación, permitiendo así aumentar la PAG

30 Ecualización del sistema de sonido Desarrollo del tema Introducción. Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico. Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria. Realimentación y ganancia acústica potencial. Potencia eléctrica necesaria. Sistema de refuerzo sonoro en interiores. Constante acústica de la sala y distancia crítica. Influencia sobre los parámetros de diseño. Criterios de inteligibilidad. Pérdida de articulación de consonantes, AL cons. Medida objetiva de la inteligibilidad. Índice de transmisión del habla, STI, RASTI. Control de la realimentación. Transductores y altavoces directivos. Ecualización y filtros ranura. Interconexión del sistema. Impedancias de entrada y salida. Líneas balanceadas y no balanceadas. Técnicas de interconexión. Puesta a tierra del sistema. Importancia de la puesta a tierra. Procedimientos de puesta a tierra

31 Interconexión del sistema En la actualidad, las técnicas de interconexión están estandarizadas en gran medida Aún así, la interconexión inadecuada entre elementos es uno de los principales factores de ruido y problemas de fidelidad en los sistemas de sonido, especialmente en los sistemas móviles Factores más importantes a tener en cuenta en la interconexión entre sistemas Niveles nominales de operación: +4 dbu en sistemas profesionales -10 dbv en sistemas HI-FI y sistemas semiprofesionales Impedancias de entrada/salida Líneas balanceadas o no balanceadas Puesta a tierra del sistema Impedancias de entrada/salida En el pasado se utilizaba adaptación de impedancias a 600 Máxima eficiencia y SNR en telefonía a larga distancia en equipos de válvulas utilizando transformadores de acoplo Z Z i o Z * s Z * L Limitaciones Coloración de la respuesta en frecuencia por variaciones de la impedancia de carga con la frecuencia Derivas por calentamiento Imposibilidad de cargar una salida con varios equipos en paralelo (necesidad de amplificadores de distribución para adaptar impedancias)

32 Impedancias de entrada/salida Adaptación de impedancias R L Vout Rs RL V 6.02dBu R R L L R L Vout Rs RL V 13.98dBu -65- Impedancia de entrada y salida En la actualidad los equipos de audio utilizan acoplo en tensión (transmisión de señal sin potencia) amplificadores de voltaje Vo Av V i Las impedancias de fuente y de carga modifican la ganancia del amplificador V i i V s Z Z s i Z Z V AV L L v i Z o Z L Acoplo en tensión (matching voltage coupling, bridged voltage coupling) A vs V Z Z A V Z Z Z Z L L i v s o L s i Z Z i o Z Z o s Z L A Z vs Av i Z Z 50 Z i o i 10 Z o 5K Equipos de audio -66-

33 Impedancia de entrada y salida Ventajas del acoplo en tensión (matching voltage coupling, bridged voltage coupling) Se evita la coloración por variaciones en frecuencia de la carga y las derivas por variaciones de temperatura Se facilita la conexión de equipos en paralelo sin amplificadores de distribución, adaptación de impedancias o cambios de nivel Reducción del ruido térmico por reducción de las impedancias de fuente (mejora de la SNR en 14dB) Mayor fiabilidad por reducción de la potencia disipada en los equipos Reducción del acoplo inductivo entre los cables (reducción de la diafonía) Reducción de la interferencia de tipo inductivo Se pueden utilizar tiradas de cable superiores a 300 m sin que se produzcan ondas estacionarias A partir de estas distancias los cables se comportan como líneas de transmisión y es necesario adaptar impedancias Impedancia característica de las líneas de audio: Impedancia de entrada y salida Acoplo en tensión R L Vout Rs RL V 0.04dBu R L 2500 R L Vout Rs RL V 0.17dBu

34 Impedancia de entrada y salida Impedancias típicas de equipos de audio Typical output Typical input Entradas/salidas balanceadas y no balanceadas Los amplificadores pueden tener entradas y salidas balanceadas o no balanceadas Ground loop Ground loop Ground loop Entradas/salidas no balanceadas Esquema más simple, típico en equipos HI-FI domésticos Conexiones de 2 hilos: señal (vivo) y referencia (malla de apantallamiento conectada a tierra) Problemas de interferencia electromagnética (EMI) y ruidos de tierra Entradas/salidas balanceadas Sistemas profesionales Conexiones de 3 hilos: par trenzado para señal en modo diferencial y malla de apantallamiento externo Gran capacidad de rechazo de interferencias y ruido por bucles de tierra Entradas/salidas activas (balanceadas electrónicamente mediante amplificadores diferenciales) o balanceadas mediante transformador

35 Referencias de puesta a tierra del sistema Distinguiremos tres tipos de referencia en un sistema de sonido Potencial de referencia de señal ( masa de señal, signal ground): referencia con respecto a la cual se expresan los potenciales de la señal manejada en un equipo o conjunto de equipos Potencial del chasis ( masa del chasis, chasiss ground): potencial eléctrico del chasis (carcasa exterior) de un equipo de audio Potencial de tierra ( tierra, earth ground): potencial eléctrico de la tierra, disponible generalmente de las tomas de corriente AC (cable de tierra) Las conexiones entre estas referencias en el interior de los equipos y en la interconexión entre ellos son de vital importancia para las prestaciones y la seguridad del sistema de sonido Entradas/salidas no balanceadas Conexión formada por dos conductores, uno de ellos con la referencia de señal (tierra de señal) Habitualmente el conductor de referencia hace las funciones de malla de apantallamiento en una configuración de cable coaxial Buen rechazo frente a interferencias electrostáticas Mal rechazo a interferencia electromagnética (EMI) Para que el apantallamiento funcione la malla exterior (referencia de señal) se conecta al chasis del equipo, y éste al potencial de tierra a través del tercer conductor del enchufe AC (por seguridad)

36 Interconexión entre equipos no balanceados Esto da lugar a bucles de tierra cuando se conectan dos equipos entre sí, cerrando la conexión a tierra en dos partes diferentes del circuito Los bucles de tierra se comportan como una antena de lazo, que en sistemas grandes con largas tiradas de cable puede llegar a tener una ganancia importante Problema: el conductor donde se forma el bucle de tierra es a la vez la referencia de señal introducción de ruido en el sistema de sonido (hum) La única posibilidad de reducir el ruido en estos sistemas consiste e minimizar la longitud de las conexiones (3 metros máximo) y evitar tender los cables por alto (lo que crearía una antena de mayor superficie) Ground loop Interconexión entre equipos no balanceados

37 Entradas/salidas balanceadas La señal se introduce en el par de hilos trenzados en modo diferencial (en oposición de fase) El ruido por EMI se induce en ambos cables en modo común (en fase) debido al trenzado y a que la separación entre ambos es despreciable en términos de longitud de onda a las frecuencias de audio La entrada balanceada responde a la diferencia de las señales en el par de hilos V 1 V out V 1 V 2 V V out 2 V out =V1 -V2 Potenciales de referencia en conexiones balanceadas Para que el aislamiento frente a EMI sea bueno, la malla de los cables debe de ser una prolongación de la carcasa exterior de los equipos La malla debe estar conectada al chasis (masa) de los equipos justo en los puntos de entrada y salida de los cables Se pueden formar bucles de tierra al conectar los chasis de los equipos a tierra a través de la alimentación AC Si los equipos balanceados han sido diseñados correctamente estos bucles de tierra no se introducen en la señal de audio Conexión balanceada flotante (sólo válida con transformadores)

38 Potenciales de referencia en conexiones balanceadas La referencia de señal debe estar también conectada al chasis del equipo Los bucles de tierra que recorren el chasis y las mallas de los cables producen interferencias por acoplamiento electromagnético con los circuitos de señal Se podrían generar diferencias de potencial excesivas entre el apantallamiento y la circuitería interna, que podría sobrepasar las capacidades de CMRR de los equipos e incluso provocar arcos voltaicos al interconectar los equipos entre sí Los circuitos balanceados electrónicamente necesitan funcionar con una referencia de señal similar La conexión de la referencia de señal al chasis debe realizarse de modo que se evite la inducción de los bucles de tierra y otras interferencias en los circuitos de señal (típicamente conexión en estrella) El pin 1 del conector (al que se conecta el apantallamiento del cable) debe estar conectado al chasis del equipo justo en el punto de entrada o salida Interconexión entre equipos balanceados Si los equipos están balanceados y las conexiones internas son correctas (apantallamientos conectados a los chasis en el punto de entrada/salida) se obtiene la configuración óptima de interconexión Se minimiza el ruido por EMI y por bucles de tierra, que aunque estarán presentes no se introducirán en el audio al ser rechazados por el CMRR de la entrada diferencial Conexiones en los puntos de entrada/salida

39 Interconexión entre equipos balanceados En muchos equipos profesionales de audio se realiza una conexión errónea de los potenciales de referencia y de los cables de interconexión La malla de apantallamiento del cable se conecta al potencial de referencia de señal en lugar de hacerlo al chasis Esto rompe el apantallamiento y es un punto de entrada de EMI y bucles de tierra (por degradación del CMRR, especialmente en entradas activas) Se trata de un hábito erróneo de interconexión que se hereda de las conexiones no balanceadas, donde la malla sí constituye la referencia de señal EMI Ground loops EMI Interconexión entre equipos balanceados En equipos balanceados con esta configuración (equivocada) es necesario recurrir a técnicas que permitan interrumpir la formación de bucles de tierra La más habitual se denomina malla telescópica (telescoping shielding), que consiste en desconectar la malla del cable (pin 1 del conector XLR) en uno de los extremos Modificando las conexiones del cable Utilizando conmutadores ground-lift que incorporan algunos fabricantes ground lift

40 Interconexión entre equipos balanceados y no balanceados Los equipos balanceados y no balanceados son incompatibles entre sí. Aún así, en situaciones donde sea necesario interconectar ambos tipos de equipos pueden seguirse algunos consejos que minimizan la degradación del sistema de sonido Solución óptima para conexiones no balanceado a balanceado: transformador de aislamiento (direct box) Si no se utiliza transformador, o con conexiones balanceado a no balanceado (peor caso) se pueden seguir los siguientes consejos para realizar el cableado Interconexión entre equipos balanceados y no balanceados No balanceado a balanceado habitual

41 Interconexión entre equipos balanceados y no balanceados Balanceado a no balanceado habitual Desarrollo del tema Introducción. Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico. Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria. Realimentación y ganancia acústica potencial. Potencia eléctrica necesaria. Sistema de refuerzo sonoro en interiores. Constante acústica de la sala y distancia crítica. Influencia sobre los parámetros de diseño. Criterios de inteligibilidad. Pérdida de articulación de consonantes, AL cons. Medida objetiva de la inteligibilidad. Índice de transmisión del habla, STI, RASTI. Control de la realimentación. Transductores y altavoces directivos. Ecualización y filtros ranura. Interconexión del sistema. Impedancias de entrada y salida. Líneas balanceadas y no balanceadas. Técnicas de interconexión. Puesta a tierra del sistema. Importancia de la puesta a tierra. Procedimientos de puesta a tierra

42 Puesta a tierra del sistema En un sistema de sonido puede haber varias referencias de tierra independientes y a distinto potencial Importancia de la puesta a tierra del sistema Proporcionar la referencia de voltaje necesaria para el funcionamiento de los equipos de audio del sistema Drenar a tierra las posibles corrientes inducidas por interferencias electromagnéticas sobre los cables de interconexión Proporcionar una referencia de tierra segura para los usuarios del sistema de sonido El cumplimiento simultáneo de estos objetivos no es sencillo Puesta a tierra del sistema Bucles de tierra Circuitos cerrados de corriente que surgen debido a la existencia de dos o más puestas a tierra diferentes entre dos equipos interconectados

43 Procedimientos de puesta a tierra Potencial de referencia conectado a tierra en un solo punto Líneas balanceadas o no balanceadas Típico en sistemas fijos (estudios, etc.) Muy difícil de implementar en sistemas de directo Procedimientos de puesta a tierra Potencial de referencia conectado a tierra múltiples puntos Típico de sistemas que utilizan equipos no balanceados con el potencial de referencia de señal conectado al chasis Grandes problemas con bucles de tierra

44 Procedimientos de puesta a tierra Conexiones flotantes Líneas balanceadas flotantes mediante transformador Equipos no balanceados con potencial de referencia de señal no conectado al chasis Al no estar blindados los cables a tierra, el rechazo a ruido e interferencias depende exclusivamente de las etapas diferenciales de entrada (caso de equipos balanceados) Gran cantidad de ruido en equipos no balanceados, al no drenar cargas a tierra Procedimientos de puesta a tierra Conexiones con apantallamiento telescópico (telescopic shields) Líneas balanceadas flotantes mediante transformador Blindaje exterior conectado a tierra (chasis) en un extremo, y suelto en el otro Interruptores ground lift para facilitar este tipo de conexión

45 Procedimientos de puesta a tierra Existe bibliografía en la que se recomienda desconectar el cable de tierra de la alimentación AC para evitar que se formen bucles de tierra, especialmente en la interconexión de equipos no balanceados (típicamente amplificadores de escenario) Aunque de este modo ciertamente se eliminan los bucles de tierra, esta práctica resulta MUY PELIGROSA para los usuarios del sistema Si se produce una descarga en un sistema que no está conectado a tierra, el contacto simultáneo entre éste y otro equipo que sí esté puesto a tierra (caso de cualquier micrófono o instrumento conectado a la consola) provocará una descarga nunca debe desactivarse la conexión a tierra en ningún equipo Bibliografía Wolfgang Anhert, Frank Steffen, Sound reinforcement engineering, Spon Press, Capítulos 5 a 7. Glen Ballou, Handbook for sound engineers. The new audio cyclopedia, Focal Press, Capítulo 31. José Luis Sánchez Bote, Sistemas de refuerzo sonoro y megafonía, Servicio de publicaciones UPM, Philip Giddings, Audio Systems. Design and installation, Focal Press, Capítulo 7. Capítulos 9 y 10. Constantino Gil González, Acústica para la palabra, Servicio de publicaciones UPM, Don Davis, Carolyin Davis, Sound system engineering, Focal Press, Capítulos 10 y 11. Gary Davis, Ralph Jones, Sound reinforcement handbook, Hal Leonard Corporation, Capítulos 4 a 6. Capítulo 17. Bobby Owsinski, The mixing engineer's handbook, MixBooks,

46 Bibliografía Recursos en internet