Conceptos Técnico: Diseño de Sistemas de Sonido

- Potencia Admisible:
Las potencias que sean capaces de soportar los diferentes componentes del gabinete deben mantener una relación equilibrada, por lo que es necesario aumentarla a medida que disminuye el rango de frecuencias de los transductores. El resultado del conjunto debe hallarse en concordancia con las necesidades de la instalación, tamaño de la audiencia, tipo de programa,
etc.

Normalmente, se intercala en el sistema un procesador que permita la compresión del rango dinámico. En general, desde el punto de vista del gabinete, la compresión de los niveles de presión sonora moderadamente altos no representan un problema, mientras que la destrucción de sus componentes por un exceso de potencia, no permitirá reproducir señal alguna.

Sensibilidad y Eficiencia

La decisión entre el uso de un parlante grande o uno chico dependerá de la potencia y del nivel de presión sonora necesarios para una correcta audición. Los parlantes grandes son eficientes, es decir, capaces de producir de 95 a 100 dB a 1 m. de distancia para 1 W eléctrico aplicado. Los pequeños, menos eficientes, en el mismo ancho de banda producirán entre 82 y 90 dB / 1 m. / 1 W. En resumen, los primeros presentan 10 dB o más de sensibilidad que los segundos.

A fin de poder seleccionar correctamente las sensibilidades necesarias para los niveles deseables de un sistema, debemos tener presente que:

A) El nivel SPL para una potencia PX (W) se calcula como:
SPLX = SPL1m + 10 log (PX/1W)

B) El nivel SPL a x metros de la fuente, para 1 W eléctrico, se calcula como:
SPLX = SPL1m + 10 log (1 m /x)2

Ejemplo de cálculo:
En un control de estudio es común tener valores que superan los 100 dB de nivel promedio. Teniendo en cuenta que en una cinta master o en una grabación digital, los valores picos se encuentran entre 15 y 20 dB sobre el promedio y aplicando las ecuaciones dadas, podemos plantear dos casos:

Caso 1: Sensibilidad de los parlantes: 85 dB/ W/ m.
• Para este valor de sensibilidad, a 3 metros del gabinete tendremos alrededor de 75 dB para 1 W eléctrico, por lo que para llevar el nivel a 90dB, necesitaremos + 15 dB o 32 W promedio y para asegurar los picos de +20 dB adicionales, 3200 W, es decir un valor inadmisible.

Caso 2: Sensibilidad de los parlantes: 98 dB/ W/ m.
• A 3m. tendremos 88 dB y +2dB o 1,6 W para llegar al valor propuesto de 90 dB.
• El valor pico de +20 dB requerirá 160 W, valor éste mucho más accesible.
• La conclusión final es que la ilusión de una audición de alta fidelidad requiere al menos de dos factores: buena respuesta y capacidad de rango dinámico, lo que incluye una buena respuesta a los picos con baja distorsión.
• Este comportamiento no se logra fácilmente con parlantes chicos por lo que los grandes resultarán la mejor elección.

Divisores pasivos

Un divisor pasivo es aquél que no requiere alimentación externa, siendo su proposito ordenar el funcionamiento de los distintos radiadores que integran un sistema. Cada transductor, sea dinámico, electrostático, magnético o piezo, es capaz de producir solo un limitado rango de frecuencias, por lo que su utilización fuera de éste, deteriorara el rendimiento, la potencia y la respuesta.

Esto es la razón por la que un sistema de parlantes se construya utilizando múltiples transductores optimizados para un rango específico de frecuencias, de tal manera que el conjunto cubra el espectro completo. Los divisores (Crossovers) direccionan la potencia entrante hacia el
transductor apropiado, de acuerdo a sus características de respuesta en frecuencia.

Debido a su naturaleza, está formado por un conjunto de filtros eléctricos.
• Su otra función es la de proteger los transductores.
• Una nota baja de alta potencia puede destruir facilmente el delicado domo de un tweeter dinámico, independientemente de que éste no sea capaz de reproducirla.
• Un divisor de frecuencias pasivo (passive crossover network) es un circuito con dos o más componentes reactivos, es decir un filtro eléctrico que asigna a cada reproductor la banda apropiada de frecuencia de la señal, luego de ser amplificada.
• Los divisores, así como otros tipos de filtros, poseen distintas formas de respuesta en la zona de cruce o frecuencia de corte (lugar donde la amplitud disminuye en 3 dB) y en la caída o pendiente.

El esquema representa un filtro simple de dos vías, un polo, que separa la señal de audio en dos, una de baja y otra de alta frecuencia. Debemos observar que la pendiente de 6 dB por octava, es pobre para este tipo de sistema.

De acuerdo al orden del filtro, después de la frecuencia de corte la respuesta caerá a razón de 6 dB por octava o 10 dB por década, por cada orden de magnitud del mismo. De esta forma, un filtro de primer orden tendrá una pendiente de 6 dB / oct, uno de segundo orden 12 dB / oct. y sucesivamente. La respuesta del divisor es importante por dos motivos:


En primer lugar la combinación de dos respuestas en la frecuencia de cruce, determinará la respuesta final del mismo. En segundo término, la forma de ésta es un indicativo de la cantidad de energía reactiva que manejan sus componentes a las frecuencias de resonancia.



En general, deberán cumplir con las siguientes características:
-Respuesta combinada plana: La suma de las respuestas de los transductores, supuestos perfectos y de igual rendimiento, a la salida del filtro, debe reconstruir la señal original.
- Impedancia constante: Vista desde el lado del amplificador.
- Variación rápida con la frecuencia (alta pendiente): De lo contrario, cada parlante deberá rendir muy bien para frecuencias alejadas de la de corte.

Los filtros responden a funciones matemáticas complejas, con las que se obtienen distintas características de funcionamiento, entre las que podemos mencionar:
- Filtros Bessel (de cualquier orden): Presentan una pendiente muy gradual con un cambio de fase eléctrica suave en el cruce. Estos filtros suelen ser utilizados en líneas de retardo pasivas debido a la atenuación reactiva que presentan por encima de la frecuencia de corte.
- Filtros Chebychev: Presentan un incremento de su respuesta (un pico), antes del cruce, para luego caer abruptamente. Normalmente se los diseña con sobrepicos de 1 a 3 dB. El corte es rápido a expensas de generar transitorios en el cruce, los que distorsionan la señal.
- Filtros Butterworth: Presentan una respuesta plana sin sobrepicos anteriores a la frecuencia de corte. La atenuación, no tan alta como la del filtro Bessel, es buena, ofreciendo excelentes formas de combinación. En la actualidad constituyen la mejor opción.

Considerando el grado de atenuación y el comportamiento de los diferentes filtros, la tabla indica sus principales características. La figura grafica el comportamiento en el cruce, de un filtro de 6dB/octava y otro de 12 dB/octava.

Los consumidores de equipos de audio domésticos utilizan, generalmente, redes pasivas, las que se instalan entre el amplificador y los transductores. Estas redes se fabrican para manejar grandes potencias y poseen inductores, capacitores y resistores de valores altos. El tweeter utiliza un filtro pasa altos, el woofer un pasa bajos y tantos pasabandas como parlantes de rango medio existan.

• Entre sus características eléctricas debemos mencionar:
+ Frecuencia y pendiente de corte.
+ Ripple del pasabanda.
+ Respuesta de fase.

Dado que las redes se encuentran instaladas despues del amplificador, disipan una gran cantidad de potencia. A mayor pendiente de corte, mayor cantidad de componentes y más consumo de energía. Estos componentes no son, en general, de gran precisión, resultando filtros imprecisos, difíciles de corregir una vez instalados. A esto debe agregarse los atenuadores resistivos necesarios para limitar la potencia que llega a los tweeter. El mayor problema de estos filtros es que aislan los radiadores del amplificador.

La impedancia del altoparlante varía con la frecuencia, dado que es un elemento reactivo. Los filtros pasivos se diseñan para ofrecer una carga resistiva, invariable con la frecuencia. Cuando la impedancia de la carga varía, la respuesta del filtro cambia, cayendo rápidamente fuera de las especificaciones. La única solución consiste en incluir un corrector de impedancia sobre el altoparlante el que consumirá mas energía introduciendo mayor distorsión.

Redes de cruce pasivas (Crossovers)

Las redes de cruce pasivas pueden ser armadas sobre placas de circuito impreso perforadas (veroboard). En caso de gabinetes para transportar, es conveniente fijarla rígidamente al mismo y anclar sus componentes. A efectos de su armado y prueba, es útil recordar que se debe prestar
cuidadosa atención al circuito, verificar las conexiones de fase de los altoparlantes y al probarlo, excitar al sistema con muy baja potencia.

La tabla sugiere algunos valores comunes de componentes para sistemas de dos y tres vías, que deberán ser verificados en el diseño y medición del mismo.

Nota 1: El valor de los capacitores está expresado en μF, con una tolerancia del 20%, del tipo no polarizados y una corriente de ripple de por lo menos 1000 mA.

Nota 2: La tensión deberá ser la suficiente para aceptar la potencia del amplificador, tal como se indica en la tabla.

Nota 3: La misma se puede calcular con:

Nota 4: El valor de los inductores se halla expresado en mHy, con tolerancia del 5%, bobinados al aire y con valor de resistencia de CC menor a 0,6 ohms.

Las figuras muestran la forma de conexionado.

Cálculo de redes de cruce pasivas

Las redes de cruce pueden ser calculadas siguiendo los lineamientos generales de las fórmulas que se indican a continuación, teniendo en consideración que:

Un parlante de determinada impedancia nominal, por ejemplo 8 ohms, solo tendrá este valor en su banda de pistón, fuera de la cual será afectada por su resonancia o por la contribución de la reactancia de la bobina movil, por lo que el diseño final deberá ser la resultante del método de "prueba y error".

Las diagramas adjuntos reproducen distintos tipos de redes y sus ecuaciones de cálculo.

Denominamos:
R: Impedancia nominal del altoparlante.
fc: frecuencia de cruce.

Sistemas activos

Los sistemas activos pueden ser divisores de frecuencia que operan al nivel de línea, o procesadores electrónicos de señal que alimentan los amplificadores dedicados a los transductores específicos para cada rango. Estos sistemas, a pesar de ser más caros, ofrecen varias ventajas respecto de los pasivos, entre las que debemos destacar:

Flexibilidad:
En la mayoría de las redes de cruce (crossovers) activas y procesadores modernos, las frecuencias e inclusive las pendientes, pueden modificarse fácilmente. En todos los casos, el divisor siempre maneja el mismo nivel de línea. Por otra parte, la potencia del sistema siempre puede variarse, aumentando o disminuyendo la cantidad de amplificadores y parlantes del mismo.

Control:
Estas redes pueden ser instaladas cerca de otros procesadores y de la consola de mezcla, de manera tal de tener un control completo del sistema, por lo que la frecuencia de cruce y el nivel de cada rango puede ser manejado con comodidad. Por otra parte, la facilidad de acceso a los diferentes rangos de división de frecuencias, permite agregar al sistema otros procesadores tal como compresores, ecualizadores o retardos de tiempo, imposible de realizar con divisores pasivos.

Protección:
Los driver de compresion y los tweeter no deben ser conectados directamente a los amplificadores. Se debe instalar capacitores en serie. Los pulsos de encendido del sistema pueden facilmente dañarlos. Este capacitor agrega 6 dB extra de pendiente en el crossover.

Independencia de la impedancia

Los divisores pasivos se diseñan para ser utilizados con componentes de determinada impedancia. Si el valor de estas impedancias cambian, las frecuencias de cruce y los Q del filtro, es decir su respuesta y amortiguamiento, también lo hacen. Por ejemplo: reemplazar un driver de 8 Ω por otro de 16 Ω degradará la respuesta en frecuencia debido al desplazamiento de la frecuencia de cruce, apareciendo transitorios por sobrepicos.

En un sistema activo, el cambio de impedancia de los reproductores no afectará en lo más mínimo al divisor, dado que no se haya directamenteconectado. La impedancia de un altoparlante varía dentro del rango de frecuencia de uso y los divisores pasivos se diseñan para el valor mínimo que ésta alcanza en ese rango o para su valor de resistencia en continua. Por el contrario, los sistemas activos no se ven afectados por los cambios de impedancia de los transductores, mientras el amplificador tenga un buen amortiguamiento (damping).

Por último, es importante el hecho de que no se introducen componentes pasivos en serie. Esto mejora la calidad del sonido, particularmente en baja frecuencia, dado que no se reduce el factor de amortiguamiento. Los circuitos pasivos incluyen grandes inductores que, en serie con los woofers, disminuyen este factor. Cuanto más baja sea la frecuencia de cruce y mayor la pendiente, más inductancia se necesitará, lo que empeorará la situación. El uso de alambres de mayor sección y núcleos de aire reducen este efecto, pero encarecen el diseño.

Cuanto mas facilmente pueda el amplificador suministrar la corriente variable sin cambios importantes en la tensión aplicada al parlante, mejor éste podrá reproducir lo que el amplificador está intentando pedirle que haga. La razon por la que el parlante requiere mas o menos corriente, función de la tensión aplicada, es que la impedancia del sistema radiador cambia, dependiendo de: la dirección en que se esté moviendo cuando se aplica la tensión, lo rápido que se esté moviendo en esa dirección y donde se encuentraba en primer lugar.

Esto ayuda a visualizar que la aplicación de una tensión al radiador es para colocar el cono en una posición determinada siendo el factor de amortiguamiento el que decide la dificultad en hacerlo. Otra forma de verlo es que cuando el cono se mueve, reproduciendo el programa, su impedancia varía. En un momento puede valer 6 ohms y en el siguiente 40 ohms.
El factor de amortiguamiento es la relación entre la impedancia específica de la carga en uso (del sistema radiador) dividida la impedancia de salida del amplificador (interna). Para explicarlo, evitaremos la idea de impedancia con sus componentes resistivos, inductivos y capacitivos, algunos de los cuales varian con la frecuencia, y usaremos elementos resistivos puros.

Para una impedancia de carga resistiva de 8 ohms y una de salida de 4 ohms (excesivamente alta), ambas perfectas, el factor será:
8 / 4 = 2

Si esta última pasa a valer 0,1 ohms, tendremos:
8 / 0,1 = 80

A medida que esta relación aumenta, la impedancia de salida del amplificador disminuye, lo que es bueno. Si el amplificador posee un factor bajo, significa que la impedancia interna es alta, lo que reducirá su capacidad de suministrar corriente y su habilidad para controlar el parlante.

Impedancia variable

En realidad, los parlantes no son una carga resistiva pura. Algunas veces la carga es capacitiva, otras inductivas, otras resistivas y otras mixtas. A esto debemos agregar los cables, las conexiones, la red de cruce, las características del gabinete, el tipo de tweeter, etc.
Esto tiene serias consecuencias, dado que a medida que la frecuencia varía, la impedancia del parlante también varía, por lo que un solo número no describe correctamente su comportamiento, por lo que se necesitaría una curva en función de la frecuencia. En realidad, esta curva es absolutamente imprecisa debido a la cantidad de factores que intervienen en su modificación. Un número solo sirve para comparar y eventualmente, cuando este es alto, nos indicará en cuanto afectará a la distorsión del sistema.