Modelado de sonido

Este artículo está dedicado al tema de los altavoces. Intentaremos desmentir muchos mitos sobre ellos y explicar qué son realmente los altavoces, tanto los tradicionales como los que tienen posibilidad de modelado acústico de haces.

Primero, presentemos algunas definiciones básicas de electroacústica con las que trabajaremos en este artículo. Un altavoz es un único transductor electroacústico que se monta en la carcasa. Solo la combinación de varios altavoces en una carcasa crea un conjunto de altavoces. Un tipo especial de altavoces son los altavoces.

¿Qué es un altavoz?

Un altavoz es para muchas personas cualquier altavoz colocado en una carcasa, pero no es del todo cierto. Una columna de altavoz es un dispositivo de altavoz específico, que en su carcasa tiene de varios a una docena de transductores electroacústicos iguales (altavoces) dispuestos verticalmente. Gracias a esta estructura, es posible crear una fuente con propiedades similares a una fuente lineal, por supuesto para un rango de frecuencia determinado. Los parámetros acústicos de una fuente de este tipo están directamente relacionados con su altura, el número de altavoces colocados en ella y las distancias entre los transductores. Intentaremos explicar el principio de funcionamiento de este dispositivo específico, así como explicar el principio de funcionamiento de las cada vez más populares columnas con haz acústico controlado digitalmente.

¿Qué son los altavoces de modelado de sonido?

Los altavoces encontrados recientemente en nuestro mercado tienen la opción de modelar el haz acústico. Las dimensiones y el aspecto son muy similares a los altavoces tradicionales, muy conocidos y utilizados desde la década de XNUMX. Los altavoces controlados digitalmente se utilizan en instalaciones similares a las de sus predecesores analógicos. Este tipo de dispositivos de megafonía se pueden encontrar, entre otros, en iglesias, terminales de pasajeros en estaciones de ferrocarril o aeropuertos, espacios públicos, canchas y pabellones deportivos. Sin embargo, hay muchos aspectos en los que las columnas de haces acústicos controlados digitalmente superan las soluciones tradicionales.

Aspectos acústicos

Todos los lugares mencionados anteriormente se caracterizan por una acústica relativamente difícil, relacionada con su cubicaje y la presencia de superficies altamente reflectantes, lo que se traduce directamente en el gran tiempo de reverberación RT60s (RT60 “reverbation time”) en estas salas.

Tales salas requieren el uso de dispositivos de altavoz con alta directividad. La relación entre el sonido directo y el reflejado debe ser lo suficientemente alta para que la inteligibilidad del habla y la música sea lo más alta posible. Si usamos altavoces tradicionales con características menos direccionales en una sala acústicamente difícil, puede resultar que el sonido generado se refleje en muchas superficies, por lo que la relación entre sonido directo y sonido reflejado disminuirá significativamente. En tal situación, solo los oyentes que están muy cerca de la fuente de sonido podrán comprender correctamente el mensaje que les llega.

Aspectos arquitectónicos

Para obtener la relación adecuada entre la calidad del sonido generado y el precio del sistema de sonido, se debe utilizar un número reducido de altavoces con un factor Q (directividad) alto. Entonces, ¿por qué no encontramos grandes sistemas de metro o line-array en las instalaciones antes mencionadas, como estaciones, terminales, iglesias? Aquí hay una respuesta muy simple: los arquitectos crean estos edificios guiados en gran medida por la estética. Los grandes sistemas de tubos o los clústeres de matriz lineal no combinan la arquitectura de la sala con su tamaño, por lo que los arquitectos no están de acuerdo con su uso. El compromiso en este caso a menudo eran los altavoces, incluso antes de que se inventaran para ellos los circuitos DSP especiales y la capacidad de controlar cada uno de los controladores. Estos dispositivos se pueden ocultar fácilmente en la arquitectura de la habitación. Por lo general, se montan cerca de la pared y se pueden colorear con el color de las superficies circundantes. Es una solución mucho más atractiva y, sobre todo, más aceptada por los arquitectos.

¡Los arreglos lineales no son nuevos!

El principio de la fuente lineal con cálculos matemáticos y la descripción de sus características de directividad fue muy bien descrito por Hary F. Olson en su libro “Acoustical Engineering”, publicado por primera vez en 1940. Allí encontraremos una explicación muy detallada de los fenómenos físicos que ocurren en los altavoces usando las propiedades de una fuente de línea

La siguiente tabla muestra las propiedades acústicas de los altavoces tradicionales:

Una propiedad desventajosa de los altavoces es que la respuesta de frecuencia de dicho sistema no es plana. Su diseño genera mucha más energía en el rango de baja frecuencia. Esta energía es generalmente menos direccional, por lo que la dispersión vertical será mucho mayor que para frecuencias más altas. Como es sabido, las salas acústicamente difíciles suelen caracterizarse por un largo tiempo de reverberación en el rango de frecuencias muy bajas, lo que, debido al aumento de energía en esta banda de frecuencia, puede resultar en un deterioro de la inteligibilidad del habla.

Para explicar por qué los altavoces se comportan de esta manera, repasaremos brevemente algunos conceptos físicos básicos para los altavoces tradicionales y aquellos con control de haz acústico digital.

Interacciones de fuentes puntuales

• Directividad de dos fuentes

Cuando dos fuentes puntuales separadas por la mitad de la longitud de onda (λ / 2) generan la misma señal, las señales por debajo y por encima de dicha matriz se cancelarán entre sí, y en el eje de la matriz la señal se amplificará dos veces (6 dB).

λ / 4 (un cuarto de la longitud de onda – para una frecuencia)

Cuando dos fuentes están separadas por una longitud de λ / 4 o menos (esta longitud, por supuesto, se refiere a una frecuencia), notamos un ligero estrechamiento de las características direccionales en el plano vertical.

λ / 4 (un cuarto de la longitud de onda – para una frecuencia)

Cuando dos fuentes están separadas por una longitud de λ / 4 o menos (esta longitud, por supuesto, se refiere a una frecuencia), notamos un ligero estrechamiento de las características direccionales en el plano vertical.

λ (una longitud de onda)

Una diferencia de una longitud de onda amplificará las señales tanto vertical como horizontalmente. El haz acústico tomará la forma de dos hojas.

2l

A medida que aumenta la relación entre la longitud de onda y la distancia entre los transductores, también aumenta el número de lóbulos laterales. Para un número y una distancia constantes entre los transductores en sistemas lineales, esta relación aumenta con la frecuencia (aquí es donde las guías de ondas son útiles, muy a menudo utilizadas en conjuntos de arreglos lineales).

Limitaciones de las fuentes de línea

La distancia entre los altavoces individuales determina la frecuencia máxima para la cual el sistema actuará como fuente de línea. La altura de la fuente determina la frecuencia mínima para la cual este sistema es direccional.

Altura de la fuente versus longitud de onda

λ / 2

Para longitudes de onda superiores al doble de la altura de la fuente, apenas hay control de las características direccionales. En este caso, la fuente puede tratarse como una fuente puntual con un nivel de salida muy alto.

λ

La altura de la fuente lineal determina la longitud de onda para la que observaremos un aumento significativo de la directividad en el plano vertical.

2 l

A frecuencias más altas, la altura del haz disminuye. Los lóbulos laterales comienzan a aparecer, pero en comparación con la energía del lóbulo principal, no tienen un efecto significativo.

4 l

La direccionalidad vertical aumenta cada vez más, la energía del lóbulo principal continúa aumentando.

Distancia entre transductores individuales versus longitud de onda

λ / 2

Cuando los transductores no están separados por más de la mitad de la longitud de onda, la fuente crea un haz muy direccional con lóbulos laterales mínimos.

λ

Los lóbulos laterales con energía significativa y medible se forman con una frecuencia creciente. Esto no tiene por qué ser un problema ya que la mayoría de los oyentes están fuera de esta área.

2l

El número de lóbulos laterales se duplica. Es extremadamente difícil aislar a los oyentes y las superficies reflectantes de esta zona de radiación.

4l

Cuando la distancia entre los transductores es cuatro veces la longitud de onda, se producen tantos lóbulos laterales que la fuente comienza a parecerse a una fuente puntual y la directividad cae significativamente.

Los circuitos DSP multicanal pueden controlar la altura de la fuente

El control del rango de frecuencia superior depende de la distancia entre los transductores de alta frecuencia individuales. El desafío para los diseñadores es minimizar esta distancia manteniendo la respuesta de frecuencia óptima y la máxima potencia acústica generada por un dispositivo de este tipo. Las fuentes lineales se vuelven cada vez más direccionales a medida que aumenta la frecuencia. En las frecuencias más altas, son incluso demasiado direccionales para usar este efecto conscientemente. Gracias a la posibilidad de utilizar sistemas DSP y amplificación separados para cada uno de los transductores, es posible controlar el ancho del haz acústico vertical generado. La técnica es simple: simplemente use filtros de paso bajo para reducir los niveles y el rango de frecuencia utilizable para los altavoces individuales en el gabinete. Para alejar el haz del centro de la carcasa, cambiamos la fila de filtros y la frecuencia de corte (la más suave para los altavoces ubicados en el centro de la carcasa). Este tipo de operación sería imposible sin el uso de un amplificador y un circuito DSP separados para cada altavoz en dicha línea.

Un altavoz tradicional le permite controlar un haz acústico vertical, pero el ancho del haz cambia con la frecuencia. En términos generales, el factor de directividad Q es variable e inferior al requerido.

Control de inclinación del haz acústico

Como bien sabemos, a la historia le gusta repetirse. A continuación se muestra un gráfico del libro de Harry F. Olson "Ingeniería acústica". Retrasar digitalmente la radiación de los altavoces individuales de una fuente de línea es exactamente lo mismo que inclinar físicamente la fuente de línea. Después de 1957, la tecnología tardó mucho en hacer uso de este fenómeno, manteniendo los costos en un nivel óptimo.

Las fuentes de línea con circuitos DSP resuelven muchos problemas arquitectónicos y acústicos

• Factor Q de directividad vertical variable del haz acústico radiado.

Los circuitos DSP para fuentes de línea permiten cambiar el ancho del haz acústico. Esto es posible gracias a la verificación de interferencias para altavoces individuales. La columna ICONYX de la empresa estadounidense Renkus-Heinz le permite cambiar el ancho de dicho haz en el rango: 5, 10, 15 y 20 °, por supuesto, si dicha columna es lo suficientemente alta (solo la carcasa IC24 le permite para seleccionar un haz con un ancho de 5 °). De esta forma, un haz acústico estrecho evita reflejos innecesarios en el suelo o el techo en salas muy reverberantes.

Factor Q de directividad constante con frecuencia creciente

Gracias a circuitos DSP y amplificadores de potencia para cada uno de los transductores, podemos mantener un factor de directividad constante en un amplio rango de frecuencias. No solo minimiza los niveles de sonido reflejados en la habitación, sino también una ganancia constante para una amplia banda de frecuencias.

Posibilidad de dirigir el haz acústico independientemente del lugar de instalación

Aunque el control del haz acústico es simple desde el punto de vista del procesamiento de la señal, es muy importante por razones arquitectónicas. Tales posibilidades llevan al hecho de que sin la necesidad de inclinar el altavoz físicamente, creamos una fuente de sonido agradable a la vista que se mezcla con la arquitectura. ICONYX también tiene la capacidad de establecer la ubicación del centro del haz acústico.

El uso de fuentes lineales modeladas

• Iglesias

Muchas iglesias tienen características similares: techos muy altos, superficies reflectantes de piedra o vidrio, sin superficies absorbentes. Todo esto provoca que el tiempo de reverberación en estas salas sea muy largo, llegando incluso a unos pocos segundos, lo que hace que la inteligibilidad del habla sea muy pobre.

• Instalaciones de transporte público

Los aeropuertos y las estaciones de tren se terminan muy a menudo con materiales con propiedades acústicas similares a las que se utilizan en las iglesias. Las instalaciones de transporte público son importantes porque los mensajes sobre llegadas, salidas o retrasos que llegan a los pasajeros deben ser comprensibles.

• Museos, Auditorios, Lobby

Muchos edificios de menor escala que el transporte público o las iglesias tienen parámetros acústicos desfavorables similares. Los dos desafíos principales para las fuentes de línea modeladas digitalmente son el largo tiempo de reverberación que afecta negativamente a la inteligibilidad del habla y los aspectos visuales, que son tan importantes en la selección final del tipo de sistema de megafonía.

Criterio de diseño. Potencia acústica de banda completa

Cada fuente de línea, incluso aquellas con circuitos DSP avanzados, solo se pueden controlar dentro de un cierto rango de frecuencia útil. Sin embargo, el uso de transductores coaxiales que forman un circuito de fuente de línea proporciona una potencia acústica de rango completo en un rango muy amplio. Por lo tanto, el sonido es claro y muy natural. En aplicaciones típicas para señales de voz o música de rango completo, la mayor parte de la energía está en el rango que podemos controlar gracias a los controladores coaxiales incorporados.

Control total con herramientas avanzadas

Para maximizar la eficiencia de una fuente lineal modelada digitalmente, no es suficiente usar solo transductores de alta calidad. Después de todo, sabemos que para tener control total sobre los parámetros del altavoz, debemos usar electrónica avanzada. Tales suposiciones forzaron el uso de circuitos de amplificación multicanal y DSP. El chip D2, utilizado en los altavoces ICONYX, proporciona amplificación multicanal de rango completo, control total de los procesadores DSP y, opcionalmente, varias entradas analógicas y digitales. Cuando la señal PCM codificada se envía a la columna en forma de señales digitales AES3 o CobraNet, el chip D2 la convierte inmediatamente en una señal PWM. Los amplificadores digitales de primera generación convirtieron la señal PCM primero en señales analógicas y luego en señales PWM. Esta conversión A/D – D/A desafortunadamente aumentó considerablemente el costo, la distorsión y la latencia.

Flexibilidad

El sonido claro y natural de las fuentes lineales modeladas digitalmente hace posible el uso de esta solución no solo en instalaciones de transporte público, iglesias y museos. La estructura modular de las columnas ICONYX permite montar fuentes lineales según las necesidades de una estancia determinada. El control de cada elemento de dicha fuente proporciona una gran flexibilidad al establecer, por ejemplo, muchos puntos, donde se crea el centro acústico del haz radiado, es decir, muchas fuentes lineales. El centro de dicha viga se puede ubicar en cualquier lugar a lo largo de toda la altura de la columna. Es posible debido a que se mantienen pequeñas distancias constantes entre los transductores de alta frecuencia.

Los ángulos de radiación horizontal dependen de los elementos de la columna.

Al igual que con otras fuentes de línea vertical, el sonido del ICONYX solo puede controlarse verticalmente. El ángulo del haz horizontal es constante y depende del tipo de transductores utilizados. Los utilizados en la columna IC tienen un ángulo de haz en una amplia banda de frecuencias, las diferencias están en el rango de 140 a 150 Hz para sonido en la banda de 100 Hz a 16 kHz.

El amplio ángulo de radiación da una mayor eficiencia

La amplia dispersión, especialmente a altas frecuencias, asegura una mejor coherencia e inteligibilidad del sonido, especialmente en los límites de la característica de directividad. En muchas situaciones, un ángulo de haz más amplio significa que se utilizan menos altavoces, lo que se traduce directamente en ahorros.

Las interacciones reales de las pastillas.

Sabemos muy bien que las características de directividad de un altavoz real no pueden ser uniformes en todo el rango de frecuencias. Debido al tamaño de dicha fuente, se volverá más direccional a medida que aumente la frecuencia. En el caso de los altavoces ICONYX, los altavoces utilizados en el mismo son omnidireccionales en la banda de hasta 300 Hz, semicirculares en el rango de 300 Hz a 1 kHz, y para la banda de 1 kHz a 10 kHz, la característica de directividad es cónica y sus ángulos de haz son 140° × 140°. Por lo tanto, el modelo matemático ideal de una fuente lineal compuesta de fuentes puntuales omnidireccionales ideales diferirá de los transductores reales. Las mediciones muestran que la energía de radiación hacia atrás del sistema real es mucho menor que la modelada matemáticamente.

Fuente de línea ICONYX @ λ (longitud de onda)

Podemos ver que las vigas tienen una forma similar, pero para la columna IC32, cuatro veces más grande que la IC8, la característica se estrecha significativamente.

Para la frecuencia de 1,25 kHz, se crea un haz con un ángulo de radiación de 10 °. Los lóbulos laterales son 9 dB menos.

Para la frecuencia de 3,1 kHz vemos un haz acústico bien enfocado con un ángulo de 10 °. Por cierto, se forman dos lóbulos laterales, que se desvían significativamente del haz principal, esto no causa efectos negativos.

Directividad constante de las columnas ICONYX

Para la frecuencia de 500 Hz (5 λ), la directividad es constante a 10°, lo que fue confirmado por simulaciones previas para 100 Hz y 1,25 kHz.

La inclinación del haz es un simple retardo progresivo de altavoces sucesivos

Si inclinamos físicamente el altavoz, cambiamos los controladores subsiguientes en el tiempo en relación con la posición de escucha. Este tipo de cambio provoca la "pendiente de sonido" hacia el oyente. Podemos conseguir el mismo efecto colgando el altavoz de forma vertical e introduciendo retardos crecientes para los drivers en la dirección en la que queremos dirigir el sonido. Para una dirección (inclinación) efectiva del haz acústico, la fuente debe tener una altura igual al doble de la longitud de onda para la frecuencia dada.

Con la estructura modular de las columnas ICONYX, es posible inclinar la viga de manera efectiva para:

• IC8: 800Hz

• IC16: 400Hz

• IC24: 250Hz

• IC32: 200Hz

BeamWare: software de modelado de vigas de columna ICONYX

El método de modelado descrito anteriormente nos muestra qué tipo de acción sobre la señal digital debemos aplicar (filtros de paso bajo variables en cada altavoz de la columna) para obtener los resultados esperados.

La idea es relativamente simple: en el caso de la columna IC16, el software debe convertir y luego implementar dieciséis configuraciones de filtro FIR y dieciséis configuraciones de retardo independientes. Para transferir el centro acústico del haz radiado, utilizando la distancia constante entre los transductores de alta frecuencia en la carcasa de la columna, necesitamos calcular e implementar un nuevo conjunto de configuraciones para todos los filtros y retardos.

Es necesario crear un modelo teórico, pero hay que tener en cuenta que los altavoces en realidad se comportan de forma diferente, más direccional, y las mediciones demuestran que los resultados obtenidos son mejores que los simulados con algoritmos matemáticos.

Hoy en día, con un desarrollo tecnológico tan grande, los procesadores de las computadoras ya están a la altura. BeamWare utiliza una representación gráfica de los resultados de los resultados ingresando gráficamente información sobre el tamaño del área de escucha, la altura y la ubicación de las columnas. BeamWare le permite exportar fácilmente la configuración al software acústico profesional EASE y guardar directamente la configuración en los circuitos DSP de la columna. El resultado de trabajar con el software BeamWare son resultados predecibles, precisos y repetibles en condiciones acústicas reales.

ICONYX: una nueva generación de sonido

• Calidad de sonido

El sonido del ICONYX es un estándar desarrollado hace mucho tiempo por el productor Renkus-Heinz. La columna ICONYX está diseñada para reproducir tanto señales de voz como música de rango completo de la mejor manera.

• Amplia dispersión

Es posible gracias al uso de altavoces coaxiales con un ángulo de radiación muy amplio (incluso hasta 150° en el plano vertical), especialmente para el rango de frecuencia más alto. Esto significa una respuesta de frecuencia más consistente en toda el área y una cobertura más amplia, lo que significa usar menos altavoces de este tipo en las instalaciones.

• Flexibilidad

El ICONYX es un altavoz vertical con controladores coaxiales idénticos colocados muy cerca uno del otro. Debido a las pequeñas y constantes distancias entre los altavoces de la carcasa, el desplazamiento del centro acústico del haz radiado en el plano vertical es prácticamente arbitrario. Este tipo de propiedades son muy útiles, especialmente cuando las restricciones arquitectónicas no permiten la ubicación adecuada (altura) de las columnas en el objeto. El margen para la altura de la suspensión de tal columna es muy grande. El diseño modular y la completa capacidad de configuración le permiten definir varias fuentes de línea con una columna larga a su disposición. Cada haz radiado puede tener un ancho diferente y una pendiente diferente.

• Costos mas bajos

Una vez más, gracias al uso de altavoces coaxiales, cada altavoz ICONYX le permite cubrir un área muy amplia. Sabemos que la altura de la columna depende de cuantos módulos IC8 conectemos entre sí. Tal estructura modular permite un transporte fácil y económico.

Las principales ventajas de las columnas ICONYX

• Control más efectivo de la radiación vertical de la fuente.

El tamaño del altavoz es mucho más pequeño que los diseños anteriores, pero mantiene una mejor directividad, lo que se traduce directamente en inteligibilidad en condiciones de reverberación. La estructura modular también permite configurar la columna de acuerdo con las necesidades de la instalación y las condiciones financieras.

• Reproducción de audio de rango completo

Los diseños de altavoces anteriores habían producido resultados poco satisfactorios con respecto a la respuesta de frecuencia de tales altavoces, ya que el ancho de banda de procesamiento útil estaba en el rango de 200 Hz a 4 kHz. Los altavoces ICONYX son una construcción que permite la generación de sonido de rango completo en el rango de 120 Hz a 16 kHz, manteniendo un ángulo de radiación constante en el plano horizontal en todo este rango. Además, los módulos ICONYX son electrónica y acústicamente más eficientes: son al menos 3-4 dB "más fuertes" que sus predecesores de tamaño similar.

• Electrónica avanzada

Cada uno de los convertidores de la carcasa está accionado por un circuito amplificador y un circuito DSP independientes. Cuando se utilizan entradas AES3 (AES/EBU) o CobraNet, las señales son “digitalmente claras”. Esto significa que los circuitos DSP convierten directamente las señales de entrada PCM en señales PWM sin conversión A/D y C/A innecesaria.

• Circuitos DSP avanzados

Los algoritmos avanzados de procesamiento de señales desarrollados especialmente para las columnas ICONYX y la interfaz BeamWare amigable a la vista facilitan el trabajo del usuario, gracias a lo cual se pueden utilizar en una amplia gama de sus posibilidades en muchas instalaciones.

Suma

Este artículo está dedicado a un análisis detallado de los altavoces y al modelado de sonido con circuitos DSP avanzados. Vale la pena enfatizar que la teoría de los fenómenos físicos que utilizan altavoces tanto tradicionales como modelados digitalmente ya se describió en los años 50. Solo con el uso de componentes electrónicos mucho más baratos y mejores es posible controlar completamente los procesos físicos en el procesamiento de señales acústicas. Este conocimiento está generalmente disponible, pero todavía nos encontramos y nos encontraremos con casos en los que la falta de comprensión de los fenómenos físicos conduce a errores frecuentes en la disposición y ubicación de los altavoces, un ejemplo puede ser el montaje a menudo horizontal de los altavoces (por razones estéticas).

Por supuesto, este tipo de acciones también se utilizan de forma consciente, y un ejemplo interesante de ello es la instalación horizontal de columnas con altavoces hacia abajo en los andenes de las estaciones de tren. Al usar los altavoces de esta manera, podemos acercarnos al efecto “ducha”, donde, al salir del alcance de dicho altavoz (el área de dispersión es la carcasa de la columna), el nivel de sonido cae significativamente. De esta forma, se puede minimizar el nivel de sonido reflejado, consiguiendo una mejora significativa en la inteligibilidad del habla.

En aquellos tiempos de electrónica altamente desarrollada, encontramos cada vez más soluciones innovadoras que, sin embargo, utilizan la misma física que se descubrió y describió hace mucho tiempo. El sonido modelado digitalmente nos brinda increíbles posibilidades para adaptarnos a salas acústicamente difíciles.

Los productores ya están anunciando un gran avance en el control y la gestión del sonido, uno de esos acentos es la aparición de altavoces completamente nuevos (modular IC2 de Renkus-Heinz), que se pueden ensamblar de cualquier manera para obtener una fuente de sonido de alta calidad. totalmente gestionado siendo una fuente y un punto lineales.