ea tema6 02 - tsc.unex.estsc.unex.es/~tabo/ea/ea_tema6_02_2h.pdf · sistemas de refuerzo sonoro ......

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Introducción

SonorizaciónReproducción del sonido en un determinado área (área de audiencia) mediante medios artificiales (sistemas de refuerzo sonoro y megafonía)

Objetivos de un sistema de sonorizaciónAlcanzar 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 inteligibilidadRecubrimiento uniforme

Elementos de un sistema de refuerzoAcústicos: características acústicas del entorno a sonorizarElectroacústicos: micrófonos y altavocesEquipos de audio: mesas, ecualizadores, equipos de procesado, amplificadoresConexionado: cables, conectores

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Sistemas de sonorización

Sistemas de refuerzo sonoroBuena fidelidad, inteligibilidad, nivel sonoro y recubrimientoSalas de conferencias, teatros, conciertos al aire libre, etc.Sonorización de locales comerciales

Sistemas de megafoníaBuena inteligibilidad y recubrimiento, no tan importante la fidelidadSonorización de estaciones de tren, aeropuertos, etc.

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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, ALcons.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.

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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

Ley de atenuación con la distancia: atenuación proporcional al cuadrado de la distancia

020 logmicp p

S

DL LD

Lp

Lpmic

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Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria

Ganancia acústicaEs 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

Ganancia acústica necesaria (Needed Acoustic Gain, NAG)Para un nivel dado producido por el orador en el micrófono, Lpmic, con el sistema apagado se tiene que el nivel en el oyente es

Si se desea un nivel Lp en la audiencia

¿Cómo determinamos Lp?

AGON OFFp pL L

20logOFF

op pmic

s

DL LD

NAGOFFp pL L

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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 (EquivalentAcoustic Distance, EAD)

En ambos casos son importantes otros factores como el recubrimiento de toda la zona de audiencia

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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 D0

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 20logEAD

oD

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Ejemplo 1

7EAD 3 NAG 20log 7.5dB3

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Ejemplo 2En un ambiente más ruidoso no será suficiente con una EAD de 3m para obtener una buena inteligibilidadUn criterio ampliamente aceptado para tener una buena inteligibilidad es que la relación SNR debe ser de 25dB o superiorSi 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 confortableVeamos a qué distancia acústica equivalente (EAD) se corresponden 80dB

1520

1m 65dB

' 80dB ¿ ' ?

'' 20 log

' 20 log 20log '

20 log ' ' 20 log 65 80 0 15

' 10 0.17m EAD 0.17m

p

p

p p

p p

p p

D LL D

DL LD

L L D DD L L D

D

7EAD 0.17 NAG 20log 32dB0.17

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Distancia acústica equivalente (EAD) en función del tipo de voz y del ruido ambiente, para una SNR de 25 dBObsérvese que se cumple la ley de -6dB/dd, lo que indica la situación de campo directoPara entrar en la tabla se suman 25dB al nivel de ruido de ambiente

0.17m

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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 2 n, 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

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Realimentación y ganancia acústica potencial

Efectos de la realimentación acústicaEstablece 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 fidelidadIncremento del tiempo de reverberación pérdida de inteligibilidad

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Ganancia acústica potencial

Es la ganancia acústica máxima que podemos proporcionar al sistema de refuerzo sin que éste se vuelva inestable por la realimentaciónA 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)

NAG > PAG, sistema no viable (inestabilidad por realimentación)

, 1

0 1

2

20 logON GL OFFp p

s

D DPAG L LD D

Lpmic Lp OFF

Lp ON, GL=1

20logOFF

op pmic

s

DL LD

, 1

2

1

20 logON GLp pmic

DL LD

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Ejemplo

En el ambiente poco ruidoso, NAG = 7.5dB < PAG Sistema viableEn el ambiente ruidoso (50dBA), NAG = 32dB > PAG Sistema no viable

0 1

2

PAG 20log

7 4PAG 20log 13.5dB1 6

s

D DD D

Distancia orador-mic: DS = 1m

Distancia orador-oyente: D0 = 7m

Distancia altavoz-mic: D1 = 4m

Distancia altavoz-oyente: D2 = 6m

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Número de micrófonos “abiertos” (Number of Microphones, NOM)Cada micrófono abierto en un escenario aumenta las posibilidades de realimentación y reduce la PAG

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 recintosSe suele considerar un margen de estabilidad de 6 a 10 dB para evitar estos problemas

0 1

2

PAG 20log 10log NOMs

D DD D

0 1

2

PAG 20log 10log NOM FSMs

D DD D

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Ejemplo

En el ambiente poco ruidoso, NAG = 7.5dB = PAG Sistema viable ?En el ambiente ruidoso (50dBA), NAG = 32dB > PAG Sistema no viable

0 1

2

PAG 20log 10log NOM FSM

7 4PAG 20log 10log1 6 7.5dB1 6

s

D DD D

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La PAG depende de características geométricas del sistema. Actuando sobre éstas se puede incrementar su valor

Aumentando la separación entre altavoces y micrófonos, D1

Acercando los altavoces a la audiencia, D2

Reduciendo la separación entre orador y micrófono DS

Aumentando la separación entre orador y oyente D0. Esta solución no es viable porque implica aumentar D2

0 1

2


D DD D

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Ejemplo: reducción de la distancia orador-micrófono mediante un micrófono de mano

Incremento de la PAG de 7.5dB (con micro a 1m) a 33.4dBEn el ambiente poco ruidoso, NAG = 7.5dB < PAG Sistema viableEn el ambiente ruidoso (50dBA), NAG = 32dB < PAG Sistema viable

Distancia orador-mic: DS = 0.05m




0 1

2


7 4PAG 20log 10log1 6 33.4dB0.05 6

s

D DD D

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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 micrófonosEsto genera un problema adicional

Las prestaciones del sistema dependen en buena medida de las variaciones de la distancia orador-micrófonoEs difícil para el orador mantener una distancia fija entre el micrófono y su bocaComo 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)

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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

Lp: nivel SPL deseado en la audiencia (nivel nominal)HR: headroom deseado

6-10 dB para la palabra10-25 dB en música

Lsens: sensibilidad del altavoz en dB SPL/1m/1W

220log10EPR[W] 10

p sensL HR L D

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Ejemplo 1

Sensibilidad típica de altavoces pequeños: 85 dB SPL/W/mHeadroom para la palabra: 6 dB

orador

PAG 23.8dBNAG 7.5 dB

(1m) 65dB SPL

EAD 3mpL

orador

orador

(1m) 65dB SPL

EAD(EAD) (1m) 20log1

3(EAD)=65 20log 55.45dB SPL1

p

p p

p

L

L L

L

220log 55.45 6 85 20log610 10EPR[W] 10 10 0.16W

p sensL HR L D

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Ejemplo 2

Sensibilidad típica de altavoces pequeños: 85 dB SPL/W/mHeadroom para la palabra: 6 dB

Incremento del headroom a 10 dB

PAG 33.4dBNAG 32 dB

80dB SPLpL

220log 80 6 85 20log610 10EPR[W] 10 10 45.4W

p sensL HR L D

220log 80 10 85 20log610 10EPR[W] 10 10 113.84W

p sensL HR L D

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Desarrollo del tema








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Sistema de refuerzo sonoro en interiores

Es necesario incorporar los efectos de la reverberación

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Constante de la sala y distancia crítica

Campo directo y campo reverberanteEn una sala se tienen dos campos sonoros

Campo correspondiente al sonido directoCampo reverberante (múltiples reflexiones incoherentes)

El sonido directo se atenúa proporcionalmente al cuadrado de la distanciaEl campo reverberante se distribuye uniformemente en la sala (no depende de la distancia)

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Constante de la sala (R)Medida de la absorción total de sonido que se produce en las paredes de la misma. Sus unidades son m2

1SaR

a

S: superficie de la salaa: coeficiente de absorción media

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Distancia crítica (Dc)Es la distancia medida desde la fuente hacia la audiencia a la cual se igualan las presiones del campo directo y el campo reverberante

0.14cD QR

Q: directividad de la fuenteR: constante de la sala

Directividad típica de un orador: Q = 3dB

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Nivel relativo de campo reverberante a campo directo en función de la distancia al orador y la constante de la sala

Distancia crítica, Dc

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Nivel relativo de campo directo a campo reverberarte en función de la distancia al orador y la distancia crítica

2 2( ) cg D D D

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Influencia sobre los parámetros de diseño

Atenuación del sonido en interiores teniendo en cuenta el campo reverberante

0 0( )20log 10log( )

micp p

S S

D g DL LD g D

2 2( ) cg D D D

Contribucióndel campo reverberante

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Ejemplo 1Coeficiente de absorción media: 0.2Nivel normal de un orador a 1m = 65dB SPL

Superficie de la sala: 111m2

Constante de la sala

Directividad orador

Distancia crítica

2112 0.2 28m1 1 0.2SaR

a

0.14 2·28 1mcD

31010 2dB

Q

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Nivel normal orador a 1m = 65dBSPL Nivel del orador a 1m teniendo en cuenta el campo reverberante

Nivel del orador en el micrófono

Nivel del orador en el oyente

mic orador

2 2mic

2 2

mic

( )(1m) 20log 10log1m (1)

0.6 1 0.668 20log 10log1 1 1

70.76 71dB SPL

S Sp p

p

p

D g DL Lg

L

L

orador orador orador, , ,

orador 2 2,

(1 ) (1m) (1m)

(1 ) 65 10log(1 1 ) 68dBSLPp total p directo p rev

p total

L m L L

L m

mic 0 0

2 2mic

2 2

( )20log 10log( )

4.2 1 4.271 20log 10log 65.46 dBSPL0.6 1 0.6

p pS S

p

D g DL LD g D

L

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Ganancia acústica necesaria en función de la distancia acústica equivalente



( )20log 10log( )

o oD g DNAGEAD g EAD

22

( )20log 10log(1)

10[ ] 10p sens

g DL HR L Dg

EPR W

0 1 0 1

2 2

( ) ( )PAG 20log 10log NOM FSM 10log( ) ( )s s

D D g D g DD D g D g D

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Ejemplo 1 Directividad del altavoz: 6dB (la misma para D1 y D2)

Distancia crítica

Ganancia acústica potencial (PAG)

Sala muy pequeña y altavoz mal posicionado

0 1 0 1

2 2

( ) ( )PAG 20log 10log( ) ( )

4.2·1.5 (4.2) (1.5)PAG 20log 10log0.6·4.8 (0.6) (4.8)

PAG 5.26dB

s s


g gg g

0.14 2·28 1.4mcD

61010 4dB

Q

Sin margen de estabilidad!

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Ejemplo 2Coeficiente de absorción media: 0.15 Superficie de la sala: 630m2

Constante de la sala

Directividad y Dc orador

Directividad y Dc altavoz-oyente: 9dB

Directividad y Dc altavoz-orador: -3dB

2630 0.15 111m1 1 0.15SaR

a

0.14 2·111 2mcD31010 2dB

Q

0.14 8·111 4.2mcD91010 8dB

Q

0.14 0.5·111 1mcD31010 0.5

dB

Q

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Ejemplo 2Ganancia acústica potencial (PAG)

Considerando el margen de estabilidad

El sistema podría proporcionar una ganancia acústica pequeña, aunque perceptible

0 1 0 1

2 2

2 2 2 2

2 2 2 2

( ) ( )PAG 20log 10log( ) ( )

12·5.4 (12) (5.4)PAG 20log 10log0.6·13.2 (0.6) (13.2)

12 2 5.4 1PAG 18.25 10log

0.6 2 13.2 4.2

PAG 18.25 7.27 11dB

s s


g gg g

PAG 11 6 5dB

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Desarrollo del tema








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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)

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Pérdida de articulación de consonantes, ALcons

Es uno de los más útiles para la predicción de la inteligibilidad potencial en sistemas de refuerzo sonoroSe 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.

Se asume un nivel de señal en la audiencia suficiente para obtener una relación SNR superior o igual a 25dBMuestra una elevada correlación con los resultados estadísticos de los testssubjetivos de calidad (golden ears)

consConsonantes no entendidasAL (%) 100

Consonantes emitidas

0% < Alcons < 10% Inteligibilidad muy buena10% < Alcons < 15% Inteligibilidad buena15% < Alcons < 100% Inteligibilidad no

aceptable

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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 DL, a partir de la cual ya no varía

3.16L cD D

En la distancia límite el campo directo es unos 10dB menor que el reverberante

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Metodología de utilización de este criterioSe garantiza una relación señal a ruido mínima de 25dBSe determina la distancia crítica para el altavoz del sistemaA 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 seránecesario 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)

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Índice de transmisión del habla, STI

Se basa en medidas de parámetros objetivos sobre la señal de audioSe 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 KHzModuladoras: 14 señales de muy baja frecuencia, de 0.63 Hz a 12.5 Hz en bandas de octavaTotal 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

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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 2KHz4 moduladoras para portadora centrada en 500 HZ

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Causas de una reducida inteligibilidad

Relación SNR pobreTiempo de reverberación excesivo, especialmente en las bandas de 500Hz y 2KHz.

Se reduce la relación entre el campo directo y el reverberanteEcos

Se deben generalmente a una mala elección de la localización de los altavocesAlineamiento 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 QAltavoces poco directivos reducen la relación de campo directo/campo reverberante

Distancia a la fuenteCuando todo lo demás falla, es posible mejorar las características del sistema reduciendo la distancia de la fuente a la audiencia (sistemas distribuidos)

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Desarrollo del tema








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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 2 n, n=0,1,2,…

Si estas condiciones se cumplen a alguna frecuencia el sistema se volverá inestable por oscilación (“acoples”)

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

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

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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 fidelidadIncremento 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)

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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

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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, D1

Acercando los altavoces a la audiencia, D2

Reduciendo la separación entre orador y micrófono DS

Aumentando la separación entre orador y oyente D0. Esta solución no es viable porque implica aumentar D2

0 1

2


D DD D

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Optimización de la geometría del sistema

Ejemplo: reducción de la realimentación actuando sobre la distancia orador-micrófono

0 1

2


7 4PAG 20log 10log1 6 7.5dB1 6

s

D DD D





Reducción de la distancia orador-mic de 1m a DS = 0.05m

0 1

2

PAG 20log 10 log NOM FSM

7 4PAG 20log 10 log1 6 33.4dB0.05 6

s

D DD D

Incremento de casi 30dB de la ganancia acústica potencial

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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 micrófonosEsto genera un problema adicional

Las prestaciones del sistema dependen en buena medida de las variaciones de la distancia orador-micrófonoEs difícil para el orador mantener una distancia fija entre el micrófono y su bocaComo 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)

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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

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Ejemplo

0 1

2


7 4PAG 20log 10log1 6 7.5dB1 6

s

D DD D





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0 1

2

PAG 20log 10log NOM FSM MS SM

7 4PAG 20log 10log1 6 6 6 19.5dB1 6

s

D DD D

Márgenes adicionales PAG:

MS: mic-speaker

SM: speaker-mic

MS

SM

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Ecualización del sistema de sonido

La realimentación de un sistema es función de la frecuenciaModelo de un sistema de refuerzo con realimentación

Función de transferencia del sistema realimentado (teoría de realimentación)

0

0

( )( )1 ( ) ( )R

G fG fG f R f

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Simplificación: consideremos que se produce realimentación por un único camino

Despreciando el desfase introducido en los equipos del sistema de sonido

| | jR R e

( ) ( )| | a a m mD DRr

0

0

| |1 | || |R j

GGG R e

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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

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Mediante técnicas de ecualización se pueden atenuar las frecuencias más cercanas a la realimentación, permitiendo así aumentar la PAG

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Desarrollo del tema








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Interconexión del sistema

En la actualidad, las técnicas de interconexión están estandarizadas en gran medidaAún 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 móvilesFactores 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/salidaLíneas balanceadas o no balanceadasPuesta a tierra del sistema

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Impedancias de entrada/salida

En el pasado se utilizaba adaptación de impedancias a 600Máxima eficiencia y SNR en telefonía a larga distancia en equipos de válvulas utilizando transformadores de acoplo

LimitacionesColoración de la respuesta en frecuencia por variaciones de la impedancia de carga con la frecuenciaDerivas por calentamientoImposibilidad de cargar una salida con varios equipos en paralelo (necesidad de amplificadores de distribución para adaptar impedancias)

*

*

i s

o L

Z ZZ Z

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Impedancias de entrada/salida

Adaptación de impedancias

out 0.775

6000.775600 600

0.731V 6.02dBu

L

s L

RVR R

out

600 || 600 || 600 || 600150

0.775

1500.775600 150

0.155V 13.98dBu

L

L

L

s L

RR

RVR R

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Impedancia de entrada y salida

En la actualidad los equipos de audio utilizan acoplo en tensión (transmisión de señal sin potencia) amplificadores de voltaje

Las impedancias de fuente y de carga modifican la ganancia del amplificador

Acoplo en tensión (matching voltage coupling, bridged voltage coupling)

LL v i

o L

ZV A VZ Z

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ZV VZ Z

iL Lvs v

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ZV ZA AV Z Z Z Z

o LZ Z

s iZ Z vs vA Ai

o

ZZ 50oZ

5iZ K

10i oZ Z

Equipos de audio

ov

i

VAV

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Ventajas del acoplo en tensión (matching voltage coupling, bridged voltagecoupling)

Se evita la coloración por variaciones en frecuencia de la carga y las derivas por variaciones de temperaturaSe facilita la conexión de equipos en paralelo sin amplificadores de distribución, adaptación de impedancias o cambios de nivelReducción 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 equiposReducción 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 estacionariasA partir de estas distancias los cables se comportan como líneas de transmisión y es necesario adaptar impedancias

Impedancia característica de las líneas de audio: 50-100

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Acoplo en tensión

out 0.775

100000.77550 10000

0.771V 0.04dBu

L

s L

RVR R

out

2500

0.775

25000.77550 2500

0.760V 0.17dBu

L

L

s L

R

RVR R

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Impedancias típicas de equipos de audio

Typical output Typical input

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Entradas/salidas balanceadas y no balanceadas

Los amplificadores pueden tener entradas y salidas balanceadas o no balanceadas

Entradas/salidas no balanceadasEsquema más simple, típico en equipos HI-FI domésticosConexiones de 2 hilos: señal (vivo) y referencia (malla de apantallamiento conectada a tierra)Problemas de interferencia electromagnética (EMI) y ruidos de tierra

Entradas/salidas balanceadasSistemas profesionalesConexiones de 3 hilos: par trenzado para señal en modo diferencial y malla de apantallamiento externoGran capacidad de rechazo de interferencias y ruido por bucles de tierraEntradas/salidas activas (balanceadas electrónicamente mediante amplificadores diferenciales) o balanceadas mediante transformador

Ground loop

Ground loop

Ground loop

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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): potencialeléctrico 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

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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 electrostáticasMal 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)

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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 circuitoLos 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 importanteProblema: 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

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Interconexión entre equipos no balanceados

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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

V1 Vout

V1

V2Vout

out 1 2V =V - VV2

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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 cablesSe pueden formar bucles de tierra al conectar los chasis de los equipos a tierra a través de la alimentación ACSi 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)

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Potenciales de referencia en conexiones balanceadas

La referencia de señal debe estar también conectada al chasis del equipoLos bucles de tierra que recorren el chasis y las mallas de los cables producen interferencias por acoplamiento electromagnético con los circuitos de señalSe podrían generar diferencias de potencial excesivas entre el apantallamientoy la circuitería interna, que podría sobrepasar las capacidades de CMRR de los equipos e incluso provocar arcos voltaicos al interconectar los equipos entre síLos 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

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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

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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 chasisEsto 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 EMI

Groundloops

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En equipos “balanceados” con esta configuración (equivocada) es necesario recurrir a técnicas que permitan interrumpir la formación de bucles de tierraLa 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 cableUtilizando conmutadores “ground-lift” que incorporan algunos fabricantes

ground lift

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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

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No balanceado a balanceado

habitual

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Balanceado a no balanceado

habitual

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Desarrollo del tema








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Puesta a tierra del sistema

En un sistema de sonido puede haber varias referencias de tierraindependientes y a distinto potencialImportancia de la puesta a tierra del sistema

Proporcionar la referencia de voltaje necesaria para el funcionamiento de los equipos de audio del sistemaDrenar a tierra las posibles corrientes inducidas por interferencias electromagnéticas sobre los cables de interconexiónProporcionar una referencia de tierra segura para los usuarios del sistema de sonido

El cumplimiento simultáneo de estos objetivos no es sencillo

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Puesta a tierra del sistema

Bucles de tierraCircuitos cerrados de corriente que surgen debido a la existencia de dos o más puestas a tierra diferentes entre dos equipos interconectados

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Procedimientos de puesta a tierra

Potencial de referencia conectado a tierra en un solo punto Líneas balanceadas o no balanceadasTípico en sistemas fijos (estudios, etc.)Muy difícil de implementar en sistemas de directo

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Potencial de referencia conectado a tierra múltiples puntosTípico de sistemas que utilizan equipos no balanceados con el potencial de referencia de señal conectado al chasisGrandes problemas con bucles de tierra

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Conexiones flotantes Líneas balanceadas flotantes mediante transformador Equipos no balanceados con potencial de referencia de señal no conectado al chasisAl 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

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Conexiones con apantallamiento “telescópico” (telescopic shields)Líneas balanceadas flotantes mediante transformadorBlindaje exterior conectado a tierra (chasis) en un extremo, y suelto en el otro

Interruptores ground lift para facilitar este tipo de conexión

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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

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Bibliografía

Wolfgang Anhert, Frank Steffen, Sound reinforcement engineering, SponPress, 1999. Capítulos 5 a 7.Glen Ballou, Handbook for sound engineers. The new audio cyclopedia,Focal Press, 1998. Capítulo 31.José Luis Sánchez Bote, Sistemas de refuerzo sonoro y megafonía, Servicio de publicaciones UPM, 1999.Philip Giddings, Audio Systems. Design and installation, Focal Press, 1990. Capítulo 7. Capítulos 9 y 10.Constantino Gil González, Acústica para la palabra, Servicio de publicaciones UPM, 1999.Don Davis, Carolyin Davis, Sound system engineering, Focal Press, 1997. Capítulos 10 y 11.Gary Davis, Ralph Jones, Sound reinforcement handbook, Hal LeonardCorporation, 1990. Capítulos 4 a 6. Capítulo 17.Bobby Owsinski, The mixing engineer's handbook, MixBooks, 1999.

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Bibliografía

Recursos en internethttp://www.jblpro.com/pages/tech_lib.htmhttp://www.rane.comhttp://www.yale.edu/dramat/sound/soundrein.htmlhttp://www.sabine.com/index.htmlhttp://smr-home-theatre.org/Power/Power-How-Much.htmlhttp://www.meyersound.com/support/papers/speech/section4.htmhttp://www.rpginc.com/products/siap/enhance.eps

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