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Cuestiones importantes en el diseño de altavoces

Cuando se tratan los requisitos prácticos para una reproducción fiel del sonido, hay una sorprendente cantidad de cuestiones que no se entienden completamente. La reproducción de sonido trata sobre la creación de ilusiones en nuestra mente, en ese asombroso procesador de información entre nuestras orejas. La reproducción de sonido implica procesos físicos para generar las vibraciones del aire que mueven nuestros tímpanos y que a su vez estimulan los procesos mentales que han evolucionado durante millones de años para sobrevivir y comunicarse, procesos que nos llevan a la percepción de la fuente del sonido y su entorno. Mientras que podemos medir muchos parámetros físicos diferentes implicados en la generación y propagación de un campo sonoro, se hace excesivamente difícil evaluar su importancia relativa con lo que oímos y cómo ayuda o le resta valor a la ilusión. El material científico publicado sobre la psicología de la audición (psicoacústica) es muy amplio y a veces es útil a la hora de explicar fenómenos de reproducción de dos canales y sonido envolvente.

A continuación describiré lo que yo considero fronteras, no se en vuestro caso, pero al menos en mi comprensión de qué es lo que importa en la reproducción precisa del sonido. Mientras que como ingeniero me esfuerzo por encontrar respuestas y explicaciones basadas en la física de la situación, intento ser honesto con mis observaciones auditivas con árbitro final. Uso mi memoria de sonido no amplificado como referencia para juzgar la precisión de la ilusión. Lo que yo veo como fronteras pueden ser cuestiones estables para otros, o divisiones claras entre campos opuestos, que se sustentan en fuertes convicciones. Espero que esta exposición estimule a unos pocos lectores a investigar una materia en mayor profundidad y compartir sus ideas.

A – Absorción acústica y resistencias acústicas B – Respuesta de frecuencia en cajas acústicas abiertas C – Dipolos por debajo de la frecuencia Schroeder de una sala D – Reflejos de sala y de caja acústica E – Fuentes de línea F – Retardo de grupo y respuesta transitoria G – Distorsión multitono H – Sugerencias y audición I – Filtros de cruce digitales J – Distorsión Doppler K – Ecualización de la respuesta de sala L – Altavoces de graves en cajas abiertas con forma H y forma U M – Investigación sobre almacenaje de energía N – Montaje de un altavoz en una caja acústica

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A –Absorción acústica y resistencias acústicas

Cuando se monta un altavoz en una caja, radia tanta energía al espacio frente al cono como hacia el pequeño espacio detrás del cono. ¿Qué pasa con la energía del aire en el interior de la caja? En longitudes de onda grandes, es habitual almacenarlo en estructuras resonantes para extender el estado constante de la respuesta de baja frecuencia del altavoz. En general, la energía conduce a presiones de sonido muy altas dentro de la caja. Una pequeña cantidad de la energía se pierde como calor en el material de relleno, otra en el proceso de flexionar las paredes de la caja. La mayor parte de la energía vuelve a aparecer fuera de la caja, puesto que el fino cono supone una débil barrera al sonido. Exactamente cuánto es muy difícil de medir, pero contribuye a la respuesta de frecuencia. Soy de la opinión que el efecto es más notable en los centenares bajos de la región de Hz, donde los materiales de relleno son poco efectivos y las dimensiones interiores no son suficientemente pequeñas para que el volumen de aire interno actúe como resistencia a la vibración. Consecuentemente, las cajas deberían ser o bien muy pequeñas (menos de 1/16avo de la longitud de onda) o extremadamente grandes, opciones que no son muy prácticas por motivos diferentes.

Para progresar con los altavoces de caja, se precisa una resistencia acústica que pueda disipar la energía de forma más efectiva en el rango de frecuencias de 80 Hz a 800 Hz a velocidades de volumen alta. Dicho dispositivo no sólo sería útil en los altavoces de caja cerrada, sino también en los altavoces que usan la radiación trasera del altavoz para formar un patrón de radiación polar concreto, como un cardioide.

Un altavoz cardioide se puede hacer con dos fuentes monopolo de polaridad opuesta separados por una distancia D, y con la señal de una de las fuentes retardada un tiempo T = D/c. Una aplicación de este concepto sería un altavoz en una caja de longitud D en el que la pared trasera es una resistencia acústica R. En las longitudes de onda largas el volumen de aire interior de la caja se comporta con una resistencia a la vibración o capacitancia acústica C. La salida acústica desde la parte de atrás de la caja pasa en la zona baja por el filtro RC y está retardada en relación a la salida desde la parte de delante por T = RC.

La resistencia acústica debería ser puramente disipadora, con un componente reactivo evanescente e independiente de la frecuencia. Debería ser también lineal en todo el rango de velocidades de volumen que se encuentran en las SPL altas. Tradicionalmente se han usado materiales de tipo tejido para los altavoces cardioide. La lana de fibra larga, las fibras sintéticas o la fibra de vidrio se han usado para atenuar el sonido dentro de las cajas. Las propiedades de estos materiales no son ni independientes de la frecuencia ni lineales.

Puede que no sea muy conocido que los medios de filtro para filtrar líquidos y gases en las industrias químicas y otras, pueden tener aplicaciones en la acústica. Dichos filtros pueden ser finas hojas (<1 mm de grosor) de una matriz de fibra de acero inoxidable, sinterizado y no tejido para filtrar en los niveles de 5 a 50 micrones. El flujo de aire a una velocidad constante v a través del material de filtro origina una caída de la presión �p entre el lado de entrada y de salida correspondiente a una resistencia de flujo Rf = �p/v [Ns/m

3

]. Es común en esta industria especificar una cantidad inversa que es la Permeabilidad P [l/dm

3

/min] a una caída de presión de 200 Pa. La resistencia al flujo y la permeabilidad están relacionadas por Rf = 1200/P en este caso.

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Los valores de resistencia entre 150 y 3500 Ns/m3, o 15 a 350 Rayl en los antiguos

sistemas de unidades cegesimales (1 rayl = 10 Ns/m), se obtienen con una única hoja de filtro. Como comparación, la impedancia de campo sonoro en espacio abierto p/v =

�C es resistiva y tiene un valor de 414 Ns/m3 = 41.4 rayl.

Existen materiales con una gran rigidez estructural como el Feltmetal con grosores hasta 6 mm y resistencia entre 6 y 50 rayl. La impedancia es resistiva y constante en el rango de 20 Hz a 2 kHz que he probado. La linealidad debería ser también bastante buena, pero no la he medido.

El reto sigue siendo construir la terminación acústica para el interior de una caja. El Feltmetal y los filtros deberían ser fácilmente utilizables para un altavoz cardioide, pero al aplicarlos en un altavoz de graves, habría que investigar su linealidad a velocidades de volumen altas.

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B -Respuesta de frecuencia en cajas acústicas abiertas

En este punto del tiempo, el diseño de un altavoz con caja abierta usando altavoces de tipo cono es bastante empírico. La forma de la caja que determina la respuesta de frecuencia en eje y fuera de eje ha de estar optimizada por ensayo. Así fue como se determinaron las dimensiones del panel principal PHOENIX, puesto que no existía ningún programa de modelado. Alguna guía sobre el tamaño de la caja acústica se puede derivar de la respuesta de una caja circular fina y plana de radio D con el altavoz en el centro. Esta forma es menos que óptima para usar en frecuencias por encima de f =0,5 c/D, donde ocurre el filtrado de peine. Los picos y valles en la respuesta se suavizan con una caja acústica plana rectangular. Como el propio altavoz se hace más direccional el contorno de la caja tiene menos efecto.

Por razones de tamaño, apariencia y estructura, la caja se puede doblar en una forma U de poca profundidad. En las frecuencias bajas, las cajas con forma H y W nos permiten ahorrar espacio. Todas estas estructuras son considerablemente más difíciles de analizar porque se han añadido los elementos acústicos distribuidos y concentrados en el proceso de doblado.

La radiación del propio altavoz hacia la parte de delante y de detrás no es simétrica. La estructura de cesta añade un complicado filtro acústico de paso bajo. Esto afecta no solo a la salida hacia atrás de una caja abierta, sino también a la respuesta de delante debido a un salto adicional de fase y cambio de amplitud.

Mientras que no es muy difícil calcular la respuesta de las estructuras de cajas H y W en longitudes de onda grandes, sería muy deseable tener un programa de modelado para las cajas planas y con forma de U en todo el rango de frecuencias. Para que fuera útil el programa tendría que tener en cuenta la respuesta de frecuencia medida del altavoz en una caja de tamaño “infinito”, y la radiación en la parte de delante y de detrás en diferentes ángulos.

C -Dipolos por debajo de la frecuencia Schroeder de una sala

La frecuencia Schroeder describe la frontera aproximada entre el rango de frecuencias de modo de distribución de sala discreta por debajo y el modo alto de densidad por encima.

fs= 2000(T60/V)1/2

[Hz, s, m3

]

Para las salas típicas en una casa fs se encuentra alrededor de 100 -200 Hz.

Por encima de fs hay una fuente dipolar en el campo de reverberación y tiene el siguiente comportamiento:

• 1/3 o -4,8 dB de la potencia acústica radiada comparada con un monopolo para el mismo nivel de presión de sonido directo, debido al patrón cos (ángulo) polar de espacio libre.

• Un nivel 4,8 dB más alto de sonido directo a reverberante comparado con un monopolo.

• La rotación de la fuente afecta el nivel de sonido directo, pero se encuentra fuertemente enmascarado, debido al nivel de sonido reverberante habitualmente

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más alto. • La ubicación en la sala y la rotación tienen poco efecto práctico sobre el nivel de

campo sonoro. El número de modos posibles es tan elevado, que si reducimos la excitación de algo se incrementa en otro.

• Los reflejos se ven afectados por la ubicación y la rotación. Por debajo de fs en la región de modo disperso:

• Pocos modos se excitan si los comparamos con un monopolo, debido a la directividad del cos (ángulo).

• Una fuente monopolo y dipolo en el mismo lugar excitarían un modo concreto a un grado diferente, puesto que las impedancias de las fuentes son muy diferentes. Consecuentemente, la correspondencia con la impedancia del campo acústico del modo es diferente.

• La fuente monopolo y dipolo en el mismo lugar excitará un modo determinado a un grado diferente por un motivo adicional. Para la máxima excitación de una fuente dipolar la dirección de la propagación del modo ha de coincidir con la dirección en espacio libre la máxima radiación de la fuente.

La diferencia audible observada entre el monopolo y el dipolo para los bajos inferiores a fs

es: • Menor sonido retumbante y zumbido de notas específicas con un dipolo, • Un grado más alto de articulación y resolución de las líneas complejas de bajos

musicales, • Una sensación de aire, espacio y una reproducción muy natural de los bajos

acústicos, • Menos impacto físico. • Menos base absoluta por debajo de la frecuencia de modo más baja de la

sala. En mi opinión, estas y otras observaciones subjetivas similares no se explican satisfactoriamente en la teoría y solo de forma parcial mediante mediciones. He investigado el comportamiento bipolar en base a:

• Respuesta de frecuencia estacionaria de la función de transferencia entre la fuente y el oyente por un simple modelo bidimensional y mediciones en una oficina muy pequeña y en una sala de estar,

• Mediciones de deterioro espectral acumulado, • Curva energía-tiempo de la respuesta de impulso a bajas frecuencias, • Función de transferencia de modulación a bajas frecuencias, • Respuesta de frecuencia de ráfagas, • Respuesta de frecuencia y de tiempo de una señal multirráfaga y su correlación

con la impresión del oyente. La mejor evidencia física de los beneficios del dipolo que he encontrado proviene de las pruebas multirráfaga. Hay un CD con estas señales de prueba.

La respuesta de frecuencia estacionaria se ha usado en argumentos a favor y en contra de las fuentes de baja frecuencia bipolares. Aunque las funciones de transferencia de dipolos y monopolos son claramente diferentes, no me atrevería ha hacer juicios de calidad del sonido basados en datos que tengo o que he tomado. La excepción a lo anterior es la región de las frecuencias muy bajas, por debajo del primer modo, en el que la respuesta del monopolo gana consistentemente de la acumulación de presión en

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comparación con un dipolo.

Sospecho que los beneficios percibidos en las bajas frecuencias de los dipolos están relacionados con la psicología de la audición e implican unos procesos mucho más complejos que un simple análisis de respuesta estacionaria. Nuestra mente se orienta hacia el análisis de la presión de sonido que varía con el tiempo, la frecuencia y la amplitud y extrae información de estos datos de forma selectiva.

Mi hipótesis es que tres efectos contribuyen a la reproducción subjetivamente más precisa de los bajos:

1 - El altavoz de graves bipolar en caja abierta tiene un patrón de radiación de ocho cifras y por tanto excita menos modos de sala.

2 – Su potencia radiada total es 4,8 dB inferior al altavoz de graves monopolo para la misma SPL en eje. Por tanto la fuerza de los modos excitados es inferior. 3 – Una diferencia de 4,8 dB en SPL en las frecuencias bajas es bastante significativa, debido al agrupamiento de las curvas de nivel de sonoridad en las bajas frecuencias, y que corresponde con una diferencia de 10 dB en sonoridad a 1 kHz.

Por tanto, los bajos reproducidos por un dipolo estarían menos enmascarados por la sala, puesto que un dipolo excita menos modos, y en un grado menor, y puesto que la diferencia percibida entre el sonido directo y la contribución de la sala está magnificada por un efecto psicoacústico.

D -Reflejos de sala y de caja acústica

Los reflejos con parte de la vida diaria. Si has estado dentro de una cámara anecoica y has experimentado el extraño silencio y la sensación de desorientación, ya sabes lo que quiero decir. En entornos más comunes, cada sonido que hacemos genera un grupo de reflejos. Si el sonido es sostenido, entonces la amplitud y la fase en un lugar concreto están afectadas por el entorno. Esto es lo que sucede en una sala de audición. Textualmente:

"La acústica de una sala se asemeja o bien a un filtro lineal o a un salón de espejos, dependiendo de la escala de tiempo que nos interese. Como filtro, la sala causa una distorsión lineal en las amplitudes y fases de los tonos estacionarios recibidos por los oídos del oyente. Como salón de espejos, la sala parece ser una colección de superficies reflejantes espacialmente distribuidas que crean múltiples versiones de cada sonido transitorio. Los transitorios reflejados llegan finalmente al oyente desde distintas direcciones, casi ninguna de las cuales concuerda con la dirección de la fuente. Así, tanto la respuesta estacionaria como la transitoria de una sala resultan en que el oyente recibe unos datos engañosos sobre el lugar de origen del sonido en la sala."

El modelado y comprensión de cómo conseguimos solucionar esta situación, y realmente localizar las fuentes reales y virtuales sorprendentemente bien en la mayorías de los casos, está sujeto a continuas investigaciones científicas [2]. El retardo temporal inter aural (ITD), y las diferencias de intensidad (IID), las claves de envolvente espectral y el “efecto precedente”, todo tiene su papel a la hora de reconocer el lugar de las fuentes

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cuando existen reflejos de sala. Además de afectar a la localización: “los sonidos rezagados pueden contribuir significativamente al timbre percibido y a la sensación de la acústica de una sala. Si las características acústicas de los sonidos rezagados son consistentes con que ellos sean ecos del sonido aventajados, entonces los sonidos rezagados se eliminan perceptivamente, y no se oyen como eventos auditivos independientes. Por otro lado, si los sonidos rezagados no se pueden interpretar plausiblemente como ecos, o si no hay suficiente información para decidir si son ecos o no, entonces se tiende a oírlos como eventos auditivos independientes." La mayoría de la investigación sobre la audibilidad de los reflejos ha sido realizada en condiciones anecoicas. Los límites de detección y los cambios de imagen fantasma de un reflejo único contra el retardo y la amplitud se han estudiado extensivamente. Pero, los resultados no se pueden traducir necesariamente a la audición biaural en espacios reverberantes. No obstante, la opinión que prevalece entre los audiofilos mantiene que todos los reflejos son perjudiciales. La fórmula es o bien absorberlos o difuminarlos en la medida de los posible. Una sala con superficies reflejantes duras y sin muebles, tendrá ecos y un tiempo de reverberación largo, claramente no es un entorno ideal de reproducción de música, pero tampoco lo es una sala llena de cosas, llena de materiales absorbentes y que se parece a una cámara anecoica. La sala ideal estará en función del tipo de altavoz empleado.

La caja de altavoz típica y convencional tiene una respuesta de potencia que se reduce por encima de 10 dB desde las frecuencias bajas a las altas, asumiendo una respuesta en eje plana. Es omnidireccional hasta un par de centenares de Hz y se convierte cada vez en una radiación más frontal según aumenta la frecuencia. Una caja abierta con altavoz dipolar tiene al menos una variación de respuesta de potencia de menos de 5dB entre las frecuencias bajas y altas. Mientras que los altavoces de caja parece que obtienen mejores resultados en salas relativamente muertas, he encontrado que los altavoces dipolares muestran mejor sus calidades en una sala bastante viva.

En general, cuanto más se parezca la sala a una cámara anecoica, menor será la contribución de la radiación fuera de eje al sonido en el lugar de escucha. El tipo de altavoces dipolares con los que he trabajado, intentan todos duplicar la respuesta en eje para los ángulos horizontales fuera de eje hasta +/- 60 grados, si bien es cierto que a niveles que descienden y hasta unos 5 kHz. Esto tiene dos consecuencias. El nivel del sonido reflejado depende del ángulo y se puede reducir con la orientación del altavoz. Las características acústicas del sonido reflejado son consistentes con el sonido directo. Estas dos cosas ayudan a eliminar una percepción de cambio de timbre y reducen la sensación de la acústica de la sala. Consecuentemente, se oye más del altavoz y menos de la sala.

Mucho se ha dicho sobre la pared que queda detrás de un altavoz de caja abierta, la pared delantera desde el punto de vista del oyente. La pared refleja el sonido radiado hacia atrás que se encuentra a 180 grados fuera de fase con respecto al sonido radiado por el frente. La interferencia entre los dos nos lleva a una progresiva cancelación en las frecuencias bajas y un filtro de peine en las frecuencias altas para los sonidos estacionarios. El resultado correspondiente tiene lugar con un altavoz de caja, al menos hasta varios centenares de Hz, solo que las frecuencias de filtro de peine son diferentes y se intensifican las frecuencias bajas. Todo esto está controlado por la distancia entre el oyente y la pared. Si el oyente está al menos a 1 metro enfrente de la pared, entonces el sonido reflejado se retrasa unos 6 ms, lo que es suficiente para que no se sume perceptivamente con el sonido directo. El proceso cognitivo lo desasocia del altavoz y lo atribuye a la sala con un sentido de espacio.

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Los altavoces de caja abierta tipo panel pueden tener problemas específicos con la pared trasera. La impedancia de la radiación vista por el panel lleva a valores extremos en frecuencias en las que la distancia es múltiplo de un cuarto de la onda de sonido. La amplitud de movimiento del panel de masa muy baja puede variar debido al cambio de la carga de aire, causando un cambio en la respuesta de frecuencia. Además, una zona de panel grande crea una respuesta polar de solapamiento en las frecuencias altas y el reflejo puede ser parcial en timbre, ángulo de cambio y originar una imagen inestable.

He observado que es necesaria una cierta cantidad de reflejo lateral para crear una ilusión creíble del espacio en el que se realizó la grabación o para proporcionar una rica experiencia musical satisfactoria [3, 4, 5]. Los altavoces montados a paño (sofito) me sorprenden porque producen un sonido bidimensional, analítico, pero en el fondo, sin vida. Los altavoces corneta, muy direccionales, crean una impresión negativa similar. En el rango de los altavoces de los agudos, la amplia dispersión horizontal elimina la aspereza y añade sensación de espacio, en mi opinión. Esto solo tiene sentido si la intensidad del sonido reflejado ha sido incrementada. También podría explicar porque los altavoces de cinta, que pueden ser fuentes muy estrechas que conducen a una gran dispersión, se tienen en tan alta consideración, a pesar de la pobre respuesta polar vertical. El RT60 para mi sala de audición está alrededor de 550 ms y es agradablemente animado para mantener conversaciones y socializar. No me gusta un ambiente de salón de cócteles amortiguado. Las dos paredes laterales son principalmente cristal doble. La sala es muy larga. 1,5 m detrás de los altavoces hay una gran chimenea. La imagen es muy precisa, si tenemos una buena grabación, con una propagación suave de los recitales acústicos entre los oyentes y un poquito más allá. Las imágenes se colocan detrás del plano de los altavoces, nunca delante. Los altavoces desaparecen completamente.

La difracción del sonido en al borde de una caja de acústica se dice que degrada la imagen estéreo. Yo no lo he experimentado en altavoces con cajas planas típica para altavoces hasta 8’’ (20 cm), ni he visto pruebas científicas. Las ondas de sonido difractadas de baja amplitud aparecen tan pronto después del sonido (<500 us) que el efecto de precedencia no llega a tener relevancia y ocurre la localización de suma [6]. Lo que es significativo es la “etapa de caja”, la transición de radiación en 4 a 2 espacios en una frecuencia más alta para una caja más pequeña. Esto mantiene la respuesta de potencia más uniforme en un rango de frecuencias más amplio y la firma espectral de cualquier reflejo más como la respuesta en eje. Los grandes radios o bordes redondeados suavizan la respuesta en eje y fuera de eje de las altas frecuencias.

Pero sigue habiendo una pregunta: ¿Cuándo es necesario el tratamiento de la sala y para qué?

Los reflejos de espejo [7] se pueden difuminar con paneles de difusión de residuos cuadráticos, pero no cambiarán la energía de sonido reverberante de la sala. Los difusores son muy grandes para frecuencias por debajo de los 500 Hz. Los reflejos también se pueden absorber. Esto funciona también mejor por encima de los 500 Hz. El tratamiento de las bajas frecuencia consume excesivamente más espacio y por debajo de los 100 Hz requiere otras soluciones personalizadas.

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E -Fuentes de línea

Como fuente de línea se define un altavoz con una superficie de radiación muy larga y estrecha, que se usa en frecuencias por encima de f = c/2L, en el que la longitud L es mayor que 1/2 longitud de onda. A menudo, dicha fuente de línea consiste en una serie vertical de un gran número de altavoces idénticos en una caja estrecha. En otros casos puede ser un conductor de tipo cinta, estrecho y largo, en un campo magnético, o una fuente electroestática alta y estrecha. Específicamente, me refiero a líneas que tengan al menos 1,5 m (5 pies) de largo. En condiciones de campo libre estas líneas tendrán un patrón de radiación horizontal amplio y bastante uniforme. La respuesta polar vertical será muy irregular y muy dependiente de la distancia, debido a la longitud finita de la fuente [1]. En una sala, sin embargo, las imágenes de la fuente en el suelo y en el techo harán que parezca infinitamente largo, y cuanto más sea así, menores serán los huecos entre los extremos de la fuente y las superficies reflejantes del suelo y el techo. Consecuentemente, la línea pone en marcha una onda cilíndrica e ilumina la sala de forma muy uniforme. La acústica de la sala, por tanto, es equivalente a una fuente puntual omni-direccional. A suficiente distancia la SPL directa cae con la raíz cuadrada de la distancia, lo que mejora el ratio de sonido directo a reverberante sobre el de una fuente puntual.

Me sorprende que en un entorno reverberante, como una típica sala de estar, estos radiadores nos den pocas indicaciones de pobre comportamiento polar vertical, incluso cuando la línea no se extiende completamente del suelo al techo. Claramente, el campo reverberante de la sala llena cualquier hueco de percepción en la respuesta polar. Estando cerca de la línea y moviéndonos hacia arriba y hacia abajo, la imagen acústica no cambia y nos sigue a lo largo de la longitud activa de la línea, casi hasta los extremos. La imagen es muy precisa, cuando estamos de pie o sentados en el campo cercano de la línea, que está más cerca que la distancia de escucha habitual determinada por el vértice de un triángulo equilátero. A distancias más grandes las imágenes crecen en altura. Esto puede ser impresionante con piezas orquestales, como si estuviéramos mirando a través de una gran ventana hacia el escenario. Las fuentes acústicas pequeñas, como un vocalista o un violonchelo, sin embargo, se ven sobrepasadas en tamaño. Los altavoces en línea llegan a su mejor punto cuando se escuchan desde cerca, como con unos auriculares gigantes. Así se conserva la imagen de tamaño adecuada y nos da la ilusión de un escenario grande.

La altura vertical del escenario añade realismo. Yo considero que los altavoces bidireccionales pequeños son muy poco satisfactorios en este respecto, incluso si están correctamente colocados a la altura de audición. Las fuentes en línea proporcionan esta altura, igual que lo hacen las disposiciones de altavoces simétricas de altavoces de agudos, como LM-UM-T-UM-LM. En el último caso los rangos de frecuencia independientes se asignan a cada grupo simétrico de altavoces LM-LM y UM-UM, de forma que se minimiza el solapamiento vertical en el espacio libre. Este tipo de fuente sufre considerablemente menos de distorsión de tamaño de imagen de una línea uniforme.

Una ventaja añadida de las fuentes altas es su área de superficie de radiación relativamente grande, lo que implica excursiones pequeñas, y por tanto una distorsión no

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lineal progresivamente menor para un nivel máximo de sonido concreto. La cuestión de la distorsión baja es incluso más importante que la altura de escenario, la dispersión horizontal de ángulo amplio y la respuesta uniforme de potencia. La distorsión baja implica un mayor dinamismo y claridad, y la capacidad de reproducir a niveles casi en vivo sin presión sobre el oyente. Pone en marcha los mecanismos de distorsión naturales del oído, que son elementos necesarios para crear una ilusión de la realidad.

La sensibilidad puede ser alta. Una línea con 25 altavoces idénticos conectados en serie-paralelo para obtener la misma impedancia combinada que la de un único altavoz tendrá una SPL 14 dB más alta para el mismo voltaje.

La energía almacenada no es necesariamente baja debido a la cantidad de cajas y de cavidades.

Yo recomendaría que se realizara más investigación sobre las fuentes en línea para su uso en grandes locales, como calles públicas o altavoces de ocio. En los entornos domésticos habituales son innecesariamente grandes. Hoy en día, los mismos niveles de presión sonora de baja distorsión se pueden conseguir con muchos menos altavoces y sin distorsión de la imagen.

F -Retardo de grupo y respuesta transitoria

Hay muy pocos estudios sobre la audibilidad de la distorsión lineal de la forma de onda temporal de una señal acústica. Algunas personas tienen grandes esperanzas en las mejoras que la tecnología DSP puede proporcionar a los sistemas de altavoces y filtros de cruces a través de la linealidad de su respuesta de fase, lo que resultaría en una respuesta transitoria perfecta. La fidelidad de la respuesta de etapa se suele tomar generalmente como medida del rendimiento y el resultado. La respuesta de etapa es la integral de la respuesta de impulso en el tiempo, y pertenece a una respuesta de frecuencia que ha sido atenuada a 6 dB/octava hacia las altas frecuencias, comenzando desde la frecuencia cero.

Es instructivo revisar la respuesta de etapa de un altavoz de tres vías, y compararlo con un altavoz de rango completo. Se supone que ambos altavoces tienen una respuesta de frecuencia plana que está 3 dB por debajo en 20 Hz y 20 kHz, atenuando a 12 dB/octava igual que un filtro cuya Q = 0,7. El altavoz de tres vías tiene filtros de cruce LR4 a 100 Hz y 2 kHz como en el gráfico (a).

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La respuesta de etapa para el altavoz de rango completo FR dista mucho de ser perfecta, puesto que el altavoz es de paso banda y en esta ilustración (b), sobre una ventana temporal de 60 ms, el paso alto de las frecuencias altas domina la curva. En un tiempo Tx la respuesta cruza el eje cero. El área positiva bajo la curva entre cero y Tx es igual al área negativa entre Tx y un tiempo muy grande, puesto que el sistema de paso banda no puede pasar dc. Igualmente, un altavoz no puede establecer un incremento de presión permanente, lo que sería preciso para obtener una respuesta de etapa perfecta.

La ecualización basada en DSP puede mover Tx en el tiempo, pero aún es necesario establecer hasta qué punto. La ventana temporal de integración aural está aproximadamente a 50 ms, antes de que se perciban ecos.

La respuesta de etapa del altavoz de tres vías parece estar incluso más lejos del ideal y es fácil comprender por qué a la gente le gusta pensar que esto debería ir acompañado de defectos audibles. La respuesta es la suma de las salidas de los altavoces de graves, medios y agudos (c). La respuesta del altavoz de agudos, apenas visible en la escala temporal de 60 ms, aparece realmente en una muestra de los primeros 5 ms (d).

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Tenga en cuenta que la respuesta del altavoz de agudos se ha mantenido en 1 ms. El altavoz de medios tiene un segundo cruce por cero a 4 ms. El altavoz de graves apenas ha comenzado a moverse después de 2 ms. Una ventana temporal de 5 ms o inferior se suele usar en los resúmenes de los altavoces para comentar las polaridades y la conservación de la forma de onda de los altavoces (e). Esto cubre menos del 10% del tiempo de respuesta transitoria en la mayoría de los altavoces.

Un reciente artículo en una revista de audiofilos sobre un altavoz de tres vías, con una respuesta similar a la (e) anterior decía: “… La respuesta de etapa indica que las unidades de agudos y de medios están conectadas con polaridad acústica positiva (el pico de fuerte inclinación en 0 ms y el triángulo en 0,4 ms después), mientras que el de graves se encuentra conectado con polaridad negativa (el montículo amplio y negativo

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centrado entre 1,5 y 2,5 ms). La polaridad real del altavoz no importa excepto cuando hablamos de la conservación de la forma de onda – y el jurado sigue debatiendo ese asunto.”

Es evidente que se necesita saber un poco más sobre el tema.

La fase de la respuesta de frecuencia de un altavoz ha de cambiar linealmente con la frecuencia para poder preservar la fidelidad de la forma de onda. Esto es lo mismo que decir que el retardo de grupo ha de ser constante (f).

El retardo de grupo aumenta de forma drástica en las frecuencias bajas, incluso en el altavoz de rango completo. Para ecualizar el altavoz de tres vías hasta 50 Hz se habría de añadir una gran cantidad de retardo en la porción del espectro de las frecuencias más altas. Esto es prácticamente imposible de conseguir con medios analógicos y no es totalmente trivial con DSP tampoco.

Si la ecualización del retardo está restringida a las frecuencias altas, en las que el procesado digital es más sencillo debido a las longitudes de grabación de menor tiempo, entonces grandes partes del espectro siguen distorsionadas (g). Dicha solución puede mejorar los primeros milisegundos de la respuesta de etapa, pero sigue siendo poco ambiguo si esto es perceptible acústicamente. Sin embargo, Nos permitiría una reproducción bastante más precisa de las ondas cuadradas con frecuencias sobre 1 kHz.

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Con un esfuerzo similar se podría ecualizar el retardo de un altavoz de dos vías en un rango de frecuencias más amplio. Un altavoz de dos vías es o bien marginal en la cobertura de frecuencia o en el rango dinámico y las mejoras en su respuesta transitoria podrían estar fácilmente enmascaradas por otras desventajas. Un altavoz de rango completo o un altavoz único está incluso más limitado y no hay opciones alternativas, excepto en la forma de auriculares.

He usado auriculares para convencerme de que la distorsión de fase introducida por los filtros de cruce LR4 alrededor de los 2 kHz y a 100 Hz no es audible. Por ejemplo un filtro de cruce LR4 a 1,5 kHz con pendientes de 24 dB/octava forma un filtro de todo paso de segundo orden con Q0 = 0, 7 para los puntos de polo y cero.

Su salto de fase no lineal y retardo de grupo no constante en la región del filtro origina distorsión de la forma de onda que no es audible sin embargo.

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Si el filtro de todo paso Q0 es significativamente mayor, como Q0 = 2,5, entonces la distorsión de fase es audible. En el caso de la onda cuadrada de 100 Hz se añade un sonido agudo. La respuesta de frecuencia, sin embargo, es completamente plana.