Tiene remedio?: Si, la corrección acústica

¿Tiene alguna de estas dudas?
•
¿Por qué mi equipo, siendo tan bueno, no suena como yo esperaba?
•
¿Por qué mi equipo suena diferente a como sonaba en la tienda cuando lo elegí?
•
¿Por qué algunas canciones tienen un grave molesto?
La respuesta a estas preguntas está en LA SALA, es decir la habitación donde escuchamos la
música. En realidad, está en la sala, los altavoces y la electrónica, pero la influencia de la sala
supera en mucho a los otros factores.
¿Tiene remedio?: Si, la corrección acústica
La corrección acústica puede ser:
•
Pasiva: la provocada por la modificación física de las características acústicas del recinto:
geometría, dimensiones, materiales de las superficies, absorbentes, difusores, etc
•
Activa: se modifica el sonido emitido. Se emite el sonido corregido para obtener el sonido
deseado en la zona de escucha. En realidad, cada vez que probamos cambiando los
altavoces o el equipo para elegir el que suene mejor en esa sala, estamos cambiando el
sonido emitido.
¿Qué arregla la corrección activa?
No se puede anular el efecto de la sala (salvo que esta no existiera o fuera anecoica), pero si
podemos corregir parte de su influencia.
Se pueden corregir las siguientes alteraciones:
•
Desviaciones de los altavoces y la electrónica, respecto a la supuesta respuesta plana
amplitud-frecuencia.
•
Ondas estacionarias de la sala o modos. Son las frecuencias de resonancia de la sala, en las
que la onda reflejada y la original están en fase, se suman y aumentan de amplitud.
No se puede corregir:
•
La reverberación o reflexiones del sonido en las paredes, salvo que utilices absorbentes,
pero cuidado, los absorbentes normales de unos 8cm de espesor, solo absorben las
frecuencias medias y altas, y no los graves, y se corre el riesgo de apagar el sonido, sin
solucionar el problema de las resonancias.
•
Las distorsiones. No se puede convertir un equipo muy malo en uno muy bueno. Pero si
que se pueden mejorar todos.
•
Los límites del equipo: no se puede conseguir más potencia de la que da el amplificador, ni
más presión sonora de la que da el altavoz.
•
Las cancelaciones: es lo contrario de una resonancia; si en la zona de escucha llega la onda
directa y una reflejada en contra fase, se restan, y disminuye en amplitud. Si ampliamos la
señal original, también lo hará la reflejada. La solución a este problema, es la ubicación de
los altavoces para evitarlas, o la reducción de la amplitud de la reflejada mediante absorción
o difusión.
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¿Por qué nadie me lo había dicho?
En las salas de conciertos, se dedican importantes recursos al estudio, diseño y verificación de su
acústica, pero es la gran olvidada en la alta fidelidad doméstica, en parte por las siguientes razones:
•
•
•
No es generalizable ya que depende de la sala de escucha: dimensiones, materiales, forma,
mobiliario, etc.
No se puede fabricar una solución y suministrarla en una caja y fabricarla al por mayor. Es
necesario estudiar cada caso y diseñar la solución a medida.
El resultado obtenido depende de la calidad con que se haya realizado la lectura y la correcta
selección de los diferentes parámetros que intervienen. El único procedimiento para obtener
buenos resultados es una escrupulosa lectura de la respuesta, y la correcta selección de
parámetros, ambas cosas no son fáciles de explicar en un manual de usuario, de tamaño
standard.
No obstante, se observa una evolución reciente en este sentido, y están apareciendo equipos en el
mercado que incorporan algún tipo de corrección activa (Room Correction), de momento en los
equipos de gama alta.
¿Quiere saber más?
En la página siguiente se expone un resumen de gráficas de un caso práctico real, con la situación
original, las posibles correcciones, y el resultado final.
Si desea profundizar en la corrección activa y el caso práctico, en las páginas sucesivas se detalla
con más profundidad los conceptos y el caso práctico.
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Resumen de gráficas de un ejemplo real
Repuesta original
Filtros aplicados; a la izquierda los filtros paramétricos, y a la derecha el FIR
Resultados; izquierda filtros paramétricos, derecha filtro FIR. En negro la original
Comparativa: original en negro, con filtros paramétricos azul, con filtro FIR en rojo
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¿Por qué hay que corregir la acústica?
Grabación
Reproducción
Escucha
En la reproducción de un sonido intervienen los siguientes elementos:
1. El sonido original
2. La conversión del sonido en una señal eléctrica, que lo realiza el micrófono: proceso
decisivo por que hay un cambio de medio; del acústico al eléctrico. En este punto se
condensa y simplifica todo el campo acústico tridimensional en una única señal
eléctrica, tensión-tiempo.
3. Adaptación y registro de la señal eléctrica: se realiza en los estudios de grabación
4. La reproducción de la señal registrada en la instalación de escucha: normalmente un
CD, un ordenador, un disco de vinilo, o similar.
5. Adaptación y amplificación de la señal eléctrica fuente, hasta los niveles requeridos por
los altavoces
6. La conversión de la señal eléctrica en acústica en los altavoces: paso crítico, de nuevo,
por que retorna del medio eléctrico al acústico.
7. Transmisión del sonido hasta los oídos, para su escucha y procesado por el cerebro.
El termino HI-FI o ALTA FIDELIDAD se refiere a la capacidad de reproducir el sonido original lo
más parecido o fiel posible. En teoría el objetivo sería percibir en nuestra zona de escucha, un
sonido lo más parecido posible al original.
Para comparar cosas de un modo objetivo, necesitamos algún sistema de medida. El sonido es
complejo y no existe ningún sistema de medida completo, pero si existen abundantes técnicas de
medición concretas para algunos de sus parámetros.
De todas las medidas de calidad en audio (Audio Quality Mesurements), sin duda, la amplitud de la
respuesta en función de la frecuencia, es la más importante, y por tanto la que se usa más
frecuentemente, y aunque una buena respuesta no nos garantiza un buen sonido, si que se puede
asegurar lo contrario, que si la respuesta es mala, seguro que el resultado final también lo es. Otra
gráfica utilizada en audio son las gráficas tridimensionales amplitud-frecuencia-tiempo o
espectrogramas, que muestran gráficamente la evolución de la amplitud de sonido, en función del
tiempo y la frecuencia, en ellas se observa la velocidad de decaimiento del sonido.
Si estudiamos la fidelidad de cada uno de los pasos, según estas dos medidas. Los tres primeros
pasos, suelen estar fuera de nuestro alcance (los técnicos se encargan de conseguir los mejores
resultados posibles). A partir del soporte, es donde intervenimos. Por tanto debemos centrarnos en
estudiar la capacidad de reproducir un sonido lo más parecido al que hay registrado en el CD, LP, o
fichero.
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La reproducción de la señal y amplificación, pasos 4 y 5, es la parte electrónica de la
reproducción, es una ciencia madura, que consigue buenos resultados, existiendo multitud de
opciones para todos los gustos y bolsillos. En el caso práctico, se observa que la respuesta de la
electrónica ha sido buena, y apenas habrá influido en los defectos finales.
Después de la electrónica, intervienen los altavoces, cuya misión es más complicada. Es justificable
opinar que en los altavoces es donde hay que poner mayor énfasis (y desembolso), para conseguir
un sistema equilibrado, de modo que los altavoces desempeñen su función con una fidelidad
equiparable a la de la electrónica.
Como no disponemos de una cámara anecoica para medir los altavoces, ni tenemos las
características del modelo KEF 104/2, y dado que la información suministrada por los fabricantes a
menudo no es suficiente, ni fiable. Se han realizado las lecturas en dos sitios: el interior de la sala de
escucha, y en el exterior, una terraza abierta. Como el sistema es el mismo, y lo único que se ha
cambiado ha sido la sala, todas las diferencias vendrán causadas por la ella.
Estas son las gráficas: la curva azul es del exterior y la negra del interior, en igualdad de
condiciones: distancia, altura del micro, electrónica, cables, potencia, etc.
Se observan diferencias importantes respecto a una supuesta respuesta plana, y también entre ellas.
• En la lectura interior (negro), las resonancias en 42 Hz y 140 Hz, a las que corresponde una
longitudes de onda de 8m y 2,5m, son parecidas a la longitud de la sala 8.4 y la altura 2,6 m.
La sala es muy irregular, con forma de C. El sistema auditivo es complejo y es capaz de
adaptarse al entorno y corregir en gran medida las alteraciones que provoca, pero tiene unos
límites. Las tres resonancias principales en los graves, son claramente patentes en la
escucha, prevaleciendo sobre el resto de los graves, provocando un grave monótono.
• En el lectura interior (negro), la depresión en 57 Hz, corresponde a 6m de longitud de onda,
debe ser causada por alguna reflexión con un incremento de recorrido (respecto al directo)
que lo anule, un múltiplo impar de media onda, es decir: 3m 9m 15m, que provoca una onda
en contra-fase que anula la onda original. Como la sala es poco absorbente, la amplitud
de las ondas reflejadas es grande y estas provocan importantes cancelaciones.
• En la lectura exterior, las resonancias y cancelaciones anteriores no existen. Existen otras
frecuencias favorecidas o penalizadas por las reflexiones en las nuevas dimensiones.
• El altavoz tiene una caída apreciable en la amplitud en ambas gráficas, alrededor de los
3.000 Hz, que es una zona sensible del espectro. En lecturas de sonido directo mediante
ventanas temporales, se aprecia también, lo que indica que es un fallo del altavoz,
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probablemente causado por los altavoces de medios (2 de 4") o el filtro divisor.
El efecto de ubicar un altavoz en una sala tiene comportamientos diferentes según la frecuencia, hay
dos zonas distinguibles, a la izquierda y a la derecha de una zona llamada de transición. La
frecuencia en la que se provoca la transición depende de la sala, el altavoz y su ubicación. En esta
sala la zona de transición está entre los 200 y 300 Hz.
◦ A la izquierda de la zona de transición, hasta lo 200 Hz, la sala es la que manda y eso
provoca diferencias importantes entre las dos ubicaciones.
◦ Por encima de la zona de transición, a partir de 300 Hz, la longitud de onda en más
pequeña y el número de ondas en la sala en todas direcciones es mayor, comportándose
mas como una media estadística, las características del altavoz son más visibles, por que
es menor la influencia de la sala. En la gráfica las curvas discurren más cercanas.
En el posterior estudio en el tiempo, mediante espectrogramas, se observa que también hay una
mejora substancial. Aunque la reverberación de la sala no se puede evitar, la eliminación de las
resonancias reduce la energía inyectada en la sala, y los tiempos de extinción del sonido también
mejoran.
Las diferencia son importantes:
• En el exterior, aunque hay suelo, pared, barandilla y pérgola, el sonido se pierde tras las
primeras reflexiones, y por tanto no tiene prolongación en el tiempo. El tiempo de
decaimiento es prácticamente proporcional al nivel de la señal.
• En el interior, el sonido puede reflejarse muchas veces y su permanencia es mayor, sobre
todo en la zona más grave, con tiempos cercanos al segundo. Las dos resonancias de 40 y 60
Hz, provocan la monotonía del sonido, y si el sonido excita estas frecuencias, se
manifestarán con un alto volumen y una larga permanencia, si dicho sonido es repetitivo,
por ejemplo con las percusiones (que tienen un espectro muy amplio), aparece como un
zumbido omnipresente en dichas frecuencias, fenómeno muy desagradable.
Si valoramos los resultados, se aprecia que ha habido una pérdida importante en la fidelidad, en
parte por el altavoz, y sobre todo por parte de la sala.
¿Qué se puede hacer para mejorar la fidelidad?
Se debe atacar los puntos más débiles:
•
•
•
Mejorar los altavoces: podremos mejorar las frecuencias por encima de la zona de
transición, pero poco podremos hacer por debajo, que es donde más falta hace.
Acondicionar acústicamente la sala: si ello es factible, se deberían ubicar trampas de
graves, para frecuencias muy bajas 40 y 60 Hz a ¼ de la longitud de onda, que es donde hay
mayor movimiento de partículas. Para los 40 Hz se debería ubicar a 2 m de la pared en la
dimensión que la provoca. Los aislantes normales de 8cm de espesor son eficaces para
frecuencias medias y altas, que en este caso no son necesarios, y su efecto sería apagar la
sala.
Hacer una corrección activa: modificar la señal con el objetivo de contrarrestar las
desviaciones provocadas por los altavoces y la sala.
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Corrección activa
Si enviamos una señal conocida y medimos el sonido recibido en la zona de escucha, se puede
obtener la diferencia y es lógico pensar que un filtro inverso la anularía.
La realidad es que no se pueden anular todos los efectos, solo una parte.
• Para las frecuencias medias-altas, solo se debe corregir los defectos del equipo, ya que si
considerásemos el efecto de la sala, modificaríamos el sonido directo (el primero que llega),
que el cerebro interpreta como la fuente del sonido. Las reflexiones que llegan retrasados
aportan información sobre el entorno, y enriquecen el original aportando matices.
• Para las frecuencias bajas, no es identificable la fuente del sonido, y dado que su longitud de
onda es parecida a las dimensiones de la sala, sus efectos son mayores. Aquí se puede y se
debe corregir mas.
Existen diferentes opciones para realizar la corrección, las mejores son mediante filtros
paramétricos o mediante filtros digitales, que se instalan en el flujo de la señal, por ejemplo entre el
previo y el amplificador, entre el CD y el previo, o a través de la señal de monitor de muchos
amplificadores.
Corrección paramétrica
Se realiza con un ecualizador paramétrico, en el que se configuran los valores que debe tener cada
filtro, en frecuencia, amplitud y anchura. Existe gran variedad de equipos donde elegir, analógicos y
digitales, a transistores, a lámparas, en clase A, ...
Corrección FIR (Finite Impulse Response)
Se trata de un tipo de filtros digitales que tienen ventajas frente a otros más sencillos. Este tipo de
filtros tiene especial interés en aplicaciones de audio, y son siempre estables. La única desventaja es
la de necesitar un orden mayor respecto a otros filtros, que se traduce en un mayor gasto
computacional.
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Estudio de la respuesta en frecuencia
A continuación se expone un caso práctico, de las correcciones activas aplicadas a una instalación
real. Está ubicada en una sala grande de unos 60m2 y con forma de C. El suelo es de gres con una
alfombra gruesa en el centro, el techo es de madera, y las paredes son la mitad de cristal y la otra
mitad de ladrillo cara vista, hay poco mobiliario y cuelgan estores en los cristales.
El equipo está formado por un un amplificador Proton AM-656, y unos altavoces Kef 104/2:
La gráfica a la salida del amplificador, una vez pasadas por la tarjeta de sonido, el DAC, el previo,
el amplificador de potencia y el sistema de medida:
La curva verde es la salida del amplificador, sin carga, y la naranja es con el altavoz (de 4 Ohmios)
conectado. Como se puede observar la respuesta es razonablemente plana, teniendo unas pequeñas
caídas en los extremos inferiores a 1dB, y sin ninguna coloración intermedia. Esta electrónica ha
cumplido su misión decentemente.
La respuesta en frecuencia original en el punto de escucha es:
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Se observa que la respuesta dista mucho de la esperada, con importantes aberraciones.
Corrección con filtros paramétricos
Se procede a calcular y aplicar filtros paramétricos para corregir las mayores desviaciones. La
opción más sencilla, con muchos defensores, es reducir exclusivamente las resonancias de los
graves. Para el sistema en estudio, los filtros y los parámetros necesarios son:
También pueden corregirse otras desviaciones negativas, mediante filtros con ganancia positiva, en
este caso se han añadido cuatro filtros para corregir los defectos conocidos del altavoz que
superasen los -5dB. Los parámetros obtenidos en este caso son:
Gráficamente, los filtros (rellenos), su suma, el original (liso) y la corregida (punteada)
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El resultado medido final en verde, superpuesto con la respuesta original. Se observa que cada
filtro ha corregido su banda, como se esperaba.
Corrección con filtros FIR
Si se utiliza un filtro FIR, el proceso es definir la respuesta deseada (plana en este caso) y generar
un filtro que corrija dentro de sus posibilidades las diferencias.
La respuesta del filtro generado, tiene una forma muy parecida al error en la respuesta. Este filtro
sería inviable producirlo con filtros paramétricos.
La respuesta final leída en rojo, superpuesta con la original en negro:
Se observa que prácticamente se ha conseguido la respuesta plana deseada, salvo la cancelación en
torno a los 60Hz. Otro efecto que mejora mucho la calidad del sonido final, es la mayor extensión
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en graves, consiguiendo mejor respuesta entre los 20 y 30Hz, aportando mayor profundidad al
sonido. Las cancelación en torno a 60 Hz, es debida a la ubicación del altavoz, que está separado
80cm de la pared del fondo, y 110cm de la derecha. Esta posición equilibra la claridad del sonido
directo (mejor cuanto más cerca del altavoz) y la impresión espacial que se consigue con las
reflexiones, sobre todo de las paredes laterales (mejora al alejarse del altavoz).
Para solucionar la cancelación en torno a los 60 Hz y mejorar la respuesta en graves, se ha añadido
un subwoofer ubicado en la posición optima seleccionada entre las lecturas de las ubicaciones
posibles, y un filtro separador que dirige las frecuencias inferiores a 80 Hz al subwoofer y las
superiores a estos altavoces, mejorando la respuesta en graves y manteniendo la imagen espacial. La
siguiente gráfica muestra la respuesta original y la corregida, donde el filtro ha eliminado las
resonancias de hasta +15dB! En los 40 Hz.
El resultado final de esta instalación es una respuesta prácticamente plana desde menos de 30 Hz
hasta los 20 KHz, con una ligera caída de solo 4 o 5dB en 20.
Aunque es este estudio se ha perseguido la respuesta plana, por su fácil visión, en la realidad una
respuesta plana no es optima. El efecto de introducir un altavoz plano en una sala, es un realce de
los graves, que al ser omnidireccionales, se amplifican con las reflexiones en las paredes posteriores
y laterales, mientras que los medios y agudos, al ser direccionales hacia el frente, no sufren tanta
amplificación y se mantienen por debajo. Por tanto se elegirá una curva objetivo con cierta ganancia
en graves (2, 4 o 6 dB), similar a la que idealmente se hubiera producido, pero suave, sin altibajos.
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Estudio en el tiempo
Si desea profundizar un poco más en el estudio gráfico de la acústica de esta instalación, a
continuación se expone el estudio en el tiempo de la respuesta original y las diferentes correcciones.
Estas gráficas de frecuencia-tiempo o espectrogramas, muestran mediante un mapa de colores una
curva tridimensional, en la que el eje horizontal es la frecuencia, el eje vertical el tiempo, y la altura
(color en este caso) es la amplitud. De modo que sería como ver desde arriba una curva
tridimensional que muestra la amplitud de cada frecuencia y su variación en el tiempo.
Es como un diagrama de cascada (waterfall) visto desde arriba, con el nivel indicado por el color.
La escala que se muestra a la derecha, indica los niveles correspondientes a cada color. Las
frecuencias que decaen despacio en el tiempo, se muestran como llamas subiendo en la gráfica. Una
gráfica ideal tendría una subida y bajada rápida, y homogénea para todas las frecuencias (similar a
la del amplificador).
Salida del amplificador: el espectrograma es correcto, no existiendo ninguna alteración
importante.
Original: se observas fuertes anomalías en la zona de los graves y una amplitud (color) y
decaimiento (llamas verticales) muy irregulares
Corrección con filtros paramétricos: se han corregido apreciablemente las anomalías en las zonas
de influencia de cada filtro.
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Corrección con filtro FIR: se han corregido apreciablemente todo el espectro. La amplitud es más
homogénea (zonas naranjas), y la formación de la onda (la parte inferior) está más igualada debido
a la corrección de fase que realiza este tipo de filtros.
Para la configuración con subwoofer, la lectura original es:
La corrección final con filtro FIR y subwoofer queda:
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Como comprobación del efecto de la sala, se midió el mismo equipo con el altavoz en la terraza
exterior. Se observa:
• Apenas hay reverberación o prolongación en el tiempo (las manchas de fondo es el ruido
del tráfico)
• Se mantienen las deficiencias del altavoz, que son comunes dentro y fuera, como la caída
entre 2 y 4 Khz.
• La influencia de las paredes exteriores, que es diferente al recinto interior.
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