CONCEPTOS BÁSICOS DE SISTEMAS DE AUDIO

CONCEPTOS BÁSICOS DE SISTEMAS DE AUDIO
Vamos A Hablar De Los Filtros De Frecuencia.
ARTÍCULO DE ING. JUAN CASTILLO.

Los aficionados a los sistemas de sonido con mucha experiencia, pueden estarse preguntando porqué comenzamos una nueva serie de artículos hablando de los temas más básicos de los sistemas de sonido. Tenemos dos razones importantes para esto. Por una parte, los artículos están enfocados a informar a los nuevos aficionados pero también para refrescar los conocimientos de los veteranos en sistemas de sonido automotriz, pensando en que quizás quieran sentirse más seguros de lo que saben, repasando los conceptos básicos.

El ser humano puede escuchar las frecuencias audibles que van desde los 20 Hz hasta los 20 kHz (un hertz o “Hz”, equivale a un ciclo por segundo). El hecho de que sean una gama de frecuencias tan amplia, representaba una hazaña considerable para una sola bocina.

Dado que una sola bocina no puede reproducir con éxito todas estas frecuencias, porque es un espectro demasiado ancho, y porque no podría reproducirlo en la calidad y cantidad adecuadas, se utilizan bocinas específicas para encargarse de ciertos rangos de frecuencias.

En las instalaciones para automóviles, casi siempre se les encarga la tarea de reproducir las notas más bajas a los potentes subwoofers, mientras que los tweeters se encargan de las notas altas, y las bocinas de medios reproducen las frecuencias que están entre esos dos extremos. Para que estas bocinas diseñadas especialmente para cada frecuencia, puedan realizar mejor su función, únicamente deben recibir la gama de frecuencias para las que fueron diseñadas. Y es aquí en donde entran el juego los filtros de frecuencia.

Al reproducir música, todo depende de cuánto aire se mueva, y en el caso de las frecuencias más bajas, se necesita desplazar mucho aire. Si la intensidad del sonido (o volumen) tiene que ser constante, cada vez que la frecuencia llega a la mitad del cono o al domo de una bocina, ésta debe moverse 4 veces más fuerte. Así que cuando todo lo demás es igual, para un volumen específico, entre mayor sea el diámetro del cono, menos recorrido es necesario para reproducir ese mismo volumen.

El inconveniente de este principio, es que entre mayor es el cono más pesado será, y por lo tanto tiene mayor inercia. De modo que en la medida en que la frecuencia aumenta, digamos 5,000 Hz para un subwoofer de 12 pulgadas, sencillamente no podrá arrancar y pararse con la velocidad suficiente para reproducir esa frecuencia.

Pero a pesar de que le sea imposible, la bocina no tiene otro remedio que intentarlo, lo cual produce varios tipos de distorsiones, que la persona puede notar en mayor o menor medida. Para evitar eso, la señal que llegue a los subwoofers no debe incluir frecuencias altas, hay que buscar la forma de eliminarlas.

En el extremo opuesto del espectro de frecuencias, si un tweeter puede arrancar y pararse 20 mil veces por segundo sin pestañear siquiera, pues tampoco tiene el menor inconveniente en moverse 50 veces nada más (eso representaría una frecuencia de 50 Hertz).

El problema es que si queremos que un área de domo tan pequeña y moviéndose tan pocas veces, produzca un sonido que alcancemos a escuchar, el domo tendría que desplazarse varios centímetros hacia delante y otros tantos hacia atrás, y naturalmente eso significaría que se destruiría así misma al momento de intentarlo. Esta es la razón por la que es tan importante eliminar las frecuencias más bajas e impedir que lleguen a los tweeters, esto es, para mantenerlos funcionando, evitando un recorrido excesivo. Al estar entre estos dos extremos de las frecuencias audibles, las bocinas de medios padecen ambos problemas.

FILTROS.
Llegando al rescate, los filtros separadores de frecuencia eliminan todas las frecuencias altas, antes de que puedan llegar al subwoofer; y en cuanto a la señal que llegan a los tweeters, los filtros de frecuencia se encargan de eliminar las frecuencias más bajas, antes de que lleguen a él, y así sucesivamente.

Un punto de cruce entre dos bocinas consta de dos filtros, un filtro de paso bajo y uno de paso alto, y por lo general, tienen el punto de cruce a la misma frecuencia (aunque no es necesario que sea así).

De los 3 diferentes tipos de filtros (o redes) separadores de frecuencia, los de paso alto eliminan todas las frecuencias que quedan abajo del valor de cruce (las bajas frecuencias); los filtros de paso bajo eliminan las frecuencias altas, y el filtro de paso de banda se deshace de las frecuencias que quedan arriba y abajo de un rango específico.

Independientemente del tipo de filtro que estemos hablando, un filtro de separación de frecuencias dispone de dos áreas bien distintas: el paso de banda y el bloqueo de banda. El paso de banda son todas las frecuencias que el filtro no está eliminando, es de hecho la región de trabajo de la bocina. El bloqueo de banda es justamente en donde no está dejando pasar las frecuencias, es decir es ahí, donde se lleva a cabo la atenuación.

PUNTO DE CRUCE.
Un filtro separador de frecuencias se puede describir mediante 3 propiedades distintas: su punto de cruce, su pendiente y su Q. El punto, o frecuencia de cruce, se define como la frecuencia a la cual la intensidad de una señal ya ha disminuido 3 decibeles (dB). Representa el comienzo del bloqueo de banda. También se conoce como el punto de media potencia, es la diferencia de intensidad a la cual, el ser humano promedio comienza a notar un cambio de nivel (es decir, un cambio en la intensidad del sonido).

PENDIENTE.
La pendiente representa el área de la banda de bloqueo, la cual se expresa comúnmente en múltiplos de 6 dB de atenuación por octava. Una octava, representa el doble de una frecuencia. Supongamos que tenemos un filtro de paso alto, cuyo diseño intenta eliminar las frecuencias bajas; digamos que tiene una frecuencia de cruce de 100 Hz, entonces a los 200 Hz, la señal será atenuada 6 dB, a los 400 Hz estará atenuada 12 decibeles, y así sucesivamente).

En los sistemas de sonido, es común utilizar 4 diferentes grados de atenuación, los filtro de primer orden, que tienen una atenuación de 6 dB por octava. Después vienen los filtros de segundo orden, con una pendiente de 12 dB por octava, enseguida están los filtros de tercer orden con una pendiente de 18 dB por octava, y por último están los filtros de cuarto orden con una pendiente de 24 dB por octava.

Claro que es posible diseñar un filtro separador de frecuencia con pendientes mayores, pero por lo general, con un filtro de cuarto orden suele ser más que suficiente. Los filtros de frecuencia, además de atenuar las señales, básicamente tienen dos efectos colaterales que son adversos para el sonido, esto es que, por una parte alteran la fase, y por otra la respuesta transitoria.

El cambio de fase se puede definir como un pequeño retardo en la señal. No es un retardo absoluto, que pueda medirse en segundos, sino un retardo en grados con respecto a la longitud de onda, en la frecuencia de cruce.

Se dice que los filtros separadores de frecuencia de primer orden producen un cambio de fase de 90 grados; los de segundo orden producen un cambio de fase de 180 grados; los de tercer orden lo tienen de 270 grados, y los filtros separadores de frecuencia de cuarto orden producen un cambio de fase de 360 grados.

La sabiduría común dictaría que los filtros de cuarto orden están nuevamente en fase, dado que han completado un ciclo completo y que el problema del cambio de fase de un filtro de segundo orden, podría arreglarse invirtiendo la polaridad de una de las bocinas. Claro que decir eso, sería simplificar demasiado las cosas. Hay demasiados parámetros operando al mismo tiempo en esta ecuación, como para que la física sea tan sencilla.

La respuesta transitoria, que es el segundo efecto negativo que producen los filtros de frecuencia, puede definirse como la capacidad de una bocina para obedecer fielmente las instrucciones que le está dando el amplificador. Entre más alto sea el orden del filtro, más se ve comprometida la respuesta transitoria.

EL FACTOR Q.
El Q de un filtro, es el mismo valor Q que se utiliza en el diseño de los cajones acústicos y en los ecualizadores paramétricos. A esto se le conoce como el “valor del mérito”. El valor de este parámetro describe la resonancia. Se puede definir como la frecuencia central dividida entre el ancho de banda, en puntos de -3 decibeles.

Dependiendo del Q de cada filtro, se describe la forma de la “rodilla”, en la curva de atenuación progresiva de las frecuencias que se encuentran cerca del punto de cruce. Cada uno de estos puntos de cruce reciben el nombre del ingeniero que fue el primero en describirlos matemáticamente, como Butterworth (que es muy común) con un Q de 0.707, o el de Linkwitz-Riley, con un Q de 0.49.

PASIVO O ACTIVO.
Además de las diferencias anteriores, los filtros o redes separadores de frecuencia pueden ser activos o pasivos. Un circuito activo necesita corriente para funcionar, en tanto que un pasivo no la necesita. En la actualidad, los filtros activos se pueden encontrar en casi cualquier amplificador, o se le pueden agregar a un sistema como equipamiento externo, con conexiones a nivel de la señal.

Por lo general, los filtros activos se utilizan antes de la etapa de amplificación, mientras que los filtros pasivos se utilizan después de dicha etapa. Los filtros pasivos más comunes en un sistema de sonido, forman parte de los sistemas de bocinas componentes. Casi siempre, este tipo de filtros pasivos son esas pequeñas cajitas que contienen condensadores, bobinas y resistencias que están conectados entre el amplificador y la bocina correspondiente.

Vamos a ahondar un poco más en algunas áreas específicas y aprender cómo sacarles mejor provecho.

FILTROS SUBSÓNICOS.

Un filtro subsónico es una red separadora de frecuencias de paso alto, que trabaja a una frecuencia, que por lo común se calibra entre 20 y 40 Hz. Nada más para dejarlo bien claro, cabe señalar que el término “subsónico” no se refiere a que tenga una operación a una velocidad inferior a la del sonido, es decir 340 metros por segundo (a nivel del mar).

Por ejemplo, los aviones comerciales por lo general vuelan a velocidades subsónicas, es decir, jamás igualan o superan la velocidad del sonido en el aire, a la que en términos de la aviación se le conoce como Mach 1. En contraste, el Concorde era un avión supersónico, porque podía volar a velocidades superiores a la velocidad del sonido.

En los filtros o redes de separación de frecuencia, un filtro subsónico no se denomina “subsónico” porque viaje a velocidad menor que la del sonido. Por tal motivo, un término más apropiado sería “infrasónico”, que significa una frecuencia que se encuentra por abajo de la audición humana normal, es decir entre 20 Hz y 20 kHz. El término opuesto sería “ultrasónico”, como las ondas sonoras que utilizan los médicos para revisar la condición del feto de las mujeres embarazadas.

FILTRO INFRASÓNICO.

Un filtro subsónico se deshace de las frecuencias muy bajas. El propósito de esto, es que las frecuencias más bajas son difíciles de reproducir, e inclusive pueden llegar a dañar a las bocinas de rango medio grave, que son más pequeñas.

Incluso los subwoofers montados en cajones acústicos ventilados pueden beneficiarse utilizando este tipo de filtro, porque comúnmente “pierden el control” por abajo de la frecuencia a la que calibraron el puerto del cajón acústico. En la medida en que la frecuencia que intenta reproducir el subwoofer, queda por abajo de la frecuencia a la que calibraron el puerto, comienza aumentar potencialmente la probabilidad de que esa bocina llegue a fallar, o inclusive a dañarse.

¿Recuerdas el viejo tocadiscos de la abuela en la que ella únicamente escuchaba música muy suave? A pesar de la falta de música en el rango de frecuencias más bajas, las bocinas más grandes se movían alocadamente. Es más, casi se salían del cajón acústico, pero este movimiento extra, no producía ningún sonido audible.

Los tornamesas baratos son célebres por producir ruidos mecánicos en el rango de 3 a 30 Hz mientras estaban girando. Para resolver este problema muchos tornamesas incluían filtros subsónicos para eliminar esas dañinas frecuencias bajas.

LAS VENTAJAS DE UN FILTRO SUBSÓNICO.

Actualmente la técnica ha evolucionado más allá de los tornamesas de baja calidad, y aquí estamos hablando de un sonido para automóvil. ¿En qué puede beneficiarnos el uso de un filtro subsónico? Vamos a volver a tomar un punto del que ya habíamos hablado antes, esto es, la relación entre la frecuencia de calibración del puerto de disipación de resonancia del cajón para el subwoofer, y su potencia admisible.

A la frecuencia de calibración o frecuencia de resonancia del puerto, el subwoofer se detiene (es decir, reduce drásticamente su movimiento), mientras casi todo el sonido sale a través del puerto.

Esto permite que el sistema pueda aceptar una gran cantidad de potencia, y esto puede hacerse, hasta que alcance el límite térmico del mecanismo electromagnético, sin que produzca prácticamente ninguna distorsión. Y digo que no hay distorsión porque si el cono deja de moverse, entonces no puede apartarse de su rango de movimiento lineal.

Esto representa una parte muy ventajosa de su rango operativo. Pero abajo de esa frecuencia de calibración, ocurre justamente lo contrario.

Podríamos decir que el puerto se descarga, produciendo ondas de cancelación (es decir produce ondas fuera de fase con respecto a la salida del subwoofer) y se comporta simplemente como un orificio en un cajón. El resultado de esto, es que el movimiento del cono se sale rápidamente de control y fácilmente llega a la máxima carrera permisible.

Es por esta razón que el hecho de elegir adecuadamente la frecuencia de calibración para un cajón acústico con puerto de disipación, se vuelve un parámetro muy importante. Si escogemos una frecuencia demasiado baja, eso significaría mayor protección para la bocina, y permitiría una menor frecuencia de cruce, sin embargo no permitiría una mayor potencia admisible, ni tendría mayor impacto en las frecuencias más altas (dentro de ese rango de notas graves).

Si calibramos esa frecuencia demasiado alta, podrías producir altos niveles de presión acústica y tener mayor control en zonas más convenientes (de 40 a 80 Hz), sin embargo a cambio de eso, existe mayor riesgo para la bocina cuando intenta reproducir frecuencias mucho muy bajas.

Es aquí en donde entran el juego los filtros subsónicos. El uso de un filtro subsónico permite el uso de frecuencias de calibración más altas en un cajón acústico equipado con puerto, y permite un sonido mucho más agresivo y mayor potencia admisible, al mismo tiempo que, eliminando las frecuencias más bajas, se quita el riesgo de que el cono se salga del armazón.

La frecuencia elegida está directamente relacionada con la frecuencia de calibración del puerto. Un buen punto de partida sería alrededor de 10 o 15 Hz por abajo de la frecuencia a la que calibraron el puerto (pero siempre debe verificarse con el viejo método de prueba y error, antes de tocar la música a todo volumen).

Si leíste y comprendiste bien esta explicación, entonces debes deducir que esto no se aplica oficialmente a los cajones sellados, pero todo es posible. Solamente recuerda que el uso de cualquier filtro separador de frecuencias también produce un cambio de fase, además de afectar la respuesta transitoria, y esto en última instancia, se refleja en la calidad de sonido del sistema.

Además, un filtro también puede incluir una etapa de amplificación, antes del bloqueo de banda, lo que permitiría el uso de cajones ventilados de sexto orden, pero eso sería tema para otro artículo.