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CAPITULO 1: SISTEMA DE SONIDO

Este manual trata de un tipo específico de sistema de sonido al que, hablando con

propiedad, se denomina sistema de refuerzo. Para los propósitos de este manual, el término

sistema de sonido se empleará para referirnos exclusivamente al sistema de refuerzo. Los

sistemas de refuerzo de distintos niveles de sofisticación son usados habitualmente tanto por

profesionales como por aficionados para su uso público o musical.

Los sistemas de refuerzo de sonido no son generalmente tan simples como los aparatos

musicales caseros. Aunque funcionan con los mismos principios, requieren un mayor grado

de comprensión por parte de sus usuarios.

Este manual es una introducción a esos principios. Su objetivo es dar la comprensión

necesaria para diseñar y manejar sistemas de refuerzo de tamaño medio. También puede

servir como referencia cuando surjan preguntas sobre esos sistemas. La sección 1 presenta los

conceptos básicos de los sistemas de sonido.

1.1.- La señal de audio.

1.1.1.- Ondas sonoras.

Lo que oímos como sonido es una clase de energía cinética física llamada energía

acústica. La energía acústica consta de ondas de presión fluctuantes que se transmiten a través

de un medio físico (normalmente el aire).

Un único ciclo completo de una onda de presión acústica consiste en una mitad de

compresión (alta presión) otra de rarefacción (menor presión) de las moléculas. Los sonidos

de mayor amplitud comprimen y rarifican las moléculas de aire en mayor medida que lo

hacen los sonidos de menor amplitud.

Los parámetros principales relacionados con los sonidos periódicos son los siguientes:

Velocidad de sonido.- El sonido se propaga en el aire a una velocidad de 345 m/s, en

condiciones ambientales consideradas estándar (a nivel del mar, temperatura 15º C)

Longitud de onda.- Es la distancia entre dos perturbaciones sucesivas en el espacio

se mide en metros (m) ó (cm.) y se representa con la letra griega lambda (λ).

Periodo.- El periodo (T) se define como el tiempo transcurrido entre una

perturbación y la siguiente. Se mide en segundos (s) o milisegundos (ms)

Frecuencia.- Se define como la cantidad de ciclos por segundo, o lo que es lo mismo

la cantidad de perturbaciones por segundo. Se expresa en Hertz (Hz), unidad

equivalente al ciclo por segundo (c/s). La frecuencia de los sonidos audibles está

comprendida entre los 20 Hz (sonidos graves) y los 20.000 Hz (sonidos agudos)

Las relaciones matemáticas que existen entre estos parámetros son las siguientes:

f = 1/T T = 1/f λ = v/f v = λ . f

Presión sonora.- Se entiende por presión sonora las variaciones de presión

producidas por una onda sonora en su propagación por el espacio, ejerciendo una

determinada fuerza sobre cada cm2 de superficie. Estas presiones son muy pequeñas

comparadas con la presión atmosférica ambiental y están superpuestas a ésta.

El nivel de presión sonora (Sound Pressure Level) es la relación entre cierta presión

sonora y la presión sonora de referencia (0,0002 dinas/cm2)

1.1.2.- Representación eléctrica del sonido.

Una señal de audio es una representación eléctrica de un sonido, en forma de corriente

o voltaje fluctuante. Dentro de los límites de un equipo de audio, la corriente fluctúa a la

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misma velocidad que la energía acústica que representa, y las amplitudes de la onda acústica y

la señal de audio eléctrica se relacionan con una escala proporcional.

La amplitud, o fuerza, de una onda sonora se llama nivel de señal. Existen muchos

niveles de operación diferentes en los sistemas de audio. El nivel (acústico o eléctrico) se

expresa en decibelios

Fig. 1-2. Representación de una señal de audio (un ciclo de una onda sinusoide)

1.1.3.- Fase.

La relación de tiempo de una onda sonora (o señal de audio) con una referencia

temporal conocida se llama fase de la señal. La fase se expresa en grados. Un ciclo completo

del seno de una onda equivale a 360 grados.

La referencia de tiempo puede ser una elegida arbitrariamente. Por ejemplo, la figura

1-2 muestra un tipo de señal de audio llamado onda sinusoide. Una onda sinusoide es un tono

puro, una frecuencia fundamental sin armónicos (que representan algo como el sonido de una

flauta). La fase de una onda sinusoide se expresa en el gráfico en relación a una referencia

temporal llamada T0, que viene a ser el tiempo de inicio de la onda, aunque podría haber sido

elegido cualquier punto del periodo de la onda.

La referencia de tiempo también puede ser otra señal. De ser así, la señal de referencia

debe parecerse a aquella cuya fase se está midiendo: sólo obtendremos resultados

significativos si comparamos objetos que se parezcan o que estén, al menos, relacionados. Por

ejemplo, la figura 1-3 muestra un procesador de señales de audio con una entrada (V-IN) y

una salida (V-OUT). La fase de la señal en la salida se expresa en relación con la señal en la

entrada. En la figura 1-3 (b), podemos decir que la salida está en fase con la entrada (ambas

ondas cruzan el punto cero al mismo tiempo yendo en la misma dirección). En (c), la salida

está desfasada en 90 grados con relación a la entrada (una onda cruza el punto cero cuando la

otra está en su punto máximo, yendo las dos en la misma dirección). En (d), el desfase es de

180 grados (ambas ondas cruzan el punto cero al mismo tiempo, pero yendo en direcciones

opuestas). Tenga en cuenta que estas relaciones de fase pueden cambiar en diferentes

frecuencias, y a menudo lo hacen en los circuitos de audio del mundo real.

FASE

Volt

aje

, In

ten

sid

ad

o S

PL

Tiempo

Presión

aire

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Fig. 1-3 Relaciones de fase entre las señales de entrada y salida

1.1.4.- Añadiendo ondas sinusoides.

La fase es muy importante en los sistemas de sonido. La razón principal por la que la

fase debe ser controlada es que afecta a la suma de los sonidos.

Cuando las señales de audio se mezclan en una consola, o en el aire, lo hacen de forma

algebraica. La figura 1-4 muestra el efecto de la fase en la adición de dos ondas sinusoides de

igual nivel y frecuencia, pero con diferentes relaciones de fase.

En la figura 1-4 (a), las ondas sinusoides están en fase, y se suman para formar una

onda sinusoide cuyo nivel es el doble con respecto al de cualquiera de las originales. En (b),

las ondas sinusoides tienen un desfase de 90 grados. Se suman para formar una onda

sinusoide cuyo nivel es 1,414 veces mayor que el de cualquiera de las originales. En (c), el

desfase es de 180 grados, lo que hace que ambas ondas se anulen.

Señales 1 y 2 Señales 1 y 2 Señales 1 y 2

En fase desfasadas 90 º desfasadas 180º

Fig. 1-4 La fase afecta a la suma total de las dos señales

1.2.- Finalidad básica de un sistema de sonido.

Un sistema de sonido es un arreglo funcional de los componentes electrónicos que se

diseña para amplificar (aumentar la fuerza) el sonido. Esto se hace por varias razones, siendo

las siguientes las más comunes:

Señal entrada

Salida en fase

Salida desfasada

90º

Salida desfasada

180º

Tiempo

Procesador de

señal

V ent. V sal.

La suma de ambas

señales es cero

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Para ayudar a la gente a oír algo mejor: por ejemplo, una persona hablando

en un estrado puede no ser oída al fondo del recinto. Se puede usar un sistema de sonido para

hacer que el sonido sea audible con claridad. En este caso, es hacer que la voz suene al fondo

del recinto tan fuerte ( y nunca más) como en el estrado.

Para aumentar la fuerza de un sonido por razones artísticas: un grupo vocal

en un pequeño club puede ser oído con claridad, pero no resulta necesariamente muy

estimulante. Un sistema de sonido puede darles mayor impacto musical haciendo parecer que

desborda la realidad.

Para permitir a las personas oír sonidos en lugares remotos: las

conferencias o los mítines a veces atraen multitudes superiores a la capacidad del auditorio.

Un sistema de sonido puede hacer que los discursos y los debates lleguen a una segunda

habitación, de modo que el público excedente pueda oírlos.

Estos son sistemas de sonidos diseñados para reproducir un sonido grabado o

retransmitirlo. En este caso, los requerimientos generales pueden ser similares a los del

sistema de refuerzo del sonido en directo, salvo por el hecho de que el reproductor, fonógrafo

o sintonizador de radio será substituido por un micrófono o un instrumento musical, y habrá

menos preocupaciones sobre la realimentación.

1.3.- Un modelo conceptual de un sistema de sonido.

Los sistemas de sonido amplifican el sonido convirtiéndolo en una energía eléctrica,

incrementando el poder de esa energía con métodos electrónicos y convirtiendo esa energía

eléctrica aumentada de nuevo en sonido.

En la electrónica del sonido, los aparatos que convierten la energía de un tipo en otro

se llaman transductores. Los aparatos que cambian uno o más aspectos de una señal de audio

se llaman procesadores. Usando estos términos, podemos modelar un sistema de sonido

básico, como se ilustra en la figura 1-5.

El transductor de entrada (un micrófono, por ejemplo) convierte el sonido en una

fluctuación de corriente eléctrica que es una representación exacta de un sonido. La corriente

fluctuante se denomina señal de audio.

El procesador de la señal altera una o más características de la señal de audio. En el

caso más básico, aumenta la potencia de la señal (el procesador que realiza esta función se

llama amplificador). En los sistemas de sonido, este bloque del diagrama representa un

conjunto de aparatos (preamplificadores, mezcladores, unidades de efectos, amplificadores de

potencia,...)

El transductor de salida (un altavoz o unos cascos) convierte la señal procesada y

amplificada de nuevo en sonido.

Fig. 5.- Sistema básico de sonido

Transductor entrada Procesador de señal Transductor de salida Conversión de

energía acústica

en eléctrica

Manipulación eléctrica

de la señal de audio

Conversión de la

energía eléctrica

en acústica

Energía acústica Energía acústica

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1.4.- Transductores de entrada.

En un sistema de sonido, los transductores de entrada convierten el sonido (energía

acústica) en señales de audio (energía eléctrica). Los tipos de transductores de entrada más

comúnmente utilizados en los sistemas de refuerzo del sonido son:

Micrófonos de velocidad o presión de aire: convierten las ondas sonoras que

viajan por el aire en una señal de audio que viaja por el cable del micrófono.

Fonocaptores de contacto: convierten las ondas sonoras de un medio denso

(madera, metal, piel) en una señal de audio. A veces se usa en instrumentos de cuerda como la

guitarra, la mandolina o el violín. Normalmente son de cristal.

Fonocaptores magnéticos: convierten las ondas fluctuantes de magnetismo

inducido en una señal de audio. Se encuentran en instrumentos eléctricos de cuerda.

Cabezales de casetes: convierten los campos magnéticos fluctuantes

(grabados en cintas magnéticas) en una señal de audio.

Fonocaptores de fonógrafos: convierten los movimientos físicos de una

aguja en una señal de audio. En los sistemas profesionales, el cartucho de tipo movimiento

magnético es el más empleado.

Fonocaptores láser: convierten patrones grabados en un compacto en una

corriente de datos digitales que es traducida por un DAC (conversor digito-analógico) en una

señal de audio digital.

Fonocaptores ópticos: convierten las variaciones de densidad o

transparencia de una película fotográfica en una señal de audio. Se unas en las bandas sonoras

de las películas.

Cada tipo de transductor de entrada tiene sus propias características, que deben ser

comprendidas si se quiere usar el transductor con propiedad. Una sección posterior tratará los

micrófonos en detalle.

1.5.- Transductores de salida.

En un sistema de sonido, los transductores de salida convierten la señal de audio

(energía eléctrica) de nuevo en sonido (energía acústica). Los tipos de transductores de salida

más comúnmente empleados en los sistemas de refuerzo de sonido son:

Bafle de bajos (woofer): diseñado específicamente para reproducir bajas

frecuencias (inferiores a 500 Hz). Los bafles de bajos se usan a veces para reproducir tanto

frecuencias bajas como medias (no superiores a 1’5 kHz). Normalmente los conductores

cónicos son utilizados como bafles de bajos, midiendo de 8 a 18 pulgadas de diámetro.

Bafle de frecuencias medias (squawker): Diseñados específicamente para

reproducir frecuencias medias (normalmente por encima de los 500 Hz). La mayor frecuencia

que reproduce una unidad de capacidad media no suele ser superior a 6 kHz. Si un conductor

cónico es usado como bafle de capacidad media, su diámetro puede variar de 5 a 12 pulgadas.

Si se emplea y conductor de compresión, su diámetro puede ir de 2’5 a 4 pulgadas (con unas

pocas unidades especiales por encima de las 9 pulgadas de diámetro)

Bafle de agudos (tweeter): diseñado para reproducir las más altas

frecuencias (superiores a 1’5 kHz e inferiores a 6 kHz). Si se emplea un conductor cónico, su

diámetro d diafragma irá de 2 a 5 pulgadas. Los diafragmas de los conductores de compresión

varían de menos de 1’5 pulgadas a más de 4.

Altavoces totales: sistemas integrados que incorporan bafles de bajos y

agudos en una sola carcasa. Como su nombre indica, están diseñados para reproducir (más o

menos) toda la gama de audio. En términos prácticos, raramente reproducen por debajo de los

60 Hz.

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Bafles de sub-bajos (sub-woofer): usados para ampliar la gama de los

sistemas de gama completa para incluir las frecuencias hasta 20 ó 30 Hz. Su gama rara vez

sobrepasa los 300 Hz. Los conductores cónicos son los que se emplean casi exclusivamente, y

normalmente miden entre 15 y 24 pulgadas de diámetro, aunque hay unas unidades

disponibles con diámetros de cono de 5 pies.

Bafles de ultra-agudos: usados para ampliar la gama de los sistemas de

gama completa en las frecuencias más altas (normalmente por encima de 10 kHz). Pueden ser

conductores de compresión o conductores piezoeléctricos en sistemas de sonido

profesionales, aunque la mayoría de los sistemas tipo hi-fi usan tecnologías más esotéricas.

Altavoces de monitor: altavoces de gama completa que se dirigen hacia el

intérprete del escenario, mejor que hacia el público. Se usan para devolver una porción del

programa al intérprete para ayudarle a mantenerse en el tono y el tiempo. A veces se les

conoce como pliegue. En los estudios de grabación, un monitor de estudio o un altavoz de

monitor de habitación de control es un sistema de gama completa y alta precisión diseñado

para permitir la evaluación del sonido que está siendo grabado.

Cascos: transductores de gama completa diseñados para ser colocados sobre

las orejas. Algunos diseños boquean la entrada del sonido ambiente, mientras que otros no lo

hacen. Los cascos se usan en algunos sistemas como monitores de búsqueda de ruidos y

pueden ser usados para comprobar una grabación en directo durante una actuación. Los

cascos también aparecen como parte de los sistemas de intercomunicación.

Cada tipo de transductor de salida tiene sus propias características, que deben ser

comprendidas si se quiere hacer un uso adecuado de un transductor. Una sección 13 posterior

trata el tema de los transductores de salida con más detalle.

1.6.- Un modelo práctico de un sistema de sonido.

La figura 1-6 muestra un sistema de sonido práctico, que podría ser utilizado en un

debate en un auditorio.

El sistema de la figura 1.6 está diseñado para amplificar la voz de los tres

conferenciantes. El sistema puede ser conceptualmente analizado en tres secciones:

Transductores de entrada: tres micrófonos convierten el sonido que recogen

de los conferenciantes en señales de audio que viajan a través de los cables hasta el equipo de

proceso.

Procesador de la señal: los tres micrófonos están conectados a entradas

individuales en la consola de mezclas. La consola ofrece las siguientes funciones:

Preamplificación: la sección de entrada del micrófono amplifica el

nivel de la señal de audio del micrófono.

Ecualización: la consola proporciona los medios para ajustar el

equilibrio tonal de cada micrófono individualmente. Esto permite al encargado de la consola

conseguir un sonido de mayor inteligibilidad y calidad.

Mezcla: la consola une la señal ecualizada de los micrófonos para

producir una única señal de salida.

La salida de la consola está conectada a un amplificador de potencia. Este amplifica el

nivel de la salida de la consola (de 0’1 a 100 miliwatios) hasta un nivel adecuado que será

llevado al altavoz (0’5 a 500 watios).

Transductor de salida: el altavoz convierte la señal amplificada de la salida

de nuevo en sonido. El nivel del sonido es ahora superior al de los tres conferenciantes antes

de recibir esta ayuda.

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Hay otro aspecto menos obvio pero igualmente importante en el sistema de sonido: el

ambiente. Cuando la salida del sonido del altavoz se propaga por el auditorio, es alterado por

las características acústicas de ese recinto.

El auditorio puede tener poco efecto en la claridad del sonido si, por ejemplo, no tiene

reverberación. Si es altamente reverberante, y el sistema de sonido no está diseñado e

instalado para enfrentarse a la acústica del auditorio, el efecto sobre el sonido puede ser tan

grave como para hacer que el sistema de sonido sea inútil.

El ambiente es una parte integrante del sistema de sonido, y sus efectos deben ser

tenidos en cuenta cuando el sistema sea instalado. Las secciones 5 y 6 de este manual tratan

en detalle los efectos del ambiente en el sistema de sonido.

Todos los sistemas de sonido, sin importar su tamaño, son una mera extensión de este

modelo básico. Los mismos principios que le aplican a este modelo, son aplicables a los

sistemas de refuerzo de un macro-concierto.

1.7.- Respuesta de frecuencia

La respuesta de frecuencia de un aparato describe la relación entre la entrada y la

salida del aparato con respecto la frecuencia y la amplitud de la señal. En su uso más común,

la respuesta de frecuencia describe la gama utilizable de frecuencias que el aparato pasará

desde la entrada hasta la salida.

Micrófonos

Altavoces

Procesador de señal

Amplificador

de potencia

Mesa de mezclas

Transductores de

entrada

Transductores de

salida

Fig. 1-6.- Sistema simple de sonido

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Consideremos el sistema que se muestra en la figura 1.7. Un elemento procesador de

una señal desconocida (o caja negra) se alimenta de un generador de ondas sinusoides de

frecuencia variable, y a su salida se conecta un aparato que indica el nivel de la onda

sinusoide en decibelios.

Fig. 1.7 Modelo de montaje para medir la respuesta de frecuencia

El oscilador ideal produce el mismo nivel de salida en todas las frecuencias (aunque,

en realidad, esta linealidad no es perfecta), así que el nivel de entrada a la caja negra es

constante. A medida que recorremos el oscilador de frecuencias a través de la gama de audio,

sin embargo, podemos ver que el nivel de salida de la caja negra, tal como registra nuestro

medidor, cambia. Si anotamos el nivel de cada frecuencia en un gráfico, podremos producir

una tabla como la de la figura 1.8. En ésta, el nivel de salida (eje vertical) se curva hacia la

frecuencia (eje horizontal).

Fig. 1.8 Curva de respuesta de frecuencia

El gráfico de la figura 1.8 recibe el nombre de curva de respuesta de frecuencia.

Muestra la gama de frecuencias que la caja negra pasa de la entrada a la salida y qué

fluctuaciones en el nivel de salida (si es que hay alguna) tienen lugar en esa gama.

Es importante entender que la curva de respuesta de frecuencia asume una constancia

en el nivel de entrada al aparato analizado. Precisamente por esta razón, nos da una indicación

de la fidelidad con la que el aparato transfiere una señal desde la entrada hasta la salida.

Cuanto menor sea la desviación en el nivel de salida a través de la banda de frecuencia

señalada, mayor será la fidelidad con la que la salida reflejará la señal en la salida.

Nota- El término respuesta de frecuencia se usa únicamente para referirnos a

aparatos de proceso de señales y a transductores, esto es, a aparatos a través de los cuales

pasa una señal. Cuando nos referimos a aparatos generadores de señales (osciladores,

instrumentos musicales) el término apropiado es ámbito o gama de frecuencia.

Generador de B.F.

Indicador

de nivel

Procesador

Frecuencia (Hz)

Niv

el re

lati

vo (

dB

)

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1.7.1.- Métodos básicos de especificación.

En su forma más simple, una especificación de respuesta de frecuencia se puede leer:

Respuesta de frecuencia: 30 Hz a 18 kHz, +/- 3 dB.

Tenga en cuenta que la gama (de 30 Hz a 18 kHZ) está acompañada por el calificativo

“±3 dB”. Esto recibe el nombre de tolerancia de la especificación. La tolerancia nos dice cuál

es la desviación máxima en el nivel de salida que podemos espera sobre la gama establecida si

el nivel de entrada es el mismo en todas las frecuencias.

Sin una tolerancia establecida, la especificación de la respuesta de frecuencia es inútil,

en tanto que debemos adivinar los efectos de la unidad sobre la señal. Podemos encontrar

grandes picos y/o depresiones en la respuesta y esto puede alterar la señal considerablemente.

Mientras una tolerancia de ±3 dB se asume en caso de no ser especificada tolerancia alguna, y

tal asunción es responsabilidad de quien elabora la gráfica, hay una razón por la que un

calificativo tan importante es omitido en una especificación.

Algunos aparatos de audio muestran una respuesta de frecuencia extraordinariamente

plana, como se muestra en la figura 1.9. Tal curva de respuesta sería característica de un

amplificador de potencia, por ejemplo.

En tales casos, los límites de la respuesta de frecuencia se consideran los puntos en los

que la salida de la unidad está 3 dB por debajo del nivel medio de referencia. La respuesta de

frecuencia del aparato reflejado en la figura 1.9 sería la siguiente:

Respuesta de frecuencia: 20 Hz a 30 kHz +0, -3 dB.

Si la respuesta de frecuencia del aparato en cuestión excede con mucho la gama total

de la audición humana (20 Hz a 20 000 kHz), la respuesta de frecuencia puede ser

especificada indicando simplemente la desviación total de la respuesta dentro del ámbito de

audición. La especificación para el aparato mostrado en la figura 1.10, por ejemplo, sería:

Respuesta de frecuencia: 20Hz a 20kHZ +0, -1dB

Por otra parte, si elegimos los –3dB puntos como los límites de la frecuencia, la

especificación sería: Repuesta de frecuencia: 10Hz a 40Hz, +0, -3dB

2.1.2.- Relaciones de octava y medidas.

Nivel de

referencia

Nivel de

referencia

Fig. 1.9 Curva de respuesta Fig. 1.10 Especificación de respuesta de frecuencias