miércoles, 22 de septiembre de 2010

COMO FUNCIONA LINE ARRAY

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Ingeniería de Audio
D.A.S. Audio, S.A. - C/ Islas Baleares, 24 – Pol. Ind. Fuente del Jarro – 46988 Paterna (Valencia) – Tel. 96 1340860 pág. 1
LINE ARRAYS: CÓMO FUNCIONAN.
Line Arrays vs Sistemas Convencionales
Los line arrays han sido especialmente diseñados para que, cuando ensamblamos varias
unidades, el conjunto se comporte como una única fuente sonora. Esto es lo que los
diferencia de los sistemas convencionales. El formato horizontal de las cajas, la
distancia entre altavoces, las frecuencias de corte y el diseño de la vía de agudos son lo
que posibilita este comportamiento.
En las vías de medios y graves de los line arrays hay dos características por las cuales
merece la pena comenzar. La primera es evidente a la vista, y es la disposición en
vertical de los transductores, muy próximos entre si. La segunda no se puede ver, pero
se menciona en cualquier texto que hable sobre line arrays, y es la frecuencia de corte
superior de los altavoces, que como veremos mas tarde es parte importante del diseño
del sistema y no puede variarse sin afectar negativamente al comportamiento del
equipo. Estas dos características tienen más en común de lo que pudiera parecer en un
principio y se podrían explicar a la vez. Sin embargo hemos preferido introducirlas
separadamente, por claridad. ¡Manos a… la teoría!
Características ideales de un equipo.
Hay dos características acústicas que sería conveniente que tuviera un equipo de sonido.
La primera sería la capacidad de controlar la directividad vertical, de forma que se
pudiera dirigir la energía acústica allí donde está el público, evitando que llegue donde
nos puede causar problemas (como los techos de los teatros) o que se desperdicie
cuando estamos al aire libre. La segunda característica sería que las diferentes fuentes
sonoras individuales se sumasen de forma coherente o eficaz, actuando el conjunto
como una única fuente sonora, obteniendo así una distribución de presión uniforme con
la distancia. A continuación explicaremos con mas detalle por qué estas dos
características son convenientes y cómo se consigue.
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Control de la directividad vertical ¿Por qué?
En la fig. 1 tenemos un ejemplo de un sistema que tiene poco control de la directividad
vertical. Las cajas están alineadas en vertical y tan próximas entre si como es posible,
pero los transductores que reproducen la frecuencia del ejemplo están muy separados
debido al diseño vertical de la caja. El lóbulo que aparece en la parte superior del mapa
de presión será causa de una reflexión que llegará al área de audiencia con un retraso
respecto al sonido directo. Esto afectará sin duda a la inteligibilidad.
Fig. 1. Sistema con un pobre control de directividad vertical.
En la fig. 2 vemos un sistema que si tiene un buen control de la directividad vertical. Se
aprecia claramente que la energía se concentra donde está el público.
Fig. 2. Sistema con un buen control de la directividad vertical.
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Control de la directividad ¿Cómo?
La cobertura vertical que necesitamos en un sistema para que sólo cubra la zona donde
está el público no suele ser muy grande. ¿Cómo debemos configurar un sistema si
queremos estrechar su cobertura vertical? Hay un principio general en electroacústica
que dice que cuanto menor sea la distancia entre altavoces mas estrecha se hace la
cobertura. Desde luego la frecuencia también es un factor en este fenómeno.
En los line arrays utilizamos este principio general para conseguir una cobertura
estrecha ensamblando los transductores en vertical tan próximos entre si como es
posible. La cobertura horizontal del sistema será como la de un solo altavoz.
Para ilustrar este principio general vamos a ver un ejemplo de lo que sucede con la
cobertura de un sistema completo cuando la distancia entre cajas se va haciendo mas
pequeña. Esto es aplicable a cualquier sistema, es decir, que no hay nada específico de
los line array en este fenómeno. Las leyes físicas que son aplicables a los line arrays
también son aplicables a un sistema convencional.
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En las fig. 3-4-5 vemos seis sistemas convencionales. En la fig. 3 los centros de los
transductores están separados entre si por una distancia de dos longitudes de onda, en la
fig. 4 la distancia es una longitud de onda y en la fig. 5 la separación es de media
longitud de onda. Se ve claramente cómo la cobertura se hace mas estrecha y el mapa
más uniforme cuanto menor es la distancia entre transductores.
Fig. 3. Mapa de cobertura vertical de varias fuentes separadas 2λ.
Fig. 4. Mapa de cobertura vertical de varias fuentes separadas λ.
Fig. 5. Mapa de cobertura vertical de varias fuentes separadas λ/2.
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Acoplamiento eficaz ¿Por qué?
El acoplamiento eficaz, o suma coherente, tendrá como efecto último que la distribución
de presión con la distancia sea uniforme. Esto se consigue evitando que aparezcan
lóbulos secundarios en la respuesta polar vertical del conjunto. Si nos fijamos en las
imágenes de la izquierda de las fig. 6 y 7 veremos como en el primer caso aparecen
lóbulos secundarios en la respuesta polar vertical, mientras que en el segundo caso
podríamos decir que hay un solo lóbulo principal.
Fig. 6. Variación del SPL con la distancia en el patio de butacas. La cobertura no es uniforme.
Fig. 7. Variación del SPL con la distancia en el patio de butacas. Aquí la cobertura si es uniforme.
El efecto en la distribución de la presión a lo largo de la distancia es el que se ve en las
imágenes de la derecha, que corresponden al patio de butacas del teatro del ejemplo. En
la fig. 6 se ve que las irregularidades en la distribución de presión se corresponden con
los lóbulos de la respuesta polar. En ese caso el balance frecuencial que se escucha en la
posición de la mesa de mezclas puede tener muy poco que ver con lo que se escucha en
otras zonas del teatro. En la fig. 7 se ve que la distribución de presión es más uniforme,
porque no hay lóbulos en la polar. Una medida de respuesta en frecuencia en varias
posiciones dará unos resultados más parecidos que en el caso anterior.
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Acoplamiento eficaz ¿Cómo?
Antes de entrar a explicar cómo se consigue un acoplamiento eficaz en los line arrays
sería interesante destacar algo que no se menciona lo bastante. En los line arrays los
altavoces de cono reproducen únicamente frecuencias a las cuales la respuesta polar del
transductor es omnidireccional. Este concepto lo usaremos mas tarde.
Para hacernos una idea de cómo será la cobertura de un transductor en función de la
frecuencia hay que estudiar lo que se llama el factor k·a, donde k = 2πf/c y a es el radio
del altavoz. Cuando k·a es igual o mayor que 2 aparecen lóbulos secundarios y la
cobertura se hace muy estrecha para ser útil en un line array.
Frecuencia k·a (altavoz 8”)
f = 30Hz 0.105
f = 60Hz 0.211
f = 120Hz 0.421
f = 160Hz 0.562
Tabla 1. Factor k·a para un altavoz de 8” a diferentes frecuencias.
Una vez dicho esto, para entender cómo conseguir un acoplamiento eficaz aplicaremos
un principio acústico que llamaremos principio general para hacer énfasis en que es
aplicable a cualquier fuente sonora, sea line array o no. Este principio general dice que
para conseguir un acoplamiento eficaz los transductores deben reproducir únicamente
frecuencias cuya longitud de onda sea grande comparada con la distancia entre centros
de los altavoces.
Fig. 8. Para que se produzca un acoplamiento eficaz la longitud de onda de la frecuencia de corte superior ha de ser mucho mayor
que la distancia entre los centros de los altavoces.
d λ > > d
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Lo que os estaréis preguntando ahora es ¿concretamente cómo de grandes han de ser las
longitudes de onda respecto de la distancia entre transductores para que el acoplamiento
sea eficaz? Vamos a contestar esta pregunta al final de la siguiente explicación.
Hemos dicho que queremos que no aparezcan lóbulos secundarios en la respuesta polar
vertical, o dicho de otra manera, queremos que sólo aparezca un lóbulo principal. Esto
es lo mismo que decir que tenemos que diseñar nuestro sistema de forma que el primer
mínimo aparezca a 90º fuera del eje. Así sólo habrá un lóbulo, apuntando hacia donde
se encuentra el público. Para simplificar los cálculos vamos a hacer un ejemplo con dos
cajas.
Fig. 9 Diseñaremos el sistema para que el primer mínimo de presión aparezca a 90º respecto del eje.
En la fig. 9 podemos ver dos altavoces de cono dentro de dos cajas. En el eje ambas
ondas llegarán al mismo tiempo a la posición de escucha, o sea que se sumarán en fase
resultando un nivel de presión sonora 6 dB mayor que el producido por una sola fuente,
como se ve en la fig. 10.
Fig. 10. En el eje ambas ondas llegan a la vez, y por lo tanto se suman en fase.
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La fig. 11 muestra como a 15º fuera del eje se produce una diferencia de caminos
δ = d·cos θ. En nuestro ejemplo donde la distancia d entre fuentes es igual a 27 cm la
diferencia de caminos δ es igual a 6.98 cm. Esta diferencia de caminos representa una
diferencia de fase de 46.6º a la frecuencia de nuestro ejemplo que serán 630 Hz. La
presión sonora resultante será 5.3 dB mayor que la producida por una única fuente
sonora.
Fig. 11. A 15º hay una diferencia de caminos, lo que implica un desfase entre ambas ondas.
En la tabla 2 se puede ver la diferencia de caminos, de fase y de presión resultante para
diferentes ángulos fuera del eje. Hay dos resultados a los que resulta interesante prestar
especial atención.
Ángulo Inc. Distancia Inc. Fase Ganancia
0º 0cm 0º 6dB
15º 6.98cm 46.6º 5.3dB
30º 13.5cm 90º 3dB
45º 19cm 127.3º -1.1dB
60º 23.4cm 156º -7.7dB
75º 26cm 173.9º -19.1dB
90º 27cm 180º - Infinito
Tabla 2. Diferencia de caminos, de fase y de presión para varios ángulos.
El primer resultado interesante se da a 45º fuera del eje. Vemos que a ese ángulo la
presión sonora es 1.1dB menor que la presión producida por una única fuente sonora.
Cuando la diferencia de fase entre dos ondas es igual a 120º la presión resultante es
igual a la de una única fuente sonora. Conforme la diferencia de fase aumenta la presión
resultante disminuye, siendo menor a la de una única fuente.
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El segundo resultado interesante, y fundamental, es el que se produce a 90º fuera del
eje. En la fig. 12 vemos que ahora ambas ondas están en contrafase, o desfasadas 180º.
Esto resulta lógicamente en una cancelación total a causa de la diferencia de fase de
180º y también porque los niveles de presión de ambas cajas es el mismo en ese punto.
Hay que recordar que el patrón polar de cada transductor es omnidireccional, como se
dijo mas arriba.
Fig. 12. Suma de las ondas a 90º.
En la fig. 13 vemos la respuesta polar de este sistema a la frecuencia del ejemplo. Se ve
cómo a esta frecuencia aparece un único lóbulo y no aparecen lóbulos secundarios, tal y
como queríamos.
Fig. 13. Polar de las dos cajas.
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Es decir, que la forma de evitar que aparezcan lóbulos secundarios en la polar, los
cuales producirían una distribución de presión no uniforme con la distancia, es
limitando la banda de frecuencias a reproducir por cada vía a aquellas frecuencias para
las cuales la distancia entre altavoces d sea igual o menor a la mitad de la longitud de
onda. La conocida ecuación:
La longitud de onda mas corta que reproducirá cada altavoz (d = λ/2) se corresponderá
pues con la frecuencia superior de corte de la vía en un line array. La longitud de onda
de la frecuencia de corte será así mayor que la distancia entre altavoces d, exactamente
dos veces mayor. La frecuencia de corte inferior será incluso mas grande, como se
especifica en la ecuación de la fig. 8, λ >> d.
Esto demuestra por qué la frecuencia de corte no debería cambiarse nunca en un line
array. Nos arriesgamos a que los altavoces de cono trabajen a frecuencias a las cuales
aparezcan lóbulos secundarios, estropeando la uniformidad de la presión con la
distancia, lo cual es una de las principales ventajas de los line arrays.
¿Podemos utilizar la misma técnica para reproducir las altas frecuencias?
Es evidente que no. Hemos dicho que para obtener un acoplamiento eficaz entre fuentes
sonoras y que no aparezcan lóbulos en la respuesta polar la distancia entre fuentes debe
ser menor o igual a la mitad de la longitud de onda de la frecuencia más alta a
reproducir. En el caso de las altas frecuencias la frecuencia más alta es 20KHz, y la
longitud de onda de 20KHz es 1.7cm. No existen transductores de agudos de 0.85cm de
diámetro lo bastante potentes o eficaces para las aplicaciones de refuerzo sonoro
profesional. Por lo tanto vamos a tener que pensar en una técnica diferente para
solucionar el problema de los agudos en nuestro equipo line array.
d <= λ/2
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Idealmente, en los agudos, querríamos una fuente sonora vertical y contínua que
produjese un frente de onda isofásico. Una fuente de este tipo produciría una cobertura
vertical similar a la que obtendremos de las secciones de medios y agudos de nuestro
line array, y se evitarían los lóbulos secundarios puesto que toda la superficie radiaría en
fase.
Podemos hacer un sistema real que se aproxime al ideal ensamblando verticalmente
fuentes sonoras rectangulares discretas como se ve en la fig. 14, siempre que la
separación entre ellas sea tal que la superficie radiante sea al menos el 80% de la
superficie total. Hay que tener en cuenta que las superficies radiantes discretas estarán
separadas entre si por el grosor del recinto acústico, es necesario pues poner una
restricción a la relación entre superficie-total/superficie-radiante de forma que el
conjunto se aproxime a la fuente continua ideal.
Fig. 14. Suma de superficies radiantes discretas que se comportan como una única fuente.
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La Guía de Ondas.
Para obtener una superficie radiante rectangular a partir de un motor de compresión
cuya salida es circular necesitaremos de una guía de ondas, que es la pieza clave en un
line array. En el caso del modelo CA28 de DAS Audio se utiliza la guía de ondas de la
fig. 15.
Fig. 15. Media guía de ondas vista desde el frente (izq.) y desde el lateral interior (der.)
Esta Guía de Ondas tiene una ondulación, una curvatura, que es más pronunciada en el
centro que en las partes superior e inferior. Si no fuese así la onda llegaría antes al
centro que a los extremos y tendríamos un frente de onda curvado que no nos serviría
para un line array, porque produciría interferencia entre fuentes adyacentes ocasionando
lóbulos en la respuesta polar.
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En la fig. 16 podemos ver cómo sería el frente de ondas con y sin la curvatura en la
Guía de Ondas.
Fig. 16. Onda que obtendríamos sin corrección de longitud (izq.) y onda que se obtiene con un guía de ondas con corrección de
longitud (der.).
La Guía de ondas se encarga pues de igualar los caminos de forma que la distancia
desde la salida del motor al centro y a los extremos superior e inferior de la superficie
radiante sean iguales. De ese modo obtenemos una onda isofásica que tendrá una
cobertura vertical estrecha, evitando la interferencia con las superficies radiantes
adyacentes como ya hemos mencionado. Existen otras guías de ondas que utilizan
técnicas diferentes para conseguir lo mismo.
Curved Wavefront Flat Wavefront
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Principales Características de los sistemas line array.
Como resumen es interesante mencionar las tres características que diferencian a la
mayoría de los line array (los que utilizan altavoces de radiación directa) de los sistemas
convencionales. Si un sistema line array con altavoces de radiación directa carece de
alguna de estas características no se puede decir que vaya a comportarse como un line
array. Estas características son las siguientes:
1.- Los altavoces de cono están montados formando una linea vertical, tan próximos
entre si como es físicamente posible, lo cual contribuirá al control de la directividad
vertical.
2.- La frecuencia mas alta que cada altavoz de cono deberá reproducir (la frecuencia de
corte superior) será aproximadamente la que se corresponda con la longitud de onda que
se define en la ecuación:
d= λ/2 , donde d es la distancia entre centros de los altavoces.
3.- La sección de agudos tendrá algún tipo de Guía de Ondas que producirá una onda
isofásica, o casi isofásica (dependiendo del diseño del sistema y de su aplicación).

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