Filtros Consideraciones sobre el diseño de Filtros para Pantallas Acústicas Introducción: El diseño asistido por ordenador ha experimentado un auge tremendo en los últimos años. Existen numerosos programas que realizan simulaciones muy exactas. Su uso es generalizado y puede acelerar de forma brutal el tiempo empleado en el diseño de un filtro para altavoces. Estos programas de simulación tienen en cuenta la respuesta eléctrica del filtro, pero lo que es más novedoso, también la respuesta en frecuencia propia de los altavoces usados. Es posible definir "objetivos" y dejar al programa que evalúe cuales son los componentes necesarios del filtro para conseguir una curva de respuesta deseada. ¿Qué valor tienen estas simulaciones o metodología de trabajo? O más bien la pregunta es ¿valen para algo? La respuesta es compleja. La simulación nos puede dar la respuesta en frecuencia a 1 m de distancia, por ejemplo. También nos puede dar la respuesta polar en función del ángulo de giro (siempre y cuando introduzcamos previamente la respuesta polar individual de cada driver). O incluso la respuesta teniendo en cuenta el efecto de la sala (en algunos programas se puede introducir los coeficientes de absorción de la habitación). Dependerá de lo preciso que sean los datos introducidos. Normalmente solo se considera la respuesta a 1m, ya que los altavoces se suelen medir a 1m. ¿Pero que pasa a 2 o más metros? Pues que las cosas cambian muchísimo. Se podrían introducir los datos de la respuesta individual de los altavoces a 2 o más metros, todo esto no hace más que complicar las medidas previas. Desde luego es mejor partir de una base sólida que diseñar un filtro a lo "loco" o a oído. Si la respuesta frontal a 1m es la que queremos (normalmente, lo más plana posible), al menos tendremos la seguridad de que el equilibrio tonal es más o menos correcto. Y eso, en pantallas acústicas, ya es todo un logro. Por tanto, antes de nada, es preciso tener la respuesta en frecuencia de los altavoces usados. Y aquí empiezan los problemas. Medir la curva de respuesta de un woofer no es tarea sencilla, menos para un neófito en el campo de las medidas de audio. La medida del tweeter es un poco más sencilla. Algunos se preguntarán por qué no usar las curvas publicadas por el fabricante. Pues por cuatro motivos: porque mienten más que hablan, porque puede haber grandes diferencias en el proceso de fabricación resultando unidades que se alejan mucho de la respuesta modelo, porque las medidas de los fabricantes no son medidas en "baffle" si no en condiciones especiales de laboratorio y porque no suele adjuntarse la respuesta en fase. Para el diseño del filtro también necesitamos la medida de la impedancia en módulo y fase. Más adelante veremos qué pasa si no tenemos en cuenta estos parámetros. Voy a realizar un ejercicio explicativo de todo esto. Voy a coger una pareja de altavoces y voy a exponer el resultado de la simulación en dos casos: usando la respuesta oficial del fabricante y usando la respuesta realmente medida de ellos. El nivel de este artículo es "medio", se presupone que se conocen bastantes cosas, pero puede valer también como iniciación para "novatos" y recordatorio para "expertos". Me voy a centrar en el Woofer, ya que el Tweeter suele tener menos discrepancias de medida y uso. Puesto que yo mismo no estoy muy seguro de cómo medir un altavoz, lo que voy a usar son las medidas que realizaron dos afamados personajes del mundo de la construcción de altavoces para un proyecto (más bien un concurso) que se realizó en USA llamado DIY2000 (“hágalo usted mismo 2000"). Las medidas me parecen muy fiables ya que estas dos personas, de reconocido prestigio y conocimiento, obtuvieron un resultado casi idéntico. Las medidas se suponen con el woofer metido ya en su caja, que creo que era de unos 15 litros. Una pregunta muy frecuente es de dónde sacar los ficheros (conocidos como "FRD") de respuesta en frecuencia, fase e impedancia. Pues no hay, que yo sepa, bases de datos centralizadas o páginas Web que los suministren. Buscando por ahí aparecen de vez en

Filtros cuando sitios Web con los ficheros de algún determinado modelo. Es preciso asegurarse de la calidad de las medidas... Los altavoces son el Vifa PL18 y el Seas T25 (tiene una respuesta muy similar al SS2905/9500). Son unidades de gama alta, de fabricantes de prestigio. ¿Cómo mide Vifa sus altavoces? Pues de la siguiente manera. Los altavoces se miden en una cámara anecoica (con frecuencia de corte de 100Hz, de 6x7x8 metros). EL altavoz se sitúa en una de las paredes, sin acolchar, por lo que esa pared es como un "baffle infinito", radiando todo hacia adelante. EL volumen de la caja donde está el altavoz es de 320 litros. El equipo de medida es un caro analizador 2012 de Bruel&Kjaer (que he tenido el privilegio de usar durante 3 años para medidas de teléfonos DECT) con sus micrófonos calibrados correspondientes.

Foto sacada de la Web de Vifa

Respuesta oficial, respuesta medida. En la gráfica de abajo se puede comparar la respuesta oficial (nº1 en Negro), con la respuesta medida en el baffle usado (nº2, en azul). Podéis ver como al fabricante no le sale la "chepa" entorno a 700 Hz, y como las medidas del fabricante (en baffle infinito) tienen una respuesta en graves mucho mejor. Esto no es un engaño del fabricante, depende de cómo se mida el altavoz. Esto está legislado en una norma de la IEC. En las gráficas he tenido que meter un offset de 6 dB ya que creo que las medidas "reales" no son absolutas con respecto al rendimiento del altavoz, he igualado la curva a 1000 Hz.

En el rango de frecuencias bajas hay que tener en cuenta el fenómeno referido como "baffle step". El problema se produce en frecuencias por debajo de 500 Hz y se debe a que nuestras pantallas empiezan a radiar por todos lados y no hacia el frente. Esto está motivado por la longitud de onda de las frecuencias bajas, que empiezan a "rodear" la caja y salir hacia todos los lados. Lógicamente, en la medida frontal se obtiene una radiación menor. Si se usa un "baffle infinito", tal como hace el fabricante en sus medidas, esto no ocurre. Lo que está claro es que no se puede abordar un diseño partiendo de las gráficas oficiales, o bien tener en

Filtros cuenta la reducción en 6 dB más o menos que vamos a tener a partir de 500Hz para abajo. Esto siempre es un asunto polémico ya que dependiendo de la posición de las pantallas podemos tener un refuerzo adicional debido a la reflexión en las paredes. Tened en cuenta que Vifa es un fabricante bastante serio, sus curvas son "creíbles". Por eso las discrepancias son relativamente pequeñas, salvo a frecuencias bajas por el tema ya referido. En otras marcas de altavoces, las discrepancias pueden ser dramáticas. Para el tweeter Seas T25-001 la situación es la que muestra la gráfica:

Vemos como también hay discrepancias en la curva. He tenido que meter un offset de 6dB para que ambas curvas casen más o menos. En negro la curva oficial (he metido pocos puntos en la medida oficial y me ha salido un poco churro, pero más o menos es así). En azul la medida realizada para el "DIY2000". Se observa como la respuesta en baja frecuencia es bastante más extendida de lo que dice el fabricante. El problema es que pilla en plena zona de cruce, puede dar un sonido más chillón de lo esperado (si no se corrige). Por otro lado, el tweeter parece tener unos picos más que notables (unos 3dB) en la zona de 4 a 10Khz, puede resultar de nuevo, si no se corrige, en un sonido chillón (bueno, la verdad es que la frecuencia ya es alta, quizás más que chillón algunos digan que "tiene mucho detalle", lo cual se suele calificar como "muy positivo"). Según he leído, de las varias medidas del tweeter que se hicieron, los resultados fueron bastante desiguales entre unidades. Seas hace las medidas en cámara, a tan solo 0.5m del tweeter, éste montado en un frontal de 0.6 x 0.8 m. Ojito con enrasar adecuadamente el tweeter, de lo contrario pueden salir picachos de refracción en los bordes, tal como he comprobado personalmente. Bueno, vamos con la respuesta conjunta Vamos a ver qué pasa en las simulaciones. Para ello vamos a usar el filtro de cruce ganador del concurso DIY2000, el presentado por el gran Dennis Murphy. Atención: se ha mantenido el dato medido por Dennis Murphy sobre impedancia de los drivers en ambos casos. Me ha dado un poco de pereza meter los datos oficiales de impedancia, creo que son casi iguales.

Filtros

Vemos como en la curva azul, el efecto del filtro sobre los datos oficiales, sale bastante disparatado, como consecuencia de la discrepancia en las medidas oficiales con respecto a las reales (de este caso en concreto). En negro, la respuesta obtenida de la síntesis de este filtro usando medidas reales. Podemos ver como el diseñador ha preferido una pequeña relajación en la zona de 1000 a 3000 Hz, la de máxima sensibilidad del oído. Esto suele ser bastante positivo. El pico a 700Hz no ha sido corregido del todo (es de tan solo 2 db como mucho), y la respuesta del tweeter tira un poco a "brillante". Todo esto puede resultar en un sonido bastante agradable y detallado. Recordad que la escala de la gráfica es de tan solo 5 dB por división (mucho cuidado con esto, la mayoría de las gráficas suelen ser de 10dB por división, resultando en curvas más "planas" a la vista). Rehaciendo el razonamiento, un filtro diseñado con los datos oficiales resultaría en unas pantallas con muy pocos bajos y "bajos-medios", unas pantallas muy chillonas. Si se tiene confianza en las medidas oficiales y se aplica una corrección por baffle step de 6 dB desde los 500 Hz para abajo, se pueden obtener unos resultados bastante razonables. ¿Qué pasa si no tenemos en cuenta los datos de la impedancia? Pues en la gráfica de abajo lo tenemos:

Filtros La negra, sin tener en cuenta la curva de impedancia de los altavoces, la azul, teniéndola en cuenta. Está claro ¿no? (regular, cuando tenga un rato lo analizo...) Resumen Quedan por analizar algunas cosillas más (¿qué pasa con la fase, caso de no tenerse en cuenta?, etc.) que completaré más adelante. También hay que considerar la posición relativa de los altavoces (sobre todo la profundidad relativa de los conos) y otras muchas cosas. Si analizáramos también estos aspectos, veríamos que la necesidad de tener medidas reales en nuestras cajas es aún mayor. Quizás así se entendiesen también filtros comerciales que algunos tachan de disparatados (atendiendo solo a las medidas oficiales de los fabricantes de los drivers). Hay montones de aspectos que no se han tratado. Entre ellos, las pendientes de cruce los filtros. Sabemos que resulta muy positivo usar filtros con pendientes del tipo Linkwitz (para mantener la fase acústica coherente). Pero estas pendientes deben ser el resultado FINAL (pendiente eléctrica + pendiente mecánica del altavoz). Sin medidas reales y un programa de simulación resulta casi imposible su análisis y síntesis. También, mediante simulación, se puede ver que tal queda la impedancia de las cajas, para tratar que sea lo más benigna posible para el amplificador. Esta claro que este es el camino serio y quizás el único para realizar un diseño casi-profesional de un crossover. ¿Pero qué podemos hacer si no tenemos el conocimiento y/o equipamiento para estas medidas? Pues confiar en las medidas oficiales, meter una dosis de bafle step, y realizar el filtro un poco a ojo, con pendientes lo menores posibles (siempre y cuando no sea necesario eliminar resonancias muy abruptas y los altavoces lo permitan), y tratar de ajustar la ganancia relativa del tweeter respecto al woofer. La verdad es que así se pueden obtener también resultados muy satisfactorios y gratificantes. Se trata de eso ¿no?