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SEDE TEMUCO
MEDICIONES DE UN ALTAVOZ EN SALA ANECOICA Y CAMPO LIBRE: PARA SU COMPRESIÓN, DESARROLLO Y ANÁLISIS EN G.P.A.
AUTOR: ERWIN ALEJANDRO OYARZÚN GUZMÁN PROFESOR GUIA: SEBASTIAN RIVAS GODOY CARRERA: INGENIERIA DE EJECUCION EN SONIDO
7 de Septiembre de 2009
CALIFICACIONES
AGRADECIMIENTOS Al finalizar esta etapa de mi vida, quiero agradecer a mi familia pues sin duda me dieron fuerzas para enfrentar este desafío. A mi maite por sus valores, consejos y enseñanzas que en los momentos más difíciles me ayudaron muchísimo y gracias por tu herencia de ser un soñador, sin eso no podría ser el que soy. A mi faite por su preocupación, paciencia y esfuerzo que dedica cada uno de mis hermanos. Al mejor hermano del mundo sin duda… whuaro mil gracias por tu apoyo y ayuda. A mi dai por su cariño y compañía que me brinda siempre. Gracias por estar conmigo. A mis compañeros de carrera en especial a Rodrigo e Isaac por su amistad que fue creciendo durante este ultimo tiempo. Gracias amigos. A mis profesores en especial al Profesor Claudio Pedemonte, Pedro Brito, Mario Carrasco y Sebastián Rivas por su apoyo en este proyecto.
Dedicado Plenamente a mis Padres…
i
INDICE GENERAL DEL TEXTO I. FUNDAMENTOS I.1 INTRODUCCIÓN
1
I.2 OBJETIVOS
2
I.2.1 Objetivos generales
2
I.2.2 Objetivos específicos
2 3
II DESARROLLO EL PROYECTO
4
II.1. PLANIFICACIÓN Y METODOLOGÍA DEL PROYECTO II.1.1. Antecedentes Generales
4
II.1.2. Planificación del Estudio
5 6
II.1.2.1 Selección del lugar de las mediciones
6
II.1.3. Materiales II.1.3.1. Plataforma Giratoria
6
II.1.3.2. Sonómetro
7
II.1.3.3. Generador de ondas Protek
8
II.1.3.4. Amplificador
8
II.1.3.5. Modulo Tasso audio
8
II.1.3.6. Materiales anexos
9
II.1.4. Vista de la Estructura Virtual
10
II.2. DESCRIPCION DEL DESARROLLO DEL PROYECTO
11
II.2.1. Conceptos básicos para la obtención del método
12
II.2.1.1. Propagación del Sonido
12
II.2.1.2. Ondas Esféricas
12
II.2.1.3. Ondas Cilíndricas
13
II.2.1.4. Efectos de la Temperatura en la Propagación del sonido
14
II.2.1.5. Absorción del aire en función de la humedad
15
II.2.1.6. Atenuación de la Distancia
16
II.2.1.7. Atenuación del Aire
16
II.2.2. Comportamiento de un Arreglo Lineal
17
II.2.2.1. Diferencia de propagación en la Región de Fresnel y Región de Fraunhofer
17
II.2.2.2.Problemas con un sistema de fuentes múltiples
18
II.2.2.3 Directividad uniforme de un arreglo
21
ii
II.2.2.4 Cobertura de un arreglo II.2.2.5 Principios que deben cumplir los line arrays
23 24
II.2.2.6 Programas de Predicción Acústica y Configuración de un Line Arrays III PROYECTO FINAL III.1. PRESENTACION DEL PROBLEMA
24 25 26
III.1.1 Necesidad de un software de predicción acústica y configuración de Sistema “Line Array” Tassoaudio III.1.1.1. G.P.A. Predicción Acústica III.1.2. Problemas con la guía de ondas del modulo III.2. OBTENIENDO EL MÉTODO DE MEDICIÓN EN CAMPO LIBRE
26 26 27 28
III.2.1. Análisis del THD del modulo
28
III.2.2. Corroborar el generador de onda
30
III.2.3. Análisis Teórico
31
III.2.3.1 Cálculo de la reflexión del suelo al sonómetro
31
III.2.3.2 Margen de error teórico
33
III.2.4. Procedimiento de medición experimental en campo libre III.2.5. Mediciones en campo libre.
34 36
III.2.6. Obteniendo los patrones polares en campo libre
38
III.2.7. Obteniendo los patrones polares en campo libre para G.P.A.
38
III.2.8. Midiendo en la cámara anecoica
40
III.2.9 Obteniendo los patrones polares en la cámara
41
III.3. SOLUCION Y ANALISIS DEL PROBLEMA
43
III.3.1. Analizar las mediciones realizadas en ambos casos
43
III.3.2. Interpretar los datos en G.P.A
46
III.3.3. Observaciones de como se comporta el altavoz con uno y varios módulos en G.P.A.
46
III.4. PRESUPUESTO Y COSTO DEL PROYECTO
52
III.5. CONCLUSIONES
53
IV ASPECTOS COMPLEMENTARIOS
55
IV.1. BIBLIOGRAFÍA
55
IV.2. ANEXO
56
iii
Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
INDICE DE FIGURAS Fig. II.1.2.1 Tabla de planificación del estudio
5
Fig. II.1.3.1.1 (a) Plataforma giratoria, (b) Imagen que demuestra la pantalla del bafle puesta en el eje de la plataforma como técnica para la medición
6
Fig. II.1.3.2.2 Sonómetro Quest 2800 con guardaviento
7
Fig. II.1.3.2.3 Ponderaciones del sonómetro Quest 2800
7
Fig. II.1.3.5.1 Características del modulo (a) modulo” line arrays” (b) ficha de especificaciones del Fabricante Fig. II.1.4.1
9
Se visualiza la estructura virtual para las mediciones
en campo libre
10
Fig. II.2.1.4.1 (a), (b) Efectos del sonido con respecto de la temperatura
14
Fig. II.2.1.5.1 Atenuación en dB a 30 mt con respecto a la humedad
15
Fig. II.2.1.6.1. Coeficiente de absorción del aire (dB/mt) Norma ISO 9613 parte 1
16
Fig. II.2.2.1.1 Región de Fresnel y Región Fraunhofer
18
Fig. II.2.2.2.1 Valores de
Fig. II.2.2.2.2 Valores de
d
λ d
λ
para 2 fuentes en arreglo lineal
para 5 fuentes en arreglo lineal
Fig. II.2.2.3.1 La relación entre uniforme de la
l
λ
20
20
y la direccionalidad de un modelo
línea fuente
21
Fig. II.2.2.3.2 Tabla de atenuación en función a la frecuencia respecto de la longitud del array.
22
Fig. II.2.2.3.3 Grafico de distancia frontera de un array con respecto a la longitud del array
22
Fig. II.2.2.4.1 Grafico de coberturas
23
Fig. III.1.1.1 Programa G.P.A. con sus aplicaciones
26
Fig. III.1.2.1 Guía de ondas del modulo Tasso
27
Fig. III.1.2.2 Guía de ondas de un modulo line arrays
27
Fig. II.2.1.1 Esquema de conexión
29
iv
Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. Fig. II.2.1.2 Tabla donde se visualiza el THD de la frecuencia fundamental de
1Khz
30
Fig. II.2.2.1 Esquema de la prueba del generador de ondas
30
Fig. II.2.3.1.1 Muestra la similitud entre las 2 figuras
31
Fig. II.2.4.1. Esquema de general de la medición en campo libre
34
Fig. II.2.4.2 Fotografías de las pruebas
35
Fig. II.2.5.1 Fotografía del campo libre
36
Fig. II.2.5.2 Fotografía de las mediciones en campo libre
37
Fig. II.2.6.1 Figuras de los patrones polares en campo libre
39
Fig. II.2.7.1 Predicción del módulo en G.P.A.
41
Fig. III.2.8.1. Fotografías de las mediciones en la cámara anecoica
42
Fig. III.2.8.2 Patrones polares en cámara anecoica
44
Fig. III.3.1.1 Respuesta de frecuencia en campo libre
45
Fig. III.3.1.2 Respuesta de frecuencia en la cámara anecoica
45
Fig. III.3.1.3Patrones polares de la cámara anecoica y campo libre donde se muestra su diferencia en niveles pero su similitud se conserva
46
Fig. III.3.1.4Patrones polares de la cámara anecoica y campo libre donde se muestra su diferencia en niveles pero su similitud se conserva como el ejemplo anterior pero en la frecuencia de 800 Hz
46
Fig. III.3.1.5 Patrones polares de la cámara anecoica y campo libre en los 5KHz
47
Fig. III.3.3.1 Imagen del altavoz con micrófonos
48
Fig. III.3.3.2 Atenuación leve en el sector de frecuencias medias altas en campo libre.
48
Fig. III.3.3.3Atenuación considerable en la sección medias altas del modulo en cámara anecoica
49
Fig. III.3.3.4(a) Tres módulos Tasso KF 210 en 1000 Hz (b) tres módulos Tasso KF 210 de 4000 Hz
49
Fig. III.3.3.5 Prediccion del Sistema Tassoaudio con modulo medido en cámara anecoica a 8000 Hz
50
Fig. III.3.3.6Prediccion del Sistema Tassoaudio con modulo medido en cámara campo libre tambien en 8000 Hz
50
Fig. III.3.3.7 Predicción del Sistema AERO 28 de Das con tres módulos a 8000 Hz
51
Fig. III.3.5.1 Sistema Line array virtual
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. GLOSARIOS DE ABREVIATURAS Y SIMBOLOS AES: Audio Society Engnieering C: velocidad del sonido en metros por segundo Comp Filtre: filtro de peine Full range: respuesta de un altavoz con toda la gama de frecuencias audibles Hz: Hertz, unidad de medida de la frecuencia, generalmente medida en oscilaciones Humedad relativa: unidad de medida de la humedad en % ISO: International Standardización Organization (Organización Internacional de Estandarización Isotrópico: omnidireccional. Kg: kilogramos Line arrays: Arreglo Lineal Leq: Nivel Equivalente o Promedio Log: logaritmo, aplicación matemática mt: metros NPS: Nivel de Presión Sonoro Patrón polar: representación de un grafico.
Rα : Función de Directividad de un line array expresada en dB Sonómetro: instrumento para medir NPS por segundo Sub-grave: respuesta de un altavoz solo con las frecuencias graves
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. INSTITUTO PROFESIONAL SANTO TOMAS INGENIERIA DE EJECUCION EN SONIDO SEDE TEMUCO JULIO DE 2009
MEDICIONES DE UN ALTAVOZ EN SALA ANECOICA Y CAMPO LIBRE: PARA SU COMPRESIÓN, DESARROLLO Y ANÁLISIS EN G.P.A.
Autor: Erwin Alejandro Oyarzún Guzmán Profesor Guía: Sebastián Rivas Godoy
Palabra Clave: Obtención de un Método de Medición de Cajas Acústicas para G.P.A. Resumen Este proyecto consiste en medir un altavoz perteneciente a un line array (arreglo lineal) marca Tasso que pertenece a la escuela de sonido proveniente de china. Dentro de este marco se podrá así introducir los datos obtenidos en sala anecoica (considerando la medición optima) y campo libre dentro del software generador de predicciones acústicas (G.P.A.) con el fin de analizar su comportamiento optimo. Tomado en cuenta que son mediciones muy precisas se llevará a cabo una guía de cómo poder obtener los datos para ser utilizados con el software, este método cumplirá con el requisito y las expectativas que están pensadas para obtener una exacta realización de esta investigación. Los aspectos que se tomaran en cuenta con respecto a este trabajo serán consultados con las normas existentes sobre mediciones de altavoces y documentos presentados por ingenieros en el rubro ya que será muy importante a la hora de poder concretar, presentar e interpretar la información que se haya recaudado.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
I Fundamentos
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
I.1 INTRODUCCION Hoy en día no hay empresa de refuerzo sonoro que no utilice un arreglo lineal tanto internacional como nacional. Algunos lo ven como grandes cajas colgantes en el cielo de un escenario o teatro, pero los oyentes no saben es que dentro de estas cajas alineadas verticalmente se encuentra uno de los fenómenos más importantes en lo que es la propagación de ondas sonoras. Es por eso que este proyecto tendrá que ver específicamente con un arreglo lineal llegado directamente de china a la escuela de sonido, el cual tiene 6 módulos full range y 4 sub-graves , pero la gran incógnita es ¿Por que no se fabricó un software para predecir su frente de onda?. La tarea de este proyecto es eso, medir una caja acústica perteneciente al line array para poder así introducir los datos y comprender su desarrollo visual y auditivamente en un software generador de predicciones acústicas (G.PA.), diseñado y creado por el docente de la Escuela de Sonido, el Ingeniero Sebastián Rivas Godoy. Los arreglos lineales
aunque parezcan de última tecnología en lo que es
sistemas de refuerzo de sonido sus fundamentos y pensamientos de esta teoría tiene un poco más de medio siglo considerando esto como muy importante antes de poder iniciar este documento. Auguste Jean Fresnel fue quien demostró en 1814 una multiplicidad de fenómenos en el campo luminoso. Unos años mas tarde en 1947 un hombre llamado Harry J. Olson basándose en los estudios de Auguste formuló la teoría de los arreglos de subgraves, arcos, directividad de las frecuencias graves y de lo que nos interesa, la teoría de los arreglos lineales.
1
Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
I.2 Objetivos I.2.1 Objetivos generales Desarrollar un procedimiento o método de medición con el fin de poder entregar una guía de como obtener los datos para ser incluidos en el software G.P.A. I.2.2 Objetivos específicos
•
Realizar una investigación sobre el comportamiento de las ondas esféricas y cilíndricas
•
Comprender como se propaga el sonido a campo abierto del punto de vista de la temperatura con respecto a la frecuencia.
•
Fabricar una plataforma que será utilizada para medir a campo libre el altavoz con su respectivo diseño de soporte giratorio angulado.
•
Familiarizarse con el equipamiento de audio que involucra una medición de altavoces.
•
Medir un altavoz en sala anecoica y campo libre para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA
•
Analizar y comparar las mediciones optimas (sala anecoica) y campo libre dentro del software
2
Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
II Desarrollo del Proyecto
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
II.1. PLANIFICACIÓN Y METODOLOGÍA DEL PROYECTO II.1.1. Antecedentes Generales El contenido de este proyecto es a realizar plenamente en terreno, es por eso que el ambiente a utilizar debería estar despejado y ser excepcionalmente silencioso, salvo que la fuente pudiera ajustarse para emitir grandes potencias. Se debería evitar el viento y la presencia de superficies reflectantes en las proximidades de la fuente o del instrumento. En el caso del suelo, es preferible el terreno absorbente cubierto de césped u otros vegetales herbáceos de baja altura. Las técnicas para las mediciones de altavoces en exteriores usadas por ingenieros son muy variadas como: mediciones en terreno plano, mediciones cerca del cono del altavoz, mediciones en fosa o espacio medio, Pero estas técnicas no son buenas para poder obtener un patrón polar coherente por el problema de ser girado en su propio eje. La que más se acomoda, es la técnica de elevar el altavoz a una considerable altura para su posible rechazo de las reflexiones indeseadas y en este caso ser girado en 180º grados. Todos estos aspectos serán consultados con la norma ISO 9613
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
II.1.2. Planificación del estudio Para comenzar con este planteamiento de medición se pudo obtener una planificación de cómo seria el trayecto de esta investigación a lo largo de los meses, comenzando de abril hasta finalizar a mediados de agosto del presente año.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. Figura II.1.2.1. Tabla de planificación del estudio
II.1.2.1. Selección del lugar de las mediciones Para poder seleccionar un buen lugar de mediciones en campo libre es necesario conocer las condiciones que se encuentra este. Como por ejemplo que no se encuentren ruidos constantes como industrias o tráfico de vehículos. Un campo abierto es la mejor opción para hacer pruebas de altavoces ya que en este no se encuentran obstáculos horizontales. Un problema puede ser las pruebas verticales por la problemática que puede traer la superficie respecto a su reflexión. Se probará un método lo más lejano del suelo para suprimir esta problemática que se especificará en el trayecto de este proyecto. II.1.3. Materiales En términos generales los materiales, instrumentos y bafle requeridos para desarrollar este estudio son. II.1.3.1. Plataforma Giratoria Se considerarán solo las mediciones hasta los 180º grados de giro para el patrón polar del modulo Tasso, de los 180º hasta llegar a los 360º no se consideraran. Se diseño y se fabricó una plataforma que sostendría el modulo y poder a la vez ser angulado como se muestra en la siguiente figura:
(a)
(b) Figura II.1.3.1.1.
(a)Plataforma giratoria, (b) Imagen que demuestra la pantalla del bafle puesta en el eje de la plataforma como técnica para la medición.
Cuando se pensó en el peso del bafle se propuso construir con terciado y Masisa.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
II.1.3.2 Sonómetro Quest modelo 2800 El sonómetro Quest modelo 2800 proporciona datos de utilidad para mediciones de ruido, además de muchas otras aplicaciones de nivel general. Presenta modos de operación que permiten la obtención del SPL, Leq, Lmax, Lmin y SEL (Nivel de exposición al ruido). Sus redes de ponderación de frecuencias poseen filtros de ponderación A, B, C y lineal. La respuesta del medidor incluye respuestas Lenta, Rápida, Impulso y Peak y su rango de medición va de 20 hasta 140 dB. Para las mediciones del altavoz en campo libre se utilizará la ponderación lineal y respuesta instantánea. Es necesario nombrar que este sonómetro cuenta con su calibrador personal (equipo auxiliar).
Figura II.1.3.2.2 Sonómetro Quest 2800 con guardaviento
Figura II.1.3.2.3. Ponderaciones del sonómetro Quest 2800
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. En la figura II.1.3.2.3. Muestra la gama de ponderaciones que tiene el sonómetro que en este caso tiene A, B, C y lineal. Esta última es la que utilizará para las mediciones. El sonómetro, además de su respectivo calibrador está debidamente certificado bajo las especificaciones técnicas de las normas establecidas por la Comisión Electrónica Internacional (IEC), contenidas en las publicaciones IEC Nº651, IEC Nº804 y IEC Nº 942. II.1.3.3. Generador de ondas Protek modelo 9205C El generador de ondas Protek tiene una gama de 0.02 a 2MHz con una variedad de ondas como: senoidal, triangular, cuadrada y de pulso Tiene una función de barrido. Este equipo tiene una linealidad de un 99% o más. Este generador va a ser muy importante a la hora de poder reproducir las frecuencias de audio específicas de 1/3 de octava. II.1.3.4. Amplificador Yamaha modelo p3500s Este amplificador tiene una calidad de audio superior y funcionamiento eficiente para sonido en vivo. Este amplificador cuenta con los requerimientos necesarios para las mediciones que se obtendrán en la práctica, con la potencia necesaria. II.1.3.5. Modulo Tasso audio El altavoz bajo investigación es del tipo KF210 que tiene procedencia de China. Se ha hablado en foros referentes audio en particular, la copia que tendría este tipo de sistema con el de uno de la compañía EAW, Pero se entiende que es sólo una copia física y no de componentes y guías de ondas como podremos visualizar y comprender más adelante. Estas características de la caja que se muestran en la figura II.1.3.5.1 a continuación son las únicas que se encuentran el la pagina Web del fabricante (www.tassoaudio.com). Lo necesario para poder medir esta caja es saber cuales son sus dimensiones y peso para poder montar el modulo a 4.5 metros de altura.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
(a)
(b) Figura II.1.3.5.1.
Características del módulo (a) módulo” line arrays” (b) ficha de especificaciones del fabricante.
II.1.3.6. Materiales Anexos Además del material escrito e información computacional, se encuentran materiales anexos a este proyecto como ejemplo, planilla de medición, vehículo de transporte trípode para sonómetro, cables correspondientes. II.1.4. Vista de la Estructura Virtual Para levanta el altavoz a una altura considerable, fue necesario utilizar dos cuerpos de andamio de albañilería. La altura máxima que se logro fue de 4.5 metros de la altura. Para el desarrollo de esta estructura virtual, se ocupo el software en 3D perteneciente a la compañía Google llamado Sketchup versión 6.0. Este diseño fue hecho para poder predecir la altura y el largo en terreno.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
(a)
(b) Figura II.1.4.1
Se visualiza la estructura virtual para las mediciones en campo libre.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
II.2. DESCRIPCION DEL DESARROLLO DEL PROYECTO
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. II.2.1. Conceptos básicos previos para la obtención del método II.2.1.1 Propagación del Sonido Las ondas del sonido viajan aproximadamente a 344 m/seg. en el aire. Hay una variación relativamente pequeña con dependencia en la temperatura, y bajo las condiciones interiores normales, dado que puede ser ignorarlo. El sonido audible cubre un rango de frecuencia de aproximadamente 20 Hz a 20 Khz. La longitud de onda del sonido de una frecuencia dada es la distancia entre las repeticiones sucesivas de la forma de onda como viajes sonoros a través del aire. Se da por la ecuación siguiente:
λ=
Donde
λ=
longitud de onda.
c=
velocidad del sonido.
f
c f
(1)
= frecuencia.
II.2.1.2. Ondas Esféricas Como ya sabemos, según la ley de la inversa de los cuadrados, se tiene una atenuación del nivel de presión sonora de 6dB cada vez que se dobla la distancia en condiciones de campo libre. (2)
i P1 = 4πR 2
P2 =
i 4π (2 R) 2
(3)
P1 =4 P2
(4)
12
Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
10 log
(5)
P1 =6 P2
Donde:
P1 = Primer punto desde la fuente
P2 = Segundo punto desde la fuente i = Intensidad del sonido
R = radio de la esfera Esto es debido a la propagación del sonido como frente de ondas esféricas. Así cada vez que se dobla la distancia del oyente a la fuente, la energía radiada se dispersa en un área 4 veces superior (ecuación 4), por lo que la densidad de energía se reduce a una cuarta parte, lo que supone esa caída de 6dB (ecuación 5). II.2.1.3. Ondas cilíndricas La ondas cilíndricas se propagan muy diferentes al de las ondas esféricas como se demuestra a continuación.
P1 =
P2 =
i 2πRh
(6)
i 2π (2 R)h
(7)
P1 =2 P2
(8)
13
Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
10 log
P1 =3 P2
(9)
Donde:
P1 = Primer punto desde la fuente
P2 = Segundo punto desde la fuente i = Intensidad del sonido
R = Radio de la esfera La atenuación a diferencia de las ondas esféricas es de 3 dB en condiciones de campo libre. Con respecto a este punto, cabe resaltar que en el mundo del sonido en este último tiempo se ha recalcado que no existen las ondas cilíndricas. Esto lo menciona John Meyer en su documento line array theory. Esta información se puede encontrar en la página: http://www.meyersound.com/support/papers/line_array_theory.htm II.2.1.4. Efectos de la Temperatura en la Propagación del sonido El sonido "viaja" más rápidamente a través de aire caliente (debido a que es más denso) que a través de aire frío. Por esta razón, cambios de temperatura generan efectos refractarios.
(a)
(b) Figura II.2.1.4.1
(a), (b) Efectos del sonido con respecto de la temperatura
14
Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. En el caso (a), el sector superior de aire es más caliente que el inferior. Por ejemplo, en la mañana, el suelo estará más fresco (debido a la acción de la baja de temperatura en la noche) que el aire de capas superiores que ya recibe la acción del sol. En estas condiciones, el sonido tiende a caer en intensidad entre el límite superior de la capa de aire frío y el suelo, provocando zonas de diferente intensidad sonora. En el caso (b), se ilustra la situación opuesta. Por ejemplo, al caer la noche, el suelo aún está caliente por la acción del sol durante todo el día, pero las capas superiores de aire ya son frescas. En este caso, el sonido tiende a irse hacia arriba.
II.2.1.5. Absorción del Aire en Función de la Humedad. Al calcular la pérdida de presión sonora a medida que nos alejamos de un altavoz mediante los 6 dB por cada vez que se duplica la distancia se llegará a un valor teórico que es válido a cortas distancias, pero no a largas distancias. Ello se debe a la Absorción del aire. Esta absorción es mayor para el ambiente húmedo que cuando el ambiente está seco. Las curvas que se presentan representan este fenómeno para una distancia de 30 m (100 pies)
Figura II.2.1.5.1 Atenuación en dB a 30 mt con respecto a la humedad
Por otra parte, la absorción del aire varía también en función de la frecuencia. Es bien sabido que las frecuencias muy agudas desparecen a largas distancias en exteriores. Por ello se presentan curvas para varias frecuencias.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
II.2.1.6. Atenuación por la distancia
ADis tan cia
r = 20 log r ref
(10)
Donde
r
: Distancia desde la fuente al receptor.
rref
: Distancia desde la fuente a un punto de referencia.
II.2.1.7. Atenuación del aire Cada vez que el sonido se propaga a través de la atmósfera, su energía se convierte gradualmente en calor, lo que corresponde a la absorción del aire y la atenuación viene dada por.
(11)
Aaire = α • d Donde
α : Coeficiente de atenuación del aire en dB/100m dependiente de la frecuencia, temperatura y humedad relativa del ambiente. (Ver figura II.2.1.6.1.)
d : Distancia a la que se quiere obtener la atenuación.
Tabla II.2.1.6.1. Coeficiente de absorción del aire (dB/mt) Norma ISO 9613 parte 1
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
Como se puede observar en la tabla Figura I.2, las atenuaciones que presenta el aire a 100 m son bastantes bajas. Por ejemplo, a una temperatura de 5ºC y una humedad relativa del 80%, la atenuación correspondiente a una frecuencia de 500 Hz, es de 1.53 dB. Estos resultados, ilustran que la atenuación del sonido en el aire, puede ser insignificante para distancias cortas desde la fuente como por ejemplo a 1 metro. Por lo tanto, la atenuación total en el trayecto de propagación fuente-receptor, será: (12)
Atotal = Adis tan cia + Aaire Donde:
Atotal = Atenuación total Adis tan cia =Atenuación por distancia
Aaire =Atenuación por el aire
II.2.2. Comportamiento de un Arreglo Lineal o Line Array. Un arreglo lineal es un grupo de elementos radiantes arreglados en línea recta, espaciados cercanamente y operando con igual amplitud y en fase. Los arreglos lineales son útiles en aplicaciones donde el sonido debe ser proyectado a grandes distancias. Esto se debe a que los arreglos lineales logran una cobertura vertical muy direccional gracias a las ondas constructivas y destructivas ocasionadas por el frente de ondas lineal.
II.2.2.1 Diferencia de propagación en la Región de Fresnel
y Región de
Fraunhofer Como la longitud del array no es infinita, existirá un punto, dependiendo de la frecuencia, cuyo frente de onda resultante pasará a desaparecer en calor, Este punto es el que separa el campo cercano del campo lejano, por ello cuanto mayor sea el número de cajas más lejos llegara el campo cercano.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
Figura II.2.2.1.1 Región de Fresner y Región Fraunhofer
Otro principio fundamental para el funcionamiento correcto de un line array es que la longitud de éste sea mayor que la longitud de onda de la frecuencia mínima que puede ser reproducida. La frecuencia más alta que cada altavoz de cono deberá reproducir (la frecuencia de corte superior) será aproximadamente la que se corresponda con la longitud de onda en teoría que se define en la ecuación:
d=
Donde
λ
(13)
2
d es la distancia entre los centro de los altavoces en metros. Esto indica que los altavoces de cono están montados formando una línea
vertical, tan próximos entre si como es físicamente posible, lo cual contribuirá al control de la directividad vertical. II.2.2.2 Problemas con un sistema de fuentes múltiples Stephen bunting (2005, citado por Harry Olson 1947, p 31-32) menciona sobre grupo de altavoces agrupados horizontalmente, pueden combinarse en una línea de fuentes puntuales. En la siguiente ecuación se muestra el cálculo del patrón de directividad en el campo lejano.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
nπd sin α λ Rα = nπd n sin sin α λ sin
(14)
n = es el numero de fuentes
Donde
d = es la distancias entre fuentes α = es el ángulo de la línea desde la fuente al punto distante que une las 2 fuentes Tomado en cuenta la separación de los altavoces
n =2 y a variable
(Figura II.2.2.2.1) muestra los severos lóbulos producidos cuando
d
λ
d
λ
como en la
es mayor 0.5
considerando las fuentes como isotrópica.
Para la misma variable pero ahora con una cantidad de fuentes de
n =5 se
muestran lóbulos más pronunciados.
19
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Figura II.2.2.2.1
d Valores de
λ
para 2 fuentes en arreglo lineal
Figura II.2.2.2.2
d Valores de
λ
para 5 fuentes en arreglo lineal
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II.2.2.3. Directividad uniforme de un Arreglo Cuando el patrón polar de un altavoz o de otra fuente de sonido es considerado, se entiende que los cálculos se basan en el campo lejano, de manera que la presión acústica disminuye linealmente con la distancia. Esto debe tenerse en cuenta al calcular la directividad de un modelo uniforme de la línea, y también hace los cálculos mucho más simples. Para analizar los ejes de respuesta de la presión de un conjunto uniforme, esto significa que tiene igualdad de fase y amplitud en todos los puntos a lo largo de la línea. Se utiliza la siguiente ecuación.
sin Rα = Donde
l=
πl λ
sin α
πl n sin sin α λ
(15)
largo del array
Figura II.2.2.3.1 La relación entre
l
λ
y la direccionalidad de un modelo uniforme de la línea fuente.
Esta figura muestra que si el arreglo se mantiene constante la longitud del patrón de directividad se estrecha y crea lóbulos laterales en frecuencias más altas. Como se aprecia en el ejemplo anterior la directividad del altavoz varía con la frecuencia. A baja frecuencia es omnidireccional, al disminuir la longitud de onda,
21
Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. conforme aumenta la frecuencia, su directividad se estrecha. Como se muestra en la Figura II.2.2.3.1.
Figura II.2.2.3.2 Tabla de atenuación en función a la frecuencia respecto de la longitud del arreglo
Este gráfico puede representar la frecuencia en contra de diferentes longitudes de un array de fabricación profesional Para calcular el límite de la región de Fresnel.
rfrontera =
3 1 FH 2 1 − 2 (3FH )2
(16)
Donde F= Frecuencia expresada en Khz. H= Altura del Arreglo La distancia que puede alcanzar un arreglo es exclusivamente de la frecuencia y de la construcción de este.
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Figura II.2.2.3.3 Gráfico de distancia frontera de un array con respecto a la longitud del array
Este gráfico demuestra la distancia frontera del array que separa la región de fresner con la de fraunhofer dependiendo de la longitud del array II.2.2.4. Cobertura de un line array La cobertura de un sistema array es el ángulo determinado por una caída de nivel de presión de 6dB
Figura II.2.2.4.1 Gráfico de coberturas
23
Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. En el gráfico Figura II.2.2.4.1 se muestra θ − 6 dB
l siguiendo con
λ
l = longitud del line array
λ =longitud de la onda Se puede deducir que mientras las frecuencia es mas alta, el ángulo de cobertura se estrecha, no es lo mismo para las bajas frecuencias ya que este se abre como un abanico. II.2.2.5. Principios que deben cumplir los line array La teoría de los line array funciona mejor desde las frecuencias medias hacia abajo. Al disminuir la longitud de onda, más y más parlantes, pequeños en tamaño y espaciados más cercanamente, son necesarios para mantener la directividad. El método más práctico para sistemas de sonorización es usar guías de onda. Cada fabricante ha elegido una técnica diferente para crear su guía de ondas. Eso si, Meyer Sound optó por un emulador de cinta REM (Ruban Emulator Manifold).que consiste en dos motores en la parte posterior con dos salidas cada una y su difusión espaciada a menos de 2/3 de la longitud de onda de la frecuencia máxima a reproducir. Cabe mencionar que muchas cajas comercializadas como line array no cumplen este último principio. II.2.2.6. Programas de Predicción Acústica y Configuración de un Line Arrays. Por último, para la correcta configuración de un line array es necesario contar con un programa de predicción que ayude a escoger las angulaciones entre las cajas. Casi todas las marcas tienen su propio programa, sin uno de éstos la predicción es prácticamente imposible de realizar. Tenemos que tener en cuenta que en los line arrays, al tener cobertura vertical muy estrecha, un error de pocos grados puede tener unas consecuencias muy graves y dejar una zona del público sin sonorizar. Existen programas de predicción más complejos que cuentan con valores de coeficiente de absorción de los materiales para ver el comportamiento dentro de un recinto. Alguno de los programas de predicción acústica existentes en el mercado son: Ease, Lara, Catt, Mapp.
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III PROYECTO FINAL
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III.1 PRESENTACION DEL PROBLEMA III.1.1 Necesidad de un software de predicción acústica y configuración del Sistema “Line Array” Tassoaudio. Como se mencionó anteriormente sobre la importancia de un software de predicción para estos sistemas, lo principal es ver como se visualizaría el sistema tassoaudio claramente y con la obtención del método de medición que se obtendrán. Para poder a optar a una predicción real de este sistema se conocerá un software capaz de resolver este problema. G.P.A. es un software generador de predicciones acústicas creado por Sebastián Rivas G. docente de la escuela de sonido del instituto santo tomas de temuco. Esta potente herramienta pretende ser una ayuda para el operador de sistemas de audio, al permitirle realizar predicciones, observar y estudiar las interacciones que se producirán en el campo sonoro de un simple bafle hasta un sistema line arrays. Este programa fue modificado exclusivamente para este proyecto. Las posibilidades que tiene esta novedosa herramienta, aparte de entregar una predicción acústica instantánea son:
•
Opción de cargar hasta 16 módulos line array, en este caso módulos tasso
•
10 micrófonos para poder ubicar en un plano vertical del software.
•
Poder dibujar líneas en el plano
•
Predecir el 1/3 de octava
Figura II.1.1.1 Programa G.P.A. con sus aplicaciones
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III.1.2. Problemas con la guía de ondas del modulo Tasso Al inspeccionar el Modulo por dentro se pudo ver la guía de onda y la sorpresa fue que no tenía una guía de ondas, sólo una mala copia de este y su driver que podía ser visualizada a simple vista como la de cualquier caja convencional. Una guía de ondas es la pieza clave en un line arrays haciendo que la propagación en altas frecuencias sea superdireccional y coherente en su frente de onda.
(a)
(b) Figura III.1.2.1 (a)(b)Guía de ondas del módulo Tasso
Como se puede apreciar en la Figura III.1.2.1(a) la guía de ondas del módulo Tasso es muy reducido en su aspecto vertical lo cual sería un serio problema cuando se acoplen los módulos correspondientes, apareciendo sin duda los filtros peine de alta frecuencia “Comb Filter”. De hecho, el acoplado perfecto más una buena guía de ondas del sistema haría de esto, un conjunto para poder lograr una buena direccionalidad y eliminar las posibles cancelaciones.
Figura III.1.2.2 Guía de ondas de un módulo line arrays
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III.2. OBTENIENDO EL MÉTODO DE MEDICIÓN EN CAMPO LIBRE Como está claro que se va a medir un bafle de un “line array”, se encontró una sorpresa al abrir el módulo. Cuando se comenzó con este proyecto, se pensó en un método de poder medir el altavoz a 1 mt de distancia sin que le afectaran las reflexiones de la superficie y a las vez poder girarlo en 360º para obtener su patrón polar para las frecuencias de 1/3 de octava, comenzando eso si de los 80 Hz por el motivo de que el módulo fullrange no reproduciría menos de esa frecuencia. Cuando se planteo la idea de medir el altavoz Tasso y tratar de encontrar un método fácil y efectivo, no se pudo rechazar. Para que se pueda medir en campo libre, lo que se tiene que tener en cuenta es que campo libre no es, lo que se quiere decir es que la medición va hacer realizada a 4.5 metros de altura, ideal sería lo más alejado del suelo para poder evitar las posibles reflexiones del altavoz hacia el sonómetro que generarán errores de cancelación y sumas de ondas indeseadas. Al altavoz se le generó un nivel de presión al altavoz para que el sonómetro registrara 90 dB a 1 mt. Y desde ahí se partirá en las mediciones a campo libre. La decisión de medir a 1 metro de distancia es por el motivo de la influencia que tiene viento al momento de medir en campo libre. II.2.1. Análisis del THD del módulo Antes de adentrar en las mediciones, se realizó una medición de THD del módulo tasso, en este caso se podrá interpretar la suma de la distorsión del amplificador + módulo. Procedimiento La medición fue posible realizarla gracias a la versión 6 del software de la compañía EAW llamado Smaart con su opción cálculo de THD. Para poder entender un poco sobre la distorsión armónica en los equipos de audio se adentrará en la definición y concepto. THD o distorsión no lineal. Esta distorsión se produce por la aparición de armónicos de una frecuencia fundamental específica. Un armónico es una señal de frecuencia múltiplo de otra original. Si a la entrada se tiene un tono puro de frecuencia 1 KHz, sus armónicos aparecerán como tonos puros de frecuencia 2 KHz, 3 KHz, 4KHz...
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. Cuando hay distorsión armónica, los armónicos simplemente aparecen pese a no ser deseados. La distorsión armónica se mide en porcentaje (%) y los valores suelen ser siempre bastante inferiores al 1%. El porcentaje representa la parte del total de la energía a la salida, que pertenece a los armónicos, es decir, qué porcentaje es distorsión. Materiales
•
Computador con software Smaart v6.
•
Modulo fullrange marca Tasso.
•
Amplificador Yamaha modelo P3500s
•
Tarjeta M-Audio mobilepre USB
•
Micrófono de medición beringher modelo ECM8000
•
Cables correspondientes.
La conexión de los materiales usados se muestra a continuación:
Figura II.2.1.1. Esquema de conexión
Esta aplicación no aparece en el manual del Smaart V6 por lo que se obtuvo la información en un foro de audio profesional, a continuación se explicará como es el procedimiento de medir. “En la ventana de RTA se bloquea el cursor en una frecuencia fundamental con [cmd]/[ctrl]+botón izquierdo También se puede usar [shift]+P para poner el cursor directamente en el pico más alto Y luego se pulsa [H] Para quitar el cursor
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. bloqueado [cmd]/[ctrl]+X Sólo en la escala de 1/24, lineal y logarítmica muestra el valor en % de THD. Además se puede guardar en archivo tipo block de notas.” Este texto fue extraído de la página http://foros.doctorproaudio.com/showthread.php?t=6589
Figura II.2.1.2. Tabla donde se visualiza el THD de la frecuencia fundamental de 1Khz.
En esta pantalla se muestra la medición de la distorsión armónica total THD para una frecuencia fundamental de 1KHz. Se aprecian en el cuadro los armónicos que se atenúan en frecuencias y su THD 0.01 % lo cual indica que este porcentaje es bajo, o sea muy bueno para las mediciones. II.2.2. Corroborar el generador de ondas Para corroborar de que el generador de ondas al momento de medir en terreno, no se produzca un pico de voltaje al cambiar la frecuencia cuando esté en proceso de medición, es por eso que se hará una visualización en osciloscopio de su salida a distintas frecuencia o haciendo un barrido.
Figura II.2.2.1 Esquema de la prueba del generador de ondas
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. Los resultados del la prueba fueron excelentes al no encontrar picos de voltaje al variar la frecuencia. III.2.3 Análisis Teórico III.2.3.1. Cálculo de la reflexión del suelo al sonómetro Se considerá que la reflexión del suelo al sonómetro es perfecta para poder cálcular después cuanto es el margen de error al momento de medir, es por eso que se pensó que si es perfecta se tomará de la manera de que sea totalmente directa. En la figura a continuación se muestra el módulo a 4.5 metros de altura, lugar pensado para la medición y más abajo se visualiza un segundo módulo que en este caso se nombrará como módulo imaginario. Pensado como se mencionó anteriormente, directo hacia el sonómetro.
(a)
(b) Figura II.2.3.1.1 Muestra la similitud entre las 2 figuras.
Distancia del Modulo Imaginario al Sonómetro= Distancia Recorrida (Reflexión)
Para poder calcular cuantos metros de distancia recorre un frente de onda entre la caja, suelo y sonómetro es de
dr 2
donde se utilizará la siguiente ecuación:
(17)
dr 2 2 = Ds + Dm 2 31
Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
Donde
2
Ds = distancia del modulo al suelo 2
Dm = distancia media de
Asumiendo que
D s = 4.5 mt
y
dd Dm
= 0.5 mt . Tenemos.
dr = 4.52 + 0.52 2
(18)
Se obtiene:
dr = 4.75 2 Y la distancia
dr
(19)
que es:
dr = 9.5mt
(20)
En la ecuación 20 se demostró cuanta distancia hay entre el micrófono con el altavoz y su reflejada. Ahora se mostrará cuanto es en dB la atenuación.
L1 = 20 log
1 ≈ −19.5dB 9.5
(21)
32
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III.2.3.2. Margen de error teórico El margen de error de la suma de 90 dB del altavoz a -19.5dB que es la atenuación por la reflexión perfecta
90dB -19.5dB=70.5 dB
La suma energética es:
Ltotal
90 7020.5 20 = 20 log10 + 10 ≈ 90.9dB
(22)
Las consecuencias del decimal 9 las pueden sufrir las bajas frecuencias ya que estas viajan isotrópicamente. Pero como no se contaba con la absorción del suelo que en este caso será pasto con tierra las reflexiones atenuaran un poco la propagación. Con este resultado teórico se puede deducir que se puede obtener un método de medición de altavoces siempre y cuando esté a una distancia mayor o igual a 4.5 metros de altura.
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III.2.4. Procedimiento de medición experimental en campo libre. Para poder llevar a cabo las mediciones de prueba es necesario conocer las condiciones climáticas previas para poder medir. Es por eso que días antes se consultó el día si estaría apto, o sea sin lluvia como mínimo. Para las mediciones reales se consideró la presión atmosférica como lo indica la norma ISO 9613 parte 1, también la humedad relativa y la velocidad del viento. La fuente donde se obtuvo la información del las condiciones climáticas del día de las pruebas fue de la pagina www.accuweather.com seleccionando el país y ciudad. La opción de obtener la información de esta página fue por el motivo de que las fuentes nacionales no informaban de los detalles que se necesitaban. Las pruebas que se llevaron a cabo ese día eran para poder obtener datos a partir del terreno, o sea quiero decir sobre los ruidos de fondo como el sonido de los vehículos o las posibles molestias para los vecinos del recinto cercano. El terreno de prueba fueron de las dependencias de la Universidad Santo Tomás, el motivo de la elección fue por que se contaba con un área verde muy extensa. Las plataforma consta de la capacidad de hacer un giro de 360º pero el patrón polar del modulo será de 180º. El ruido de fondo en ese terreno fue medido en modo LEQ que dio como resultado de 75 dB en un tiempo de 5 minutos.
La conexión de los materiales que involucra una medición es la que se muestra en la figura II.2.4.1.
Figura II.2.4.1. Esquema de general de la medición en campo libre
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
Los resultado de esa experiencia no fueron muy buenos, ya que al momento de poder estabilizar el sonómetro para optar medir en ese lugar se hizo muy complicado, por el ruido de los vehículos y lo tarde que se hizo esa día, y para finalizar los vecinos aledaños de la Universidad comenzaron a quejarse por los tonos puros que le estaba generando al módulo por lo tanto, ese día de prueba se concluyó que debería ser otro el lugar de medición.
(a)
(b) Figura II.2.4.2. Fotografías de las pruebas.
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III.2.5. Mediciones en campo libre ideal Como se comentó anteriormente las condiciones fueron desastrosas. Pero con las gestiones de el profesor guía se pudo obtener un lugar óptimo para las mediciones, un terreno despegado de tráfico, sin vecinos aledaños, o sea campo libre. En la fotografía siguiente se puede mostrar el campo libre para la investigación.
Figura II.2.5.1. Fotografía del campo de medición
Como se mencionó anteriormente las condiciones climáticas se verificaron en la pagina Web varios días antes de las mediciones. Lo cual mostró que no iba haber lluvia. Eso era muy importante para la realización de la investigación. Aparte de las condiciones climáticas se obtuvieron los valores como humedad relativa, velocidad del viento y presión atmosférica las cuales fueron las siguientes: Humedad Relativa 80%, Viento 0 Km/h, Temperatura 8.2 ºC, Presión atmosférica 101 Kpascales. Antes de comenzar a medir se obtuvo el ruido de fondo. El cual fue llevado a acabo por el sonómetro en el modo LEQ (nivel equivalente) por unos 5 minutos, dando como ruido de fondo de 52 dB. Siendo este valor claramente mucho mejor que las pruebas que se realizaron anteriormente en el sector urbanizado. Este modo de medición es el más común ocupado en el campo de la acústica, capaz de hacer un promedio en un tiempo estimado. La decisión de no hacer una medición con este tipo de modo es por el tiempo que se llevaría realizar este proyecto considerando que es cada 5 grados y por el costo de este a la vez como por ejemplo el arriendo de los andamios y el transporte de aquellos, lo cual podría sumar una cantidad de presupuesto que no se contaba. Las mediciones se realizaron en modo instantáneo, ponderación lineal, respuesta lenta y el rango de 40-100 dB.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
(a)
(b)
(c)
Figura II.2.5.2. Fotografía de las mediciones en campo libre
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. III.2.6. Obtención de los patrones polares en campo libre Con el programa MATLAB R2008a se obtuvieron los patrones polares que se muestran a continuación de 1/3 de octava comenzando de los 80 Hz que es la frecuencia minima que reproduce el módulo.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
Figura II.2.6.1. Figura de los patrones polares en campo libre
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. III.2.7. Obtención de los patrones polares en campo libre para G.P.A. Teniendo los patrones polares podemos ver como se visualizan en G.P.A.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
Figura II.2.7.1. Predicción del módulo en G.P.A. Campo libre
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
III.2.8. Medición en Cámara Anecoica Una cámara anecoica es una sala especialmente diseñada para absorber el sonido que incide sobre las paredes, el suelo y el techo de la misma, anulando los efectos de eco y reverberación del sonido. En ellas se puede estudiar todo tipo de simulaciones acústicas aunque las que más se realizan son de teatros y auditorios, y también es son útiles para encontrar la directividad y patrón polar de los altavoces. Otra de sus utilidades en las pruebas de equipos de telecomunicaciones, la cual una de las características de este tipo de cámara es estar blindada con placas de metal para su aislación de todo tipo de radiación electromagnética. La cámara anecoica en la cual se realizaron las mediciones pertenece al Instituto de Acústica de la Universidad Austral de Chile en la ciudad de Valdivia.
(a)
(b)
(c)
(d) Figura III.2.8.1. Fotografías de las mediciones en la cámara anecoica
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
III.2.8. Obteniendo los patrones polares en la cámara
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
Figura III.2.8.2 Patrones polares en cámara anecoica
En la figura III.2.8.2 de los 16kHz se puede apreciar un Zoom del patron para poder observar mejor la imagen.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
III.3. SOLUCION Y ANALISIS DEL PROBLEMA III.3.1. Analizar las mediciones realizadas en ambos casos Como se podrá apreciar en las imágenes se observaron los patrones polares de campo libre y cámara anecoica para analizar su similitud de la respuesta de frecuencia que necesariamente no tendría que ser iguales considerando que esta sala en particular a partir de los 250 Hz se comporta como campo libre.
Figura III.3.1.1 Respuesta de frecuencia en campo libre
Figura III.3.1.2 Respuesta de frecuencia en la cámara anecoica
Como se puede apreciar en ambos grafico se visualiza una similitud, pero sin embargo, en la figura III.3.1.2 hay una atenuación en las frecuencias medias, para ser más exactos en las frecuencias de 1250 y 2000 Hz. Esto puede ser por algún daño o golpe del modulo que sufrió en sus salidas a terreno.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. En un análisis en sus patrones polares se puede apreciar su similitud en las frecuencias siguientes. Como ejemplo en la Figura III.3.1.3, Figura III.3.1.4 y Figura III.3.1.5. que se muestran a continuación.
Figura III.3.1.3 Patrones polares de la cámara anecoica y campo libre donde se muestra su diferencia en niveles pero su similitud se conserva
Figura III.3.1.4 Patrones polares de la cámara anecoica y campo libre donde se muestra su diferencia en niveles pero su similitud se conserva como el ejemplo anterior pero en la frecuencia de 800 Hz
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
Figura III.3.1.5 Patrones polares de la cámara anecoica y campo libre en los 5KHz
Como se aprecia en las figuras anteriores se muestra la similitud ya mencionada.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
III.3.2. Interpretar los datos en G.P.A. III.3.3. Observaciones de como se comporta el altavoz con uno y varios módulos en G.P.A. A continuación se observarán las predicciones del modulo Tassoaudio con GPA y se observaran su respuesta. Como se mencionó anteriormente sobre el posible daño en el driver del módulo Tasso, se puede observar en la figura
Figura III.3.3.1 Imagen del altavoz con micrófonos.
En la Figura III.3.3.1 se muestra una predicción al azar que en este caso son 5KHz para ver más que nada la posición de los 4 micrófonos y para hacer un análisis de la respuesta del módulo.
Figura III.3.3.2 Atenuación leve en el sector de frecuencias medias altas en campo libre.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
Figura III.3.3.3 Atenuación considerable en la sección medias altas del modulo en cámara anecoica
Pero en la Figura anterior mencionaré que no solo la atenuación es para la respuesta de frecuencia en el eje 0 sino también en los 90, 180 y 270 grados. Con eso se concluye que hay problemas en esa banda que va desde los 1250 Hz hasta los 2000 Hz. De los 1000 Hz hacia abajo, el sistema Tassoaudio logra comportarse como un Line Array “de verdad”, logrando controlar el problema que tienes los sistemas de fuentes múltiples.
(a)
(b) Figura III.3.3.4
(a) Tres módulos Tasso KF 210 en 1000 Hz (b) tres módulos Tasso KF 210 de 4000 Hz
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
En la figura III.3.3.4 se aprecian las grandes diferencias de lóbulos, esto es debido a que en las altas frecuencias no cuenta con una guía.
Figura III.3.3.5 Predicción del Sistema Tassoaudio con módulo medido en cámara anecoica a 8000 Hz
Figura III.3.3.6 Predicción del Sistema Tassoaudio con módulo medido en cámara campo libre también en 8000 Hz
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
Figura III.3.3.7 Predicción del Sistema AERO 28 de Das con tres módulos a 8000 Hz
En las figuras III.3.3.5 y III.3.3.6 se puede hacer un análisis del sistema Tasso donde se encuentran cancelaciones ya mencionadas en las altas frecuencias. Pero sin embargo en GPA no sólo se visualiza el sistema Tasso sino que a la vez se puede encontrar una base de datos de sistemas line arrays como D.A.S Aero 28a, Vertec JBL 4887 y 4889 que si cuentan con una guía de ondas donde puede compararse a simple vista la respuesta de frecuencia y la cantidad de Comb Filter y lóbulos.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
III.4.PRESUPUESTO Y COSTO DEL PROYECTO Para poder llevar a cabo este proyecto de medir una caja se tuvo que desembolsar un presupuesto que se mostrará a continuación. Arriendo de los 2 cuerpos de andamio y 4 tablones que en este caso son $ 15.000 pesos por 3 días. El transporte de la caja, los andamio e instrumento de medición se puede apreciar la suma de $20.000 pesos dependiendo del lugar a medir. La compra de accesorios de seguridad como protectores auditivos y baterías para el sonómetro equivale a $ 7500 pesos. La suma total del costo es de $ 42.500 El presupuesto al parecer se ve un poco elevado pensando que es sólo una medición en campo libre, este presupuesto no cuenta con la salida a la cámara anecoica.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
III.5. CONCLUSIONES Al hacer una análisis comparativo entre las 2 mediciones realizadas se puede concluir que hay una mínima diferencia en los patrones polares debido tal vez por las condiciones del aire en campo libre y la cámara. Al referirse al método se puede mencionar que si es factible y que la elevación de el altavoz tiene que ser una gran distancia con respecto del suelo con un margen de error teórico de 0.9 = 1 dB. Los programas existentes de mediciones de altavoces que incluyen una puerta de corte para los retardos y reverberaciones indeseadas, son muy eficientes para mediciones bajo 4 metros de altitud. Con respecto al módulo se puede concluir que su fabricación no es adecuada para que pueda cumplir la función de un line array. Pero los conos si cumplen esto ya que, su separación es de 0.30 m pero la guía de onda no, por que esta es la que tiene que estar perfectamente acoplada sin tener más de 10 centímetros de separación.
Figura III.3.5.1 Sistema Line array virtual.
El problema puede persistir en teoría cuando este empiece su angulación máxima, la separación del driver será mayor pero esto no se percibirá hasta que el oyente cambie su posición de un lado hacia otro.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. En una opinión personal, el sistema no se oye mal para nada, pero los aspectos que hay que considerar al momento que crear un line array son cumpliendo con la teoría y la práctica, al parecer la caja del módulo esta bien construida y robusta lo que hace que su potencia se perciba con mucha fuerza y claridad.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
IV ASPECTOS COMPLEMENTARIOS IV.1. BIBLIOGRAFIAS BERANEK, Leo (1969), “Acoustics”
2ª edicion en castellano. Buenos Aires Ed.
Hispano Americano,. 97-103 pp (s.f) HEIL, Christian, (1992), “Sound Field Radiated by Multiple Sound Sources Arrays”, Trabajo presentado en la 92ª convención Audio Engineering Society, Vienna,(s.f) UREDA, Mark S. (2004)“analysis of Loudspeakers Line Arrays” JBL Professional, Northridge, CA USA (s.f) HEIL, Christian, URBAN Marcel (2001) “Wavefront Sculpture Technologic” Trabajo presentado en la 111ª convención Audio Engineering Society, New York USA. (s.f) ALARCON J. (2002). Diseño y construcción de un escenario al aire libre mediante una concha acústica. Tesis de grado, Universidad Austral, Valdivia, Chile. BUNTING, S. (2005, citado por Harry Olson 1947, p 31-32) Line array for live sound Norma ISO 9413 http://www.wikipedia.com/camaraanecoica http://www.meyersound.com/support/papers/line_array_theory.htm http://www.l-acoustic.com http://www.tassoaudio.com http://http://foros.doctorproaudio.com/showthread.php?t=6589 http://www.accuweather.com
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
ANEXO A
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA.
Manual de uso programa G.P.A. vBeta para Sistema “Line array” Tassoaudio. En esta versión 2.0 se ha tratado de avanzar en varios puntos, de forma de hacer más óptimo el trabajo de la planificación basada en G.P.A. Uno de los ámbitos que se tiene énfasis fue en hacer de G.P.A. un software más amable, intuitivo y fácil de usar. Además de eso fueron implementadas varias otras mejoras, entre ella manejo de line array, crossover, full zoom in/out, etc. Este pretende ser un manual de rápido uso, por lo que sólo se enumerarán y explicarán los controles que no sean autoexplicativos. En G.P.A. hay un par de contenedores muy útiles para el trabajo en el campo sonoro. Estos son “Automático” y “Memoria”. Tienen la siguiente forma en G.P.A., y están ubicados bajo el campo sonoro principal:
En instantáneo, se aprecian en tiempo real las coordenadas (x e y), sobre las cuales se encuentra el cursor mientras movemos el Mouse sobre el campo sonoro. Al hacer clic en cualquier punto del campo sonoro, las coordenadas son “guardadas” en el contenedor Memoria. Luego con este valor de coordenadas en memoria, podemos hacer varios procedimientos, tales como situar un line array colgando desde ese punto, situar un bafle suelto en ese punto, o un sub-bajo, o un micrófono de medición. Expliquemos como realizar cada una de esas acciones. Para situar un line array. Siempre cuando se presiona el botón principal “array”, y no se encuentre aún ingresado un line array, se abrirá la pantalla “Crear array”, y en las coordenadas aparecerá el último punto guardado en Memoria.
El control principal Line array.
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La ventana Crear array aparece con las mismas coordenadas Guardadas en “Memoria”.
Situar un bafle suelto, o un subbajo. Para realizar esto, se busca el cuadro de control principal “Bafles”, o a “Subs”, y en la ventana correspondiente, se presiona el control correspondiente, en alguna de las filas disponibles para situar un bafle suelto o un sub-grave. Situar un micrófono de medición: Para situar un micrófono de medición en las coordenadas guardadas en “Memoria”, tenemos que apretar el control principal “micrófonos”, y luego apretar el botón M correspondiente al micrófono deseado.
El diafragma del micrófono 1 es situado en el punto guardado en memoria. Las coordenadas son algo distintas, ya que estas muestran el punto inferior derecho del “atril” del mic. Sin embargo, como se dijo, el diafragma del micrófono queda justamente en el punto guardado en memoria. El control es para elegir si se graficará o no automáticamente la respuesta de frecuencia captada por este micrófono. El control borra el micrófono. En general, el botón “borra” los datos de algún sistema. En todo lugar donde se encuentran controles de este tipo, se podrán modificar su valor, aumentándolo o disminuyéndolo con las flechas a la derecha del número, y estos cambios se verán reflejados en tiempo real en el campo sonoro y la respuesta de frecuencia.
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Mediciones de un altavoz en cámara anecoica y campo libre: para su comprensión, desarrollo y análisis en GPA. Zoom. En G.P.A. 2.0 se puede hacer full zoom in/out en el campo sonoro. Para esto, acerque el cursor del Mouse a un punto determinado, y luego utilice la rueda de “Scroll” para hacer zoom in/out. También puede ocupar las teclas i/o del teclado. Además, puede hacer zoom horizontal y vertical en la respuesta de frecuencia. Para hacer zoom horizontal, se situa el cursor sobre la misma respuesta y se utiliza el scroll. En cambio, para hacer zoom vertical, situaremos el Mouse sobre la “rejilla” vertical de “dB”, al costado izquierdo de la respuesta.
Encima de esa rejilla debemos usar el scroll del Mouse para Hacer zoom vertical en la respuesta de frecuencia.
Tips de uso rápido. Para situar rápidamente un micrófono de medición, solo ponga el cursor en el punto deseado, y apriete una de las teclas f1, f2, …, f10. El micrófono correspondiente será situado al momento en el punto requerido. Para situar rápidamente un sub-grave, proceda igual que en el ejemplo anterior, pero con las teclas “1”, “2”,…”0”, según corresponda. Para mover rápidamente el line array, proceda igual que en el ejemplo anterior, pero presionando la tecla “A”. Mantenga el botón del Mouse presionado, y “mueva” el campo sonoro, arrastrándolo para situar mejor su perspectiva. Al hacer clic sobre el degradado de colores que representa los distintos niveles, este cambiará de aspecto, permitiéndonos ver el campo sonoro en saltos de 6dB.
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Barra de colores cambia su aspecto.
Respuesta en el campo sonoro, en saltos de 6dB.
Por último, para pasar a otra aplicación, y que no queden molestando las pantallas flotantes de G.P.A., presione la tecla “ESPACIO”.
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ANEXO B
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Planilla utilizada como método para obtener valores en medición de altavoces en campo libre para ser incluidos en MATLAB. Y obtener los patrones polares.
Tabla de atenuación para ser incluidos en G.P.A.
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Planilla utilizada a la vez como método para obtener valores en medición de altavoces en cámara anecoica.
Tabla de atenuaciones para se incluidos en G.P.A.
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