Fundamentos para la elección de un recinto infinito
FSsl
Introducción
Una vez que los ingenieros superaron el concepto del gabinete como mero soporte de los altavoces en los comienzos de la electroacústica, empieza una nueva carrera en busca de la mejoría del sonido principalmente del extremo grave.
La perdida del las octavas inferiores debido al bafle step en un altavoz abierto producto de la cancelación acústica por diferencia de fase entre cada lado de la membrana), produjo que se adoptara la caja infinita, o sellada, como medio para ganar esas frecuencias perdidas. Así esta onda desfasada 180° con respecto a la delantera del altavoz se anulaba.
Uno de los inconvenientes de la caja cerrada era que su respuesta en graves dependía mucho del volumen de la caja y muchas veces se requerían proporciones muy grandes para ganar un poco más de graves. Una caja más voluminosa podría entregar graves más extensos mientras que una chica entregaría graves más acentuados pero menos extensos.
Uno de los siguientes avances en esta carrera surgió cuando los ingenieros pudieron hacer que la onda trasera en desfase pudiera enfasarce y producir una sumatoria importante en la zona grave. Las líneas de transmisión eran túneles que guiaban la onda del altavoz hasta su boca, el largo de la línea se sintonizaba en relación a la longitud de onda de la frecuencia que se deseaba enfatizar. Para una frecuencia de 50 Hz que requiera una acentuación el largo del túnel debería ser de 340/fs/2, o sea 340 (que es la velocidad del sonido) sobre 50 Hz y dividido dos. Esto producía el enfasamiento de la onda en dicha frecuencia, pero sucedía que ocurría particularmente en dicha frecuencia y sus múltiplos, esto se solucionaba con mucho material absorbente en el interior del laberinto para limpiar las octavas acentuadas de las que estarían en desface. Una de las costumbres más recurrentes en la sintonía de una línea de transmisión era que se efectuara un desface a la frecuencia de resonancia con la mejoría de aplanar el pico de impedancia del altavoz esto es 340/fs/4.
Los recintos bass-reflex surgieron bajo el mismo concepto: enfasar la onda de la radiación posterior de la caja, en este caso a través de un resonador. La caja bass reflex es un sistema resonante que consta de una abertura o tubo reflex que se encarga de enfasar la onda de la faz posterior del altavoz. Controlando el volumen como el largo del tubo se podía afinar el sistema aportando una extensión en graves incomparable con respecto al las otras tipoligías. Obviamente, dependiendo de los parámetros del altavoz. Luego este sistema fue el más adoptado y aceptado por el publico ya que entregaba muy buenos graves en un tamaño relativamente reducido de la caja y hacían rendir más a sus amplificadores. A esas alturas la respuesta en graves de una caja cerrada quedaba muy superada.
Caja cerrada
Una de las definiciones necesarias para saber si nuestro altavoz es más apropiado para caja cerrada o bass-reflex es saber su capacidad de entregar graves o Q y su Fs. El EBP es el cociente entre Fs y Qes, o sea entre la frecuencia de resonancia y su Coeficiente de sobretensión eléctrica. Si el EBP es menor a 50 el altavoz es más apropiado para caja cerrada y si es mayor irá mejor en un bass reflex. Para este calculo es necesario conocer los parámetros Thiele-Small de dicho altavoz.
Muchas marcas ya han adoptado definitivamente el sistema bass-reflex, principalmente gracias al avance en la calidad de los amplificadores con excelentes coeficientes de amortiguamiento y altavoces de gran precisión. Sin embargo las cajas cerradas aún existen y se alzaron gloriosamente en uno de los recintos considerados los mejores del plantea: los Nautilus de B&W. Estos son una variante de la caja cerrada denominados laberintos acústicos, es una caja cerrada pero en su interior contiene un laberinto lleno de material absorbente que se encarga de eliminar por completo la onda posterior del altavoz, también es capas de bajar su Fs al mínimo.
Con respecto a la definición que logra la señal, uno de los puntos más sobresalientes, es que el aire contenido en la caja sellada funciona como suspensión o muelle de la membrana logrando una mejor respuesta temporal. A esto se le denomina comportamiento amortiguado o sobreamortiguado. Y lo que logra es que la señal sea reproducida con mayor fidelidad que los recintos bass-reflex o subamortiguados. Es un punto clave en muchas decisiones de diseño de un gabinete electroacústico.
Las cajas cerradas no requieren de mucho calculo para su diseño. Se puede variar su respuesta únicamente cambiando su volumen, de esa forma se logra controlar la Fc (frecuencia de corte) y la Q de los graves, pero siempre depende del volumen de la caja. A diferencia de las bass-reflex que brindan mayor margen de diseño ya que a un determinado volumen de caja se puede elegir varias frecuencias de entonación.
Fundamento de FSsl
Mi elección es la caja cerrada en general, o precisamente, el laberinto acústico. Pero obviamente los distintos parámetros o características del amplificador/altavoz puede que la elección cambie hacia otro sistema, pero en lo particular. Aclaro por que en el resto de los diseños electroacústicos la elección del recinto bass-reflex a sido ya directa, tanto en sistemas domésticos como los de alta fidelidad, simplemente por su extensión en graves.
Con respecto a la respuesta en frecuencia, y la elección del corte en –3dB, no me resulta tan importante como su pendiente o Q. Este criterio se basa simplemente en psicoacústica. Cuando con una caja bass-reflex uno intenta mantener la linealidad de la respuesta hasta la frecuencia más grave posible, lo que ocurre es que una vez encontrado este corte en –3dB la pendiente baja considerablemente (o sea Q alta). En un diseño cerrado de baja Q, la pendiente de respuesta en graves es suave y controlada y aunque el punto de –3dB sea más alto, la curva logra extenderse mucho más atrás en el extremo grave.
Vemos que el recinto bass-reflex (verde) contiene mayor ganancia en graves, pero su corte es abrupto, y tiene la misma capacidad de reproducir un sonido de 40 Hz que una cerrada y peor para llegar a los 30Hz. La pendiente de la cerrada (amarillo) es más suave y relativamente lineal
Con respecto a la percepción de esto, volviendo al tema psicoacústico, la respuesta es en percepción mucho más lineal que la de un recinto bass-reflex. Esto ocurre por que el cerebro, al escuchar una pieza musical puede reconstruir las notas base según la armonía de dicha pieza aunque la reproducción en graves de los altavoces sea acotada. Más aun, en un sistema bass reflex donde la Fc –3dB esta a 50Hz, la nota más grave de un bajo (41Hz) esta a –17dB! Esto ocurre por la pendiente abrupta de un sistema bass-reflex. En un recinto cerrado aunque los 50Hz estén a –8dB, los 41 Hz pueden estar a –10dB.
Entonces relativamente la respuesta es más lineal en un sistema cerrado ya que la diferencia de SPL entre una y otra frecuencia es menor. En sistemas muy pequeños se opta por el bass reflex aunque no pueda llegar a reproducir toda la gama de notas graves.
Por más que el altavoz sea de baja Qts, si nuestro cerebro tiene que reconstruir un mi de 40Hz sin casi tener información auditiva de dicha nota, como puede ocurrir en un sistema báss-reflex, entonces, será más fácil que lo haga con una caja cerrada.
Esto ocurre porque perceptivamente y teniendo en cuenta que se utiliza un nivel de –3dB como limite de la respuesta en frecuencia, un sonido grave es difícil de enmascarar por uno de frecuencia media o alta, entonces, a mi criterio este limite puede tener mayor tolerancia, y ya que la percepción de un determinada nota grave depende del nivel de la anterior mas aguda, la pendiente suave de una caja cerrada produce que el cerebro no se pierda ninguna de estas, ya que estos niveles son relativos.
A este concepto lo defino como respuesta lineal relativa. Que es la que a mi criterio posee una caja cerrada de baja Q. Perceptivamente es lineal y muchas veces más lineal que un sistema abierto y además la nitidez es inmejorable. Se aprecia como más natural ya que coincide con la pendiente de sensibilidad auditiva del oído.
Aquí se ven las respuestas de dos woofers del mismo modelo en dos recintos diferentes: bass-reflex en verde y cerrado en amarillo. El volumen es el mismo en ambos: 150lts.La ganancia de graves en el reflex es mejor, pero la cerrada no se queda atrás con una diferencia de pocos dB entre cada una.
En el caso de woofers de mayor diámetro un bass-reflex puede llegar tranquilamente hasta los 20Hz que es el límite de percepción mínimo de las frecuencias graves. Pero a costa perdemos en respuesta temporal. En relación a la respuesta temporal, la caja cerrada funciona como sistema sobreamortiguado, por lo tanto es mucho más fiel a la señal original. Esto ocurre por que la masa de aire contenida en el recinto actúa como muelle o amortiguación del cono del altavoz logrando que este no sobreoscile luego del cese de la señal. El resultado es una nitidez y respeto de la microinformación mucho más evidente que en cualquier otro recinto y este es uno de los puntos a favor que me llevaron a escoger esta tipología. La diferencia es enorme, principalmente en instrumentos de percusión. Escuchando la banda de sonido de Star wars pude comprobarlo. Compare a oído ambos sistemas en una pieza con distintas percusiones desde un tamboril pasando por los timbales hasta un gigantesco tambor.
Aquí vemos el comportamiento de una señal senoidal en un sistema sobreamortiguado (arrriba) y subamortiguado (abajo). Nótese que luego del cese de la señal el sistema subamortiguado sigue oscilando. Esto se llama sobreoscilación y ocurre cuando el nivel de elasticidad supera al de amortiguamiento, esto ocurre en los sistemas bass reflex a diferencia de los sistemas cerrados que se comportan como sistema sobreamortiguado.
Aquí vemos ese comportamiento pero en la reproducción de una onda cuadrada.
La definición en el extremo grave de un bass reflex se pierde muchísimo perdiendo también realismo, ya que la microinformación de los armónicos graves quedan desfasados en relación ala de los agudos y peor aún en relación a la de los armónicos graves más cercanos. Se produce una incoherencia que se percibe como un sonido sucio y poco preciso. En cambio la cerrada ponía todo en su lugar, y el impacto y la definición eran incomparables. Aunque en un gran woofer se pueda conseguir una respuesta lineal hasta los 20Hz, una caja cerrada también puede hacerlo, con atenuación, pero ganando en definición sonora. Este es uno de los inconvenientes que más domina la atención de los ingenieros electroacústicos, relacionada directamente con la “fase” en recintos acústicos así como en filtros y los propios altavoces: el group delay o retardo de grupo.
En el primer caso vemos la curva de retardo de grupo de un recinto bass-reflex (verde) y uno cerrado (azul) y corresponden a recintos de 20 lts y sintonías moderadas de 45 Hz para el primero y 60Hz el segundo. Como es evidente el recinto abierto retrasa la onda, en este caso hasta 14 mls, la cerrada tiene una variación más que leve e incomparable con su compañera. Sin embargo muchas veces en busca de un extremo grave voluptuoso se buscan sintonías más bajas como en el segundo caso (con variaciones de apenas 5Hz en un recinto de 40 lts) produciendo retrasos de hasta 30 mls si se sintoniza en 30Hz el recinto bass-reflex. Y esto es realmente audible y en muchos casos intolerable si se desea respetar la señal original.
Incluso en diseños de alta fidelidad se elige una sintonía favorable para ambos parámetros, linealidad de respuesta y retardo de grupo, aunque a mi criterio no sea suficiente. Este es uno de los factores definitorios de la elección de un recinto cerrado. Como demuestran las graficas el retraso temporal ni siquiera la curva es constante con la consiguiente incoherencia con los armónicos mas cercanos, sino que dicho retardo ocurre en una nota determinada (y las cercanas) o sea con un alto Q, inmediatamente hay diferentas de 15 mls entre una frecuencia de 30Hz y su primer armónico de 60Hz.
Una elección intermedia seria la línea de transmisión, con una respuesta temporal de sobreoscilación mejor que la de un bass reflex, y mejor respuesta en graves que una cerrada pero su construcción puede ser mucho más dificultosa, principalmente debido a la longitud que podría llegar a requerir la línea si se utiliza un woofer de baja Fs. Sin embargo la elección de un recinto cerrado se debe también a la fase casi perfecta que este posee, cualquier otro recinto abierto siempre debe desfasar la onda de la parte posterior y esto no se corresponde con la realidad armónica del sonido original, aunque parezca ínfima la diferencia.
El concepto de “respuesta lineal relativa”, tiene un carácter más bien musical ya que la linealidad objetiva en graves no se puede reemplazar en todos los casos por un sistema infinito. Lo que si atina es a la percepción musical de la mayor cantidad de octavas posibles, por más que vayan en atenuación a medida que bajamos la frecuencia y esto puede ser muy importante. Al mismo tiempo que este tipo de respuesta en graves la considero más natural en comparación con los bajos voluptuosos y artificiosos de un bass-reflex, lo que a mi criterio embellece la escucha.
La Nautilus y mi monitor de estudios. Dos exponentes de recintos cerrados (que B&W me perdone)
