ea tema6 02 - tsc.unex.estsc.unex.es/~tabo/ea/ea_tema6_02_2h.pdf · sistemas de refuerzo sonoro ......
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Introducción
SonorizaciónReproducción del sonido en un determinado área (área de audiencia) mediante medios artificiales (sistemas de refuerzo sonoro y megafonía)
Objetivos de un sistema de sonorizaciónAlcanzar un nivel sonoro suficiente en el área de audiencia (ganancia acústica suficiente)Fidelidad de la señal reproducida (respuesta en frecuencia, distorsión, SNR, reverberación, etc.)Suficiente inteligibilidadRecubrimiento uniforme
Elementos de un sistema de refuerzoAcústicos: características acústicas del entorno a sonorizarElectroacústicos: micrófonos y altavocesEquipos de audio: mesas, ecualizadores, equipos de procesado, amplificadoresConexionado: cables, conectores
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Sistemas de sonorización
Sistemas de refuerzo sonoroBuena fidelidad, inteligibilidad, nivel sonoro y recubrimientoSalas de conferencias, teatros, conciertos al aire libre, etc.Sonorización de locales comerciales
Sistemas de megafoníaBuena inteligibilidad y recubrimiento, no tan importante la fidelidadSonorización de estaciones de tren, aeropuertos, etc.
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Desarrollo del tema
Introducción.Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico.
Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria.Realimentación y ganancia acústica potencial.Potencia eléctrica necesaria.
Sistema de refuerzo sonoro en interiores.Constante acústica de la sala y distancia crítica.Influencia sobre los parámetros de diseño.
Criterios de inteligibilidad.Pérdida de articulación de consonantes, ALcons.Medida objetiva de la inteligibilidad. Índice de transmisión del habla, STI, RASTI.
Control de la realimentación.Transductores y altavoces directivos.Ecualización y filtros ranura.
Interconexión del sistema.Impedancias de entrada y salida.Líneas balanceadas y no balanceadas.Técnicas de interconexión.
Puesta a tierra del sistema.Importancia de la puesta a tierra.Procedimientos de puesta a tierra.
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Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico
Se considera un sistema de refuerzo en exteriores, en el que se pueden despreciar los efectos del eco y la reverberación. Sólo se considera el sonido directo y la atenuación con la distancia
Ley de atenuación con la distancia: atenuación proporcional al cuadrado de la distancia
020 logmicp p
S
DL LD
Lp
Lpmic
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Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria
Ganancia acústicaEs el incremento de nivel que un oyente de la audiencia percibe con el sistema de refuerzo conectado, comparado con el nivel que percibiría con el sistema desconectado
Ganancia acústica necesaria (Needed Acoustic Gain, NAG)Para un nivel dado producido por el orador en el micrófono, Lpmic, con el sistema apagado se tiene que el nivel en el oyente es
Si se desea un nivel Lp en la audiencia
¿Cómo determinamos Lp?
AGON OFFp pL L
20logOFF
op pmic
s
DL LD
NAGOFFp pL L
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Obtención del nivel deseado en la región de la audiencia
Sistemas para conciertos
Se eligen niveles elevados por motivos puramente estéticos (sonido “contundente”)
Sistemas para la palabra
El nivel se debe elegir al menos 25 dB por encima del ruido (SNR = 25dB) para una correcta inteligibilidad
Se suele utilizar el concepto de distancia acústica equivalente (EquivalentAcoustic Distance, EAD)
En ambos casos son importantes otros factores como el recubrimiento de toda la zona de audiencia
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Distancia acústica equivalente
El sistema de sonido crea la ilusión de que el orador se encuentra a una distancia equivalente (EAD) del oyente menor que la distancia real D0
EAD: distancia subjetiva a la que un oyente sitúa al orador gracias al sistema de refuerzo sonoro.
En un ambiente poco ruidoso sería suficiente con “aproximar” el orador a unos 3 metros del oyente (EAD = 3m)La ganancia acústica necesaria se obtiene entonces directamente a partir de la EAD teniendo en cuenta la atenuación con la distancia
NAG 20logEAD
oD
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Distancia acústica equivalente
Ejemplo 1
7EAD 3 NAG 20log 7.5dB3
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Distancia acústica equivalente
Ejemplo 2En un ambiente más ruidoso no será suficiente con una EAD de 3m para obtener una buena inteligibilidadUn criterio ampliamente aceptado para tener una buena inteligibilidad es que la relación SNR debe ser de 25dB o superiorSi consideramos que una conversación normal alcanza niveles de 60 a 65 dB SPL a 1m de distancia, en un ambiente con un ruido de fondo de 50dB necesitaremos de 75 a 80 dB para una escucha confortableVeamos a qué distancia acústica equivalente (EAD) se corresponden 80dB
1520
1m 65dB
' 80dB ¿ ' ?
'' 20 log
' 20 log 20log '
20 log ' ' 20 log 65 80 0 15
' 10 0.17m EAD 0.17m
p
p
p p
p p
p p
D LL D
DL LD
L L D DD L L D
D
7EAD 0.17 NAG 20log 32dB0.17
- 12 -
Distancia acústica equivalente
Distancia acústica equivalente (EAD) en función del tipo de voz y del ruido ambiente, para una SNR de 25 dBObsérvese que se cumple la ley de -6dB/dd, lo que indica la situación de campo directoPara entrar en la tabla se suman 25dB al nivel de ruido de ambiente
0.17m
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Realimentación y ganancia acústica potencial
Realimentación acústica: captación por el micrófono de la señal proveniente del altavoz (de forma directa o a través de reflexiones en el entorno)
Si se cumplen las condiciones de oscilación (ganancia de lazo unidad y desfase de 2 n, n=0,1,2,…) a alguna frecuencia el sistema se volverá inestable por oscilación de dicha frecuencia(s).
Estas oscilaciones del sistema se denominan habitualmente “acoplos” y se caracterizan por un pitido ensordecedor que va creciendo a medida que el resto del programa sonoro desaparece por efecto enmascaramiento y pérdida de potencia en las demás frecuencias
Los sistemas de sonido son de banda ancha, por lo que si la condición sobre la amplitud de la ganancia de lazo se cumple, la condición de fase se cumplirá a alguna frecuencia se debe limitar la ganancia del sistema para que la ganancia de lazo sea menor que la unidad
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Realimentación y ganancia acústica potencial
Efectos de la realimentación acústicaEstablece un límite para la ganancia acústica máxima que se puede obtener con el sistema de refuerzo antes de que se produzcan la inestabilidad por oscilación
Ganancia acústica potencial (potential acoustic gain, PAG)Incluso antes de que se produzca oscilación la realimentación provoca
Coloración de la respuesta en frecuencia pérdida de fidelidadIncremento del tiempo de reverberación pérdida de inteligibilidad
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Ganancia acústica potencial
Es la ganancia acústica máxima que podemos proporcionar al sistema de refuerzo sin que éste se vuelva inestable por la realimentaciónA efectos de diseño, se producirá oscilación cuando el SPL en el micrófono debido a los altavoces y al orador sea el mismo (ganancia de lazo unidad)
NAG > PAG, sistema no viable (inestabilidad por realimentación)
, 1
0 1
2
20 logON GL OFFp p
s
D DPAG L LD D
Lpmic Lp OFF
Lp ON, GL=1
20logOFF
op pmic
s
DL LD
, 1
2
1
20 logON GLp pmic
DL LD
- 16 -
Ganancia acústica potencial
Ejemplo
En el ambiente poco ruidoso, NAG = 7.5dB < PAG Sistema viableEn el ambiente ruidoso (50dBA), NAG = 32dB > PAG Sistema no viable
0 1
2
PAG 20log
7 4PAG 20log 13.5dB1 6
s
D DD D
Distancia orador-mic: DS = 1m
Distancia orador-oyente: D0 = 7m
Distancia altavoz-mic: D1 = 4m
Distancia altavoz-oyente: D2 = 6m
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Ganancia acústica potencial
Número de micrófonos “abiertos” (Number of Microphones, NOM)Cada micrófono abierto en un escenario aumenta las posibilidades de realimentación y reduce la PAG
Margen de estabilidad para la realimentación (Feedback Stability Margin,FSM)
Antes de que se cumpla la condición de realimentación se producen problemas de coloreo en la respuesta en frecuencia y aumenta el tiempo de reverberación en recintosSe suele considerar un margen de estabilidad de 6 a 10 dB para evitar estos problemas
0 1
2
PAG 20log 10log NOMs
D DD D
0 1
2
PAG 20log 10log NOM FSMs
D DD D
- 18 -
Ganancia acústica potencial
Ejemplo
En el ambiente poco ruidoso, NAG = 7.5dB = PAG Sistema viable ?En el ambiente ruidoso (50dBA), NAG = 32dB > PAG Sistema no viable
0 1
2
PAG 20log 10log NOM FSM
7 4PAG 20log 10log1 6 7.5dB1 6
s
D DD D
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Ganancia acústica potencial
La PAG depende de características geométricas del sistema. Actuando sobre éstas se puede incrementar su valor
Aumentando la separación entre altavoces y micrófonos, D1
Acercando los altavoces a la audiencia, D2
Reduciendo la separación entre orador y micrófono DS
Aumentando la separación entre orador y oyente D0. Esta solución no es viable porque implica aumentar D2
0 1
2
PAG 20log 10log NOM FSMs
D DD D
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Ganancia acústica potencial
Ejemplo: reducción de la distancia orador-micrófono mediante un micrófono de mano
Incremento de la PAG de 7.5dB (con micro a 1m) a 33.4dBEn el ambiente poco ruidoso, NAG = 7.5dB < PAG Sistema viableEn el ambiente ruidoso (50dBA), NAG = 32dB < PAG Sistema viable
Distancia orador-mic: DS = 0.05m
Distancia orador-oyente: D0 = 7m
Distancia altavoz-mic: D1 = 4m
Distancia altavoz-oyente: D2 = 6m
0 1
2
PAG 20log 10log NOM FSM
7 4PAG 20log 10log1 6 33.4dB0.05 6
s
D DD D
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Ganancia acústica potencial
Una de las primeras medidas que se toman para aumentar la estabilidad de un sistema de sonido es la de acercar los oradores a los micrófonosEsto genera un problema adicional
Las prestaciones del sistema dependen en buena medida de las variaciones de la distancia orador-micrófonoEs difícil para el orador mantener una distancia fija entre el micrófono y su bocaComo resultado la ganancia variará considerablemente con los movimientos del orador
El problema se puede resolver con micrófonos portados por el orador, como los micrófonos de solapa (Lavalier) o los modernos micrófonos de contacto
Además de incrementar la PAG, la estabilidad del sistema se puede mejorar reduciendo la NAG necesaria (por ejemplo, convenciendo al orador de que, además de acercarse al micrófono, debe subir su tono de voz)
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Potencia eléctrica necesaria
Una vez calculadas la NAG y la PAG y comprobada la viabilidad del sistema, se calcula la potencia eléctrica necesaria (Electrical Power Required, EPR)La EPR es un parámetro muy importante para el dimensionamiento de un sistema de sonido
Lp: nivel SPL deseado en la audiencia (nivel nominal)HR: headroom deseado
6-10 dB para la palabra10-25 dB en música
Lsens: sensibilidad del altavoz en dB SPL/1m/1W
220log10EPR[W] 10
p sensL HR L D
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Potencia eléctrica necesaria
Ejemplo 1
Sensibilidad típica de altavoces pequeños: 85 dB SPL/W/mHeadroom para la palabra: 6 dB
orador
PAG 23.8dBNAG 7.5 dB
(1m) 65dB SPL
EAD 3mpL
orador
orador
(1m) 65dB SPL
EAD(EAD) (1m) 20log1
3(EAD)=65 20log 55.45dB SPL1
p
p p
p
L
L L
L
220log 55.45 6 85 20log610 10EPR[W] 10 10 0.16W
p sensL HR L D
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Potencia eléctrica necesaria
Ejemplo 2
Sensibilidad típica de altavoces pequeños: 85 dB SPL/W/mHeadroom para la palabra: 6 dB
Incremento del headroom a 10 dB
PAG 33.4dBNAG 32 dB
80dB SPLpL
220log 80 6 85 20log610 10EPR[W] 10 10 45.4W
p sensL HR L D
220log 80 10 85 20log610 10EPR[W] 10 10 113.84W
p sensL HR L D
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Desarrollo del tema
Introducción.Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico.
Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria.Realimentación y ganancia acústica potencial.Potencia eléctrica necesaria.
Sistema de refuerzo sonoro en interiores.Constante acústica de la sala y distancia crítica.Influencia sobre los parámetros de diseño.
Criterios de inteligibilidad.Pérdida de articulación de consonantes, ALcons.Medida objetiva de la inteligibilidad. Índice de transmisión del habla, STI, RASTI.
Control de la realimentación.Transductores y altavoces directivos.Ecualización y filtros ranura.
Interconexión del sistema.Impedancias de entrada y salida.Líneas balanceadas y no balanceadas.Técnicas de interconexión.
Puesta a tierra del sistema.Importancia de la puesta a tierra.Procedimientos de puesta a tierra.
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Sistema de refuerzo sonoro en interiores
Es necesario incorporar los efectos de la reverberación
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Constante de la sala y distancia crítica
Campo directo y campo reverberanteEn una sala se tienen dos campos sonoros
Campo correspondiente al sonido directoCampo reverberante (múltiples reflexiones incoherentes)
El sonido directo se atenúa proporcionalmente al cuadrado de la distanciaEl campo reverberante se distribuye uniformemente en la sala (no depende de la distancia)
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Constante de la sala y distancia crítica
Constante de la sala (R)Medida de la absorción total de sonido que se produce en las paredes de la misma. Sus unidades son m2
1SaR
a
S: superficie de la salaa: coeficiente de absorción media
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Constante de la sala y distancia crítica
Distancia crítica (Dc)Es la distancia medida desde la fuente hacia la audiencia a la cual se igualan las presiones del campo directo y el campo reverberante
0.14cD QR
Q: directividad de la fuenteR: constante de la sala
Directividad típica de un orador: Q = 3dB
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Constante de la sala y distancia crítica
Nivel relativo de campo reverberante a campo directo en función de la distancia al orador y la constante de la sala
Distancia crítica, Dc
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Constante de la sala y distancia crítica
Nivel relativo de campo directo a campo reverberarte en función de la distancia al orador y la distancia crítica
2 2( ) cg D D D
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Influencia sobre los parámetros de diseño
Atenuación del sonido en interiores teniendo en cuenta el campo reverberante
0 0( )20log 10log( )
micp p
S S
D g DL LD g D
2 2( ) cg D D D
Contribucióndel campo reverberante
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Influencia sobre los parámetros de diseño
Ejemplo 1Coeficiente de absorción media: 0.2Nivel normal de un orador a 1m = 65dB SPL
Superficie de la sala: 111m2
Constante de la sala
Directividad orador
Distancia crítica
2112 0.2 28m1 1 0.2SaR
a
0.14 2·28 1mcD
31010 2dB
Q
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Influencia sobre los parámetros de diseño
Nivel normal orador a 1m = 65dBSPL Nivel del orador a 1m teniendo en cuenta el campo reverberante
Nivel del orador en el micrófono
Nivel del orador en el oyente
mic orador
2 2mic
2 2
mic
( )(1m) 20log 10log1m (1)
0.6 1 0.668 20log 10log1 1 1
70.76 71dB SPL
S Sp p
p
p
D g DL Lg
L
L
orador orador orador, , ,
orador 2 2,
(1 ) (1m) (1m)
(1 ) 65 10log(1 1 ) 68dBSLPp total p directo p rev
p total
L m L L
L m
mic 0 0
2 2mic
2 2
( )20log 10log( )
4.2 1 4.271 20log 10log 65.46 dBSPL0.6 1 0.6
p pS S
p
D g DL LD g D
L
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Influencia sobre los parámetros de diseño
Ganancia acústica necesaria en función de la distancia acústica equivalente
Ganancia acústica potencial
Potencia eléctrica necesaria
( )20log 10log( )
o oD g DNAGEAD g EAD
22
( )20log 10log(1)
10[ ] 10p sens
g DL HR L Dg
EPR W
0 1 0 1
2 2
( ) ( )PAG 20log 10log NOM FSM 10log( ) ( )s s
D D g D g DD D g D g D
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Influencia sobre los parámetros de diseño
Ejemplo 1 Directividad del altavoz: 6dB (la misma para D1 y D2)
Distancia crítica
Ganancia acústica potencial (PAG)
Sala muy pequeña y altavoz mal posicionado
0 1 0 1
2 2
( ) ( )PAG 20log 10log( ) ( )
4.2·1.5 (4.2) (1.5)PAG 20log 10log0.6·4.8 (0.6) (4.8)
PAG 5.26dB
s s
D D g D g DD D g D g D
g gg g
0.14 2·28 1.4mcD
61010 4dB
Q
Sin margen de estabilidad!
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Influencia sobre los parámetros de diseño
Ejemplo 2Coeficiente de absorción media: 0.15 Superficie de la sala: 630m2
Constante de la sala
Directividad y Dc orador
Directividad y Dc altavoz-oyente: 9dB
Directividad y Dc altavoz-orador: -3dB
2630 0.15 111m1 1 0.15SaR
a
0.14 2·111 2mcD31010 2dB
Q
0.14 8·111 4.2mcD91010 8dB
Q
0.14 0.5·111 1mcD31010 0.5
dB
Q
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Influencia sobre los parámetros de diseño
Ejemplo 2Ganancia acústica potencial (PAG)
Considerando el margen de estabilidad
El sistema podría proporcionar una ganancia acústica pequeña, aunque perceptible
0 1 0 1
2 2
2 2 2 2
2 2 2 2
( ) ( )PAG 20log 10log( ) ( )
12·5.4 (12) (5.4)PAG 20log 10log0.6·13.2 (0.6) (13.2)
12 2 5.4 1PAG 18.25 10log
0.6 2 13.2 4.2
PAG 18.25 7.27 11dB
s s
D D g D g DD D g D g D
g gg g
PAG 11 6 5dB
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Desarrollo del tema
Introducción.Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico.
Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria.Realimentación y ganancia acústica potencial.Potencia eléctrica necesaria.
Sistema de refuerzo sonoro en interiores.Constante acústica de la sala y distancia crítica.Influencia sobre los parámetros de diseño.
Criterios de inteligibilidad.Pérdida de articulación de consonantes, ALcons.Medida objetiva de la inteligibilidad. Índice de transmisión del habla, STI, RASTI.
Control de la realimentación.Transductores y altavoces directivos.Ecualización y filtros ranura.
Interconexión del sistema.Impedancias de entrada y salida.Líneas balanceadas y no balanceadas.Técnicas de interconexión.
Puesta a tierra del sistema.Importancia de la puesta a tierra.Procedimientos de puesta a tierra.
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Criterios de inteligibilidad
Además de criterios de nivel es necesario cumplir criterios de inteligibilidad. Los factores más importantes que influyen en la inteligibilidad son:
Relación señal a ruido. En general debería ser superior a 25dB, aunque en ambientes muy ruidosos 10 o 15dB pueden ser tolerables
Tiempo de reverberación. Tiempos de 1.5 segundos o menores no degradan la claridad de la palabra
Relación campo directo / campo reverberante. Para ambientes con tiempos de reverberación superiores a 1.5 segundos, la inteligibilidad es función de la relación campo directo a campo reverberante, así como del tiempo de reverberación
Los criterios de evaluación de la inteligibilidad permiten evaluar la calidad acústica de un recinto en cuanto a la reproducción de señal vocal
Pérdida de articulación de consonantes
Índice de transmisión del habla (Speech Transmision Index, STI)
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Pérdida de articulación de consonantes, ALcons
Es uno de los más útiles para la predicción de la inteligibilidad potencial en sistemas de refuerzo sonoroSe trata de un criterio subjetivo que proporciona el porcentaje de consonantes no entendidas en función de la relación campo directo / campo reverberante y del tiempo de reverberación de la sala.
Se asume un nivel de señal en la audiencia suficiente para obtener una relación SNR superior o igual a 25dBMuestra una elevada correlación con los resultados estadísticos de los testssubjetivos de calidad (golden ears)
consConsonantes no entendidasAL (%) 100
Consonantes emitidas
0% < Alcons < 10% Inteligibilidad muy buena10% < Alcons < 15% Inteligibilidad buena15% < Alcons < 100% Inteligibilidad no
aceptable
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Pérdida de articulación de consonantes, ALcons
ALcons (%)La inteligibilidad decrece proporcionalmente al tiempo de reverberación La inteligibilidad decrece según nos alejamos de la fuente sonora (por disminución de la relación campo directo / campo reverberante) hasta llegar a una distancia, que llamaremos distancia límite DL, a partir de la cual ya no varía
3.16L cD D
En la distancia límite el campo directo es unos 10dB menor que el reverberante
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Pérdida de articulación de consonantes, ALcons
Metodología de utilización de este criterioSe garantiza una relación señal a ruido mínima de 25dBSe determina la distancia crítica para el altavoz del sistemaA partir del T60 se determina a partir de la gráfica la distancia D/DL que permita obtener un Alcons < 10%.
Si esa distancia es menor que el punto de audiencia mas lejano seránecesario aumentar el nivel de señal directa para aumentar DL hasta que la relación D/DL sea la adecuada
Para valores de T60 muy altos pueden requerirse valores de DL también muy altos.
En este caso, sino fuese posible conseguir la distancia límite necesaria con un solo altavoz (por limitación del Q), se recurrirá a varios (sistemas distribuidos)
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Índice de transmisión del habla, STI
Se basa en medidas de parámetros objetivos sobre la señal de audioSe mide la inteligibilidad de la señal estudiando la degradación de la señal de intensidad acústica Se construye un modelo de señal acústica de intensidad de voz como una suma de señales moduladas en amplitud
Portadoras: ruido rosa en 7 subbandas de octava, desde 125 Hz a 8 KHzModuladoras: 14 señales de muy baja frecuencia, de 0.63 Hz a 12.5 Hz en bandas de octavaTotal de señales: 98 índices de modulación
La degradación introducida por el ruido, la reverberación, etc., se traduce en cambios de amplitud y del índice de modulación de estas señales, que son medidos y convertidos en un índice de inteligibilidad final
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Índice de transmisión del habla, STI
Valoración de la inteligibilidad con el índice STI
Para acelerar la evaluación de la inteligibilidad se ha desarrollado una versión rápida de este criterio, el Rapid Speech Transmision Index, RASTI
5 moduladoras para portadora centrada en 2KHz4 moduladoras para portadora centrada en 500 HZ
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Causas de una reducida inteligibilidad
Relación SNR pobreTiempo de reverberación excesivo, especialmente en las bandas de 500Hz y 2KHz.
Se reduce la relación entre el campo directo y el reverberanteEcos
Se deben generalmente a una mala elección de la localización de los altavocesAlineamiento incorrecto de altavoces
Se deteriora el diagrama de radiación de la agrupación de altavoces, reduciendo la relación entre el campo directo y el reverberante en la zona de audiencia
Altavoces con bajo QAltavoces poco directivos reducen la relación de campo directo/campo reverberante
Distancia a la fuenteCuando todo lo demás falla, es posible mejorar las características del sistema reduciendo la distancia de la fuente a la audiencia (sistemas distribuidos)
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Desarrollo del tema
Introducción.Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico.
Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria.Realimentación y ganancia acústica potencial.Potencia eléctrica necesaria.
Sistema de refuerzo sonoro en interiores.Constante acústica de la sala y distancia crítica.Influencia sobre los parámetros de diseño.
Criterios de inteligibilidad.Pérdida de articulación de consonantes, ALcons.Medida objetiva de la inteligibilidad. Índice de transmisión del habla, STI, RASTI.
Control de la realimentación.Transductores y altavoces directivos.Ecualización y filtros ranura.
Interconexión del sistema.Impedancias de entrada y salida.Líneas balanceadas y no balanceadas.Técnicas de interconexión.
Puesta a tierra del sistema.Importancia de la puesta a tierra.Procedimientos de puesta a tierra.
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Realimentación acústica
Captación por el micrófono de la señal proveniente del altavoz (de forma directa o a través de reflexiones en el entorno)
Condiciones de oscilación: ganancia de lazo unidad y desfase de 2 n, n=0,1,2,…
Si estas condiciones se cumplen a alguna frecuencia el sistema se volverá inestable por oscilación (“acoples”)
Los sistemas de sonido son de banda ancha, por lo que si la condición sobre la amplitud de la ganancia de lazo se cumple, la condición de fase se cumplirá a alguna frecuencia se debe ajustar el sistema para ganancia de lazo menor que la unidad
Los acoples se caracterizan por un pitido ensordecedor que va creciendo a medida que el resto del programa sonoro desaparece por efecto enmascaramiento y pérdida de potencia en las demás frecuencias
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Efectos de la realimentación acústica
Establece un límite para la ganancia acústica máxima que se puede obtener con el sistema de refuerzo antes de que se produzcan la inestabilidad por oscilación
Ganancia acústica potencial (potential acoustic gain, PAG)Antes de que se produzca oscilación la realimentación provoca
Coloración de la respuesta en frecuencia pérdida de fidelidadIncremento del tiempo de reverberación pérdida de inteligibilidad
Su efecto es peor en sistemas de sonido en interiores que en exteriores, debido a que la presencia del campo reverberante (aproximadamente constante en toda la sala) eleva el nivel producido por los altavoces en los micrófono (eleva la ganancia de lazo del sistema)
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Control de la realimentación
Optimización de las distancias de separación entre micrófonos, altavoces, orador y oyente (geometría del sistema)
Utilización de micrófonos y altavoces directivos
Ecualización del sistema de sonido, teniendo en cuenta los efectos de la sala
Utilización de supresores de realimentación
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Optimización de la geometría del sistema
La PAG depende de características geométricas del sistema. Actuando sobre éstas se puede incrementar su valor
Aumentando la separación entre altavoces y micrófonos, D1
Acercando los altavoces a la audiencia, D2
Reduciendo la separación entre orador y micrófono DS
Aumentando la separación entre orador y oyente D0. Esta solución no es viable porque implica aumentar D2
0 1
2
PAG 20log 10log NOM FSMs
D DD D
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Optimización de la geometría del sistema
Ejemplo: reducción de la realimentación actuando sobre la distancia orador-micrófono
0 1
2
PAG 20log 10log NOM FSM
7 4PAG 20log 10log1 6 7.5dB1 6
s
D DD D
Distancia orador-mic: DS = 1m
Distancia orador-oyente: D0 = 7m
Distancia altavoz-mic: D1 = 4m
Distancia altavoz-oyente: D2 = 6m
Reducción de la distancia orador-mic de 1m a DS = 0.05m
0 1
2
PAG 20log 10 log NOM FSM
7 4PAG 20log 10 log1 6 33.4dB0.05 6
s
D DD D
Incremento de casi 30dB de la ganancia acústica potencial
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Control de la realimentación
Una de las primeras medidas que se toman para aumentar la estabilidad de un sistema de sonido es la de acercar los oradores a los micrófonosEsto genera un problema adicional
Las prestaciones del sistema dependen en buena medida de las variaciones de la distancia orador-micrófonoEs difícil para el orador mantener una distancia fija entre el micrófono y su bocaComo resultado la ganancia variará considerablemente con los movimientos del orador
El problema se puede resolver con micrófonos portados por el orador, como los micrófonos de solapa (Lavalier) o los modernos micrófonos de contacto
Además de incrementar la PAG, la estabilidad del sistema se puede mejorar reduciendo la NAG necesaria (por ejemplo, convenciendo al orador de que, además de acercarse al micrófono, debe subir su tono de voz)
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Utilización de micrófonos y altavoces directivos
Hasta el momento se ha supuesto que micrófonos y altavoces son omnidireccionales
En la práctica se deben utilizar transductores direccionales
El altavoz estará orientado con el eje principal (máximo de su diagrama de radiación) orientado hacia la audiencia, por lo que su radiación hacia el micrófono será comparativamente menor margen extra para la PAG
El micrófono estará orientado con el máximo de su diagrama apuntando hacia la boca del orador, hacia el interior del escenario, por lo que su captación de señales provenientes del altavoz será comparativamente menor margen extra para la PAG
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Ganancia acústica potencial
Ejemplo
0 1
2
PAG 20log 10log NOM FSM
7 4PAG 20log 10log1 6 7.5dB1 6
s
D DD D
Distancia orador-mic: DS = 1m
Distancia orador-oyente: D0 = 7m
Distancia altavoz-mic: D1 = 4m
Distancia altavoz-oyente: D2 = 6m
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Ganancia acústica potencial
0 1
2
PAG 20log 10log NOM FSM MS SM
7 4PAG 20log 10log1 6 6 6 19.5dB1 6
s
D DD D
Márgenes adicionales PAG:
MS: mic-speaker
SM: speaker-mic
MS
SM
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Ecualización del sistema de sonido
La realimentación de un sistema es función de la frecuenciaModelo de un sistema de refuerzo con realimentación
Función de transferencia del sistema realimentado (teoría de realimentación)
0
0
( )( )1 ( ) ( )R
G fG fG f R f
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Ecualización del sistema de sonido
Simplificación: consideremos que se produce realimentación por un único camino
Despreciando el desfase introducido en los equipos del sistema de sonido
| | jR R e
( ) ( )| | a a m mD DRr
0
0
| |1 | || |R j
GGG R e
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Ecualización del sistema de sonido
Módulo de la respuesta en frecuencia del sistema realimentado
Existen frecuencias más cercanas que otras a la condición de oscilación, dependiendo de la geometría del sistema
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Ecualización del sistema de sonido
Mediante técnicas de ecualización se pueden atenuar las frecuencias más cercanas a la realimentación, permitiendo así aumentar la PAG
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Ecualización del sistema de sonido
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Desarrollo del tema
Introducción.Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico.
Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria.Realimentación y ganancia acústica potencial.Potencia eléctrica necesaria.
Sistema de refuerzo sonoro en interiores.Constante acústica de la sala y distancia crítica.Influencia sobre los parámetros de diseño.
Criterios de inteligibilidad.Pérdida de articulación de consonantes, ALcons.Medida objetiva de la inteligibilidad. Índice de transmisión del habla, STI, RASTI.
Control de la realimentación.Transductores y altavoces directivos.Ecualización y filtros ranura.
Interconexión del sistema.Impedancias de entrada y salida.Líneas balanceadas y no balanceadas.Técnicas de interconexión.
Puesta a tierra del sistema.Importancia de la puesta a tierra.Procedimientos de puesta a tierra.
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Interconexión del sistema
En la actualidad, las técnicas de interconexión están estandarizadas en gran medidaAún así, la interconexión inadecuada entre elementos es uno de los principales factores de ruido y problemas de fidelidad en los sistemas de sonido, especialmente en los sistemas móvilesFactores más importantes a tener en cuenta en la interconexión entre sistemas
Niveles nominales de operación: +4 dBu en sistemas profesionales-10 dBV en sistemas HI-FI y sistemas semiprofesionales
Impedancias de entrada/salidaLíneas balanceadas o no balanceadasPuesta a tierra del sistema
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Impedancias de entrada/salida
En el pasado se utilizaba adaptación de impedancias a 600Máxima eficiencia y SNR en telefonía a larga distancia en equipos de válvulas utilizando transformadores de acoplo
LimitacionesColoración de la respuesta en frecuencia por variaciones de la impedancia de carga con la frecuenciaDerivas por calentamientoImposibilidad de cargar una salida con varios equipos en paralelo (necesidad de amplificadores de distribución para adaptar impedancias)
*
*
i s
o L
Z ZZ Z
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Impedancias de entrada/salida
Adaptación de impedancias
out 0.775
6000.775600 600
0.731V 6.02dBu
L
s L
RVR R
out
600 || 600 || 600 || 600150
0.775
1500.775600 150
0.155V 13.98dBu
L
L
L
s L
RR
RVR R
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Impedancia de entrada y salida
En la actualidad los equipos de audio utilizan acoplo en tensión (transmisión de señal sin potencia) amplificadores de voltaje
Las impedancias de fuente y de carga modifican la ganancia del amplificador
Acoplo en tensión (matching voltage coupling, bridged voltage coupling)
LL v i
o L
ZV A VZ Z
ii s
s i
ZV VZ Z
iL Lvs v
s o L s i
ZV ZA AV Z Z Z Z
o LZ Z
s iZ Z vs vA Ai
o
ZZ 50oZ
5iZ K
10i oZ Z
Equipos de audio
ov
i
VAV
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Impedancia de entrada y salida
Ventajas del acoplo en tensión (matching voltage coupling, bridged voltagecoupling)
Se evita la coloración por variaciones en frecuencia de la carga y las derivas por variaciones de temperaturaSe facilita la conexión de equipos en paralelo sin amplificadores de distribución, adaptación de impedancias o cambios de nivelReducción del ruido térmico por reducción de las impedancias de fuente (mejora de la SNR en 14dB)Mayor fiabilidad por reducción de la potencia disipada en los equiposReducción del acoplo inductivo entre los cables (reducción de la diafonía)Reducción de la interferencia de tipo inductivo
Se pueden utilizar tiradas de cable superiores a 300 m sin que se produzcan ondas estacionariasA partir de estas distancias los cables se comportan como líneas de transmisión y es necesario adaptar impedancias
Impedancia característica de las líneas de audio: 50-100
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Impedancia de entrada y salida
Acoplo en tensión
out 0.775
100000.77550 10000
0.771V 0.04dBu
L
s L
RVR R
out
2500
0.775
25000.77550 2500
0.760V 0.17dBu
L
L
s L
R
RVR R
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Impedancia de entrada y salida
Impedancias típicas de equipos de audio
Typical output Typical input
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Entradas/salidas balanceadas y no balanceadas
Los amplificadores pueden tener entradas y salidas balanceadas o no balanceadas
Entradas/salidas no balanceadasEsquema más simple, típico en equipos HI-FI domésticosConexiones de 2 hilos: señal (vivo) y referencia (malla de apantallamiento conectada a tierra)Problemas de interferencia electromagnética (EMI) y ruidos de tierra
Entradas/salidas balanceadasSistemas profesionalesConexiones de 3 hilos: par trenzado para señal en modo diferencial y malla de apantallamiento externoGran capacidad de rechazo de interferencias y ruido por bucles de tierraEntradas/salidas activas (balanceadas electrónicamente mediante amplificadores diferenciales) o balanceadas mediante transformador
Ground loop
Ground loop
Ground loop
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Referencias de puesta a tierra del sistema
Distinguiremos tres tipos de referencia en un sistema de sonido
Potencial de referencia de señal (“masa de señal”, signal ground):referencia con respecto a la cual se expresan los potenciales de la señal manejada en un equipo o conjunto de equipos
Potencial del chasis (“masa del chasis”, chasiss ground): potencialeléctrico del chasis (carcasa exterior) de un equipo de audio
Potencial de tierra (“tierra”, earth ground): potencial eléctrico de la tierra, disponible generalmente de las tomas de corriente AC (cable de tierra)
Las conexiones entre estas referencias en el interior de los equipos y en la interconexión entre ellos son de vital importancia para las prestaciones y la seguridad del sistema de sonido
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Entradas/salidas no balanceadas
Conexión formada por dos conductores, uno de ellos con la referencia de señal (tierra de señal)Habitualmente el conductor de referencia hace las funciones de malla de apantallamiento en una configuración de cable coaxial
Buen rechazo frente a interferencias electrostáticasMal rechazo a interferencia electromagnética (EMI)
Para que el apantallamiento funcione la malla exterior (referencia de señal) se conecta al chasis del equipo, y éste al potencial de tierra a través del tercer conductor del enchufe AC (por seguridad)
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Interconexión entre equipos no balanceados
Esto da lugar a bucles de tierra cuando se conectan dos equipos entre sí, cerrando la conexión a tierra en dos partes diferentes del circuitoLos bucles de tierra se comportan como una antena de lazo, que en sistemas grandes con largas tiradas de cable puede llegar a tener una ganancia importanteProblema: el conductor donde se forma el bucle de tierra es a la vez la referencia de señal introducción de ruido en el sistema de sonido (hum)La única posibilidad de reducir el ruido en estos sistemas consiste e minimizar la longitud de las conexiones (3 metros máximo) y evitar tender los cables por alto (lo que crearía una antena de mayor superficie)
Ground loop
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Interconexión entre equipos no balanceados
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Entradas/salidas balanceadas
La señal se introduce en el par de hilos trenzados en modo diferencial (en oposición de fase)El ruido por EMI se induce en ambos cables en modo común (en fase) debido al trenzado y a que la separación entre ambos es despreciable en términos de longitud de onda a las frecuencias de audio
La entrada balanceada responde a la diferencia de las señales en el par de hilos
V1 Vout
V1
V2Vout
out 1 2V =V - VV2
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Potenciales de referencia en conexiones balanceadas
Para que el aislamiento frente a EMI sea bueno, la malla de los cables debe de ser una prolongación de la carcasa exterior de los equipos
La malla debe estar conectada al chasis (masa) de los equipos justo en los puntos de entrada y salida de los cablesSe pueden formar bucles de tierra al conectar los chasis de los equipos a tierra a través de la alimentación ACSi los equipos balanceados han sido diseñados correctamente estos bucles de tierra no se introducen en la señal de audio
Conexión balanceada flotante (sólo válida con transformadores)
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Potenciales de referencia en conexiones balanceadas
La referencia de señal debe estar también conectada al chasis del equipoLos bucles de tierra que recorren el chasis y las mallas de los cables producen interferencias por acoplamiento electromagnético con los circuitos de señalSe podrían generar diferencias de potencial excesivas entre el apantallamientoy la circuitería interna, que podría sobrepasar las capacidades de CMRR de los equipos e incluso provocar arcos voltaicos al interconectar los equipos entre síLos circuitos balanceados electrónicamente necesitan funcionar con una referencia de señal similar
La conexión de la referencia de señal al chasis debe realizarse de modo que se evite la inducción de los bucles de tierra y otras interferencias en los circuitos de señal (típicamente conexión en estrella)
El pin 1 del conector (al que se conecta el apantallamiento del cable) debe estar conectado al chasis del equipo justo en el punto de entrada o salida
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Interconexión entre equipos balanceados
Si los equipos están balanceados y las conexiones internas son correctas (apantallamientos conectados a los chasis en el punto de entrada/salida) se obtiene la configuración óptima de interconexión
Se minimiza el ruido por EMI y por bucles de tierra, que aunque estarán presentes no se introducirán en el audio al ser rechazados por el CMRR de la entrada diferencial
Conexiones en los puntos de entrada/salida
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Interconexión entre equipos balanceados
En muchos equipos profesionales de audio se realiza una conexión errónea de los potenciales de referencia y de los cables de interconexión
La malla de apantallamiento del cable se conecta al potencial de referencia de señal en lugar de hacerlo al chasisEsto rompe el apantallamiento y es un punto de entrada de EMI y bucles de tierra (por degradación del CMRR, especialmente en entradas activas)Se trata de un hábito erróneo de interconexión que se hereda de las conexiones no balanceadas, donde la malla sí constituye la referencia de señal
EMI EMI
Groundloops
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Interconexión entre equipos balanceados
En equipos “balanceados” con esta configuración (equivocada) es necesario recurrir a técnicas que permitan interrumpir la formación de bucles de tierraLa más habitual se denomina malla telescópica (telescoping shielding), que consiste en desconectar la malla del cable (pin 1 del conector XLR) en uno de los extremos
Modificando las conexiones del cableUtilizando conmutadores “ground-lift” que incorporan algunos fabricantes
ground lift
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Interconexión entre equipos balanceados y no balanceados
Los equipos balanceados y no balanceados son incompatibles entre sí. Aún así, en situaciones donde sea necesario interconectar ambos tipos de equipos pueden seguirse algunos consejos que minimizan la degradación del sistema de sonido
Solución óptima para conexiones no balanceado a balanceado: transformador de aislamiento (direct box)
Si no se utiliza transformador, o con conexiones balanceado a no balanceado (peor caso) se pueden seguir los siguientes consejos para realizar el cableado
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Interconexión entre equipos balanceados y no balanceados
No balanceado a balanceado
habitual
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Interconexión entre equipos balanceados y no balanceados
Balanceado a no balanceado
habitual
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Desarrollo del tema
Introducción.Diseño de un sistema de refuerzo sonoro básico.
Ganancia acústica y ganancia acústica necesaria.Realimentación y ganancia acústica potencial.Potencia eléctrica necesaria.
Sistema de refuerzo sonoro en interiores.Constante acústica de la sala y distancia crítica.Influencia sobre los parámetros de diseño.
Criterios de inteligibilidad.Pérdida de articulación de consonantes, ALcons.Medida objetiva de la inteligibilidad. Índice de transmisión del habla, STI, RASTI.
Control de la realimentación.Transductores y altavoces directivos.Ecualización y filtros ranura.
Interconexión del sistema.Impedancias de entrada y salida.Líneas balanceadas y no balanceadas.Técnicas de interconexión.
Puesta a tierra del sistema.Importancia de la puesta a tierra.Procedimientos de puesta a tierra.
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Puesta a tierra del sistema
En un sistema de sonido puede haber varias referencias de tierraindependientes y a distinto potencialImportancia de la puesta a tierra del sistema
Proporcionar la referencia de voltaje necesaria para el funcionamiento de los equipos de audio del sistemaDrenar a tierra las posibles corrientes inducidas por interferencias electromagnéticas sobre los cables de interconexiónProporcionar una referencia de tierra segura para los usuarios del sistema de sonido
El cumplimiento simultáneo de estos objetivos no es sencillo
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Puesta a tierra del sistema
Bucles de tierraCircuitos cerrados de corriente que surgen debido a la existencia de dos o más puestas a tierra diferentes entre dos equipos interconectados
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Procedimientos de puesta a tierra
Potencial de referencia conectado a tierra en un solo punto Líneas balanceadas o no balanceadasTípico en sistemas fijos (estudios, etc.)Muy difícil de implementar en sistemas de directo
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Procedimientos de puesta a tierra
Potencial de referencia conectado a tierra múltiples puntosTípico de sistemas que utilizan equipos no balanceados con el potencial de referencia de señal conectado al chasisGrandes problemas con bucles de tierra
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Procedimientos de puesta a tierra
Conexiones flotantes Líneas balanceadas flotantes mediante transformador Equipos no balanceados con potencial de referencia de señal no conectado al chasisAl no estar blindados los cables a tierra, el rechazo a ruido e interferencias depende exclusivamente de las etapas diferenciales de entrada (caso de equipos balanceados)Gran cantidad de ruido en equipos no balanceados, al no drenar cargas a tierra
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Procedimientos de puesta a tierra
Conexiones con apantallamiento “telescópico” (telescopic shields)Líneas balanceadas flotantes mediante transformadorBlindaje exterior conectado a tierra (chasis) en un extremo, y suelto en el otro
Interruptores ground lift para facilitar este tipo de conexión
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Procedimientos de puesta a tierra
Existe bibliografía en la que se recomienda desconectar el cable de tierra de la alimentación AC para evitar que se formen bucles de tierra, especialmente en la interconexión de equipos no balanceados (típicamente amplificadores de escenario)Aunque de este modo ciertamente se eliminan los bucles de tierra, esta práctica resulta MUY PELIGROSA para los usuarios del sistema
Si se produce una descarga en un sistema que no está conectado a tierra, el contacto simultáneo entre éste y otro equipo que sí esté puesto a tierra (caso de cualquier micrófono o instrumento conectado a la consola) provocará una descarga
nunca debe desactivarse la conexión a tierra en ningún equipo
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Bibliografía
Wolfgang Anhert, Frank Steffen, Sound reinforcement engineering, SponPress, 1999. Capítulos 5 a 7.Glen Ballou, Handbook for sound engineers. The new audio cyclopedia,Focal Press, 1998. Capítulo 31.José Luis Sánchez Bote, Sistemas de refuerzo sonoro y megafonía, Servicio de publicaciones UPM, 1999.Philip Giddings, Audio Systems. Design and installation, Focal Press, 1990. Capítulo 7. Capítulos 9 y 10.Constantino Gil González, Acústica para la palabra, Servicio de publicaciones UPM, 1999.Don Davis, Carolyin Davis, Sound system engineering, Focal Press, 1997. Capítulos 10 y 11.Gary Davis, Ralph Jones, Sound reinforcement handbook, Hal LeonardCorporation, 1990. Capítulos 4 a 6. Capítulo 17.Bobby Owsinski, The mixing engineer's handbook, MixBooks, 1999.
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Bibliografía
Recursos en internethttp://www.jblpro.com/pages/tech_lib.htmhttp://www.rane.comhttp://www.yale.edu/dramat/sound/soundrein.htmlhttp://www.sabine.com/index.htmlhttp://smr-home-theatre.org/Power/Power-How-Much.htmlhttp://www.meyersound.com/support/papers/speech/section4.htmhttp://www.rpginc.com/products/siap/enhance.eps
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