FACULTAD DE INGENIERAS Y CIENCIAS AGROPECUARIAS INGENIERA DE SONIDO Y ACSTICA

DISEO DEL SISTEMA DE SONORIZACIN DE UNA ESCUELA DE DOS PLANTAS

INFORME CORRESPONDIENTE

A LA MATERIA DE SONORIZACIN IES 810-1

PROFESOR GUA: HCTOR FERRNDEZ MOTOS

AUTOR:

JUAN CHANGO PERUGACHI

FECHA DE ENTREGA:

30 DE ENERO DE 2015

QUITO -ECUADOR

1. Resumen

El siguiente trabajo se basa en el desarrollo del sistema de sonorizacin de una escuela de dos plantas de la cual se dispone de sus planos de planta como gua. Se aborda diversos puntos como el nmero de altavoces necesarios, su distribucin en la instalacin dependiendo del patrn de cubrimiento cuadrado, la representacin del sistema sonoro a lo largo del plano en vista de planta y se procede a calcular la potencia requerida por el amplificador as mismo se determina la seccin del cable requerido. Por ltimo se presenta una lista de diversos equipos y elementos de audio que de diversos fabricantes los cuales pueden ser usados para implementar el diseo. A lo largo del trabajo se presentan la justificacin de las distintas decisiones que se han tomado para la realizacin del diseo de sonorizacin en interiores y exteriores.

2. Introduccin

En todo tipo de instalacin donde se tenga la presencia de un nmero considerable de personas es necesario el uso de sistemas de sonorizacin y sobre todo que estos sistemas sean muy eficientes y de buena calidad dado que estos sistemas se ocupan, entre otras cosas, de transmitir mensajes importantes en casos de emergencia as como alarmas y alertas. Por ello se debe considerar muchos aspectos tcnicos los cuales logren aquello. Por otra parte se tiene que considerar un factor muy importante: el econmico, ya que la implementacin de estos sistemas pueden llegar a ser muy costoso en funcin de las caractersticas que se le d. En instalaciones escolares juega un papel muy importante el poder trasmitir de manera adecuada los mensajes ya que se requiero un alto cuidado con nios en caso de emergencias. De esta manera se debe mediar y buscar un equilibrio calidad/precio para el sistema de sonorizacin, siempre intentando obtener la mayor calidad posible.

El siguiente trabajo tiene como finalidad desarrollar un sistema de sonorizacin basado en voltaje constante, alta impedancia para una escuela. Esta escuela posee dos plantas en las cuales se encuentran aulas, laboratorios, salones multipropsito, reas administrativas, entro otros. Tambin se tiene una cancha de baloncesto la cual posiblemente puede ser usada para realizar reuniones generales adems de juegos y otras actividades ms. Se dispone de dos largos pasillo en cada planta y adems de algunas salas de gran longitud. Entonces, considerando es necesario el diseo del sistema de sonorizacin ms adecuado y que pueda generar los mejores resultados. El diseo ser realizado sobre el plano de planta del cual se dispone en cual se especificar la posicin de cada altavoz as como del amplificador y una gua referencial del cableado.

3. Desarrollo

Para comenzar con el desarrollo es importante considerar altavoces que sirvan de modelo para la instalacin, de manera que luego se puede buscar elementos de similares caractersticas para implementarlos al sistema. Se han escogido elementos JBL que se caracterizan por ser de calidad superior por lo cual sirven de una buena referencia para cualquier cambio que se piense realizar. A continuacin se muestra el plano del que se dispone:

Clculo del nmero de altavoces y su separacin en funcin del patrn de cubrimiento escogido.

No se especifica en el plano la altura de las instalaciones, sin embargo se considerar un valor de 3m el cual es suficientemente alto para un espacio como un aula o un pasillo, adems sera un caso extremo donde el nivel de presin sonora aumentar en caso de que la altura sea menor. A esta altura o mayor se pueden usar altavoces empotrados, los cuales sern necesarios en los pasillos, en las aulas, y en otros cuartos similares como en los baos. En la cancha ubicada en la primera planta se usar un sistema de altavoces descentralizado.

Cobertura del altavoz:

Suponiendo que se usarn altavoces JBL modelo CSS8008, se tiene que estos poseen un ngulo de cobertura de 120 a 2kHz lo cual es muy importante en esta frecuencia puesto que corresponde a un componente esencial de la voz, necesaria para el habla. El radio de cobertura viene dado por la siguiente frmula:

Con el valor de alfa se puede calcular el radio de cobertura circular, el cual es igual a 2.42 m, considerando que la altura del techo es de 3 m y la altura de escucha es de 1.6m ya que es el valor tpico para una persona que est de pie.

Superposicin:

La superposicin entre altavoces ser mnima debido a que en costos versus eficiencia, este tipo de superposicin genera una buena cobertura y adems resulta en un ahorro econmico comparado con centro a centro. La distancia entre altavoces ser determinada por la siguiente frmula:

Donde r=2.42 y S= 3.42m

Espaciamiento entre altavoces:

Las diferentes zonas tienen espacios muy rectangulares por lo cual la forma de espaciamiento ser cuadrada, de esta manera se podrn acoplar rpidamente los altavoces en la instalacin.

El valor de a se corresponde con r, es decir vale: 2.42m.

Nmero de altavoces por zonas (Pasillos): Para el clculo del nmero de altavoces se usa la siguiente frmula:

Los pasillos poseen una forma rectangular alargada, por lo cual deben ser calcualdos de una manera distinta. Pasillos de planta alta y baja(sealizados con color azul):

El pasillo de la planta baja tiene una superficie de: 25.88m*2m=51.76 m2

El pasillo de la planta alta tiene una superficie de: 28m*2.12m=59.36m2

El nmero de altavoces necesario para el pasillo en planta baja es de: 4.4. El nmero de altavoces necesario para el pasillo en planta alta es de: 4.57, por lo cual pueden ser hasta 5, dependiendo de la separacin por requerida y dada por el valor a.

Sin embargo si se considera que los altavoces sern colocados a lo largo del pasillo, entonces resulta ms til considerar dividir el largo de este por el valor de S (3.42), es decir en la planta baja sern ubicados 9 altavoces y en la planta alta 9 altavoces. Nmero de altavoces por zonas (Aulas, Laboratorios, etc): Se gener una grilla cuadrada con las dimensiones de separacin S es decir de 3.42m:

Esta grilla tendr parlantes en sus vrtices, de esta manera se puede cubrir de manera deseada a las diferentes zonas. Lo que se hizo fue adaptar la grilla a los diferentes cuartos, de esta manera junto con los datos de los parlantes se puede saber la mejor ubicacin de cada parlante en las distintas zonas. A continuacin se presenta una lista de los cuartos de toda la escuela en sus dos plantas junto con el nmero de parlantes calculados y usados en el diseo:

Nombre de la Sala

Superficie(m2)

Nmero parlantes

(calculado)

Nmero de parlantes

usados

Observaciones

Planta baja: Grado Primero 34 3 4 Al adaptar la grilla al

plano resulta ms til aadir un parlante al valor calculado para

as obtener una distribucin ptima y

as formar el espaciamiento

cuadrado

Saln 105 34 3 4 Saln 104 34 3 4 Saln 103 35 3 4 Saln 102 26 2 2 Saln 101 35 3 4

Laboratorio de Fsica y Qumica

60 5 6 Al aadir uno ms se distribuye de mejor manera el sonido en

la sala Sala de estar 41 4 3 Por su forma en L

resulta ms conveniente el uso solo de 3 altavoces

Baos Hombres 20 2 2 Corredor 31 3 3 Baos(secretara) 2 Este tramo del plano

al ser muy angosto lo ms adecuado sera

adaptar dos altavoces los cuales cubren totalmente el rea

Secretara 22 2 2 Rectorado 15 1 1 Sala Profesores 23 2 2 Saln Banda 24 2 2

Planta alta: Grado2 33 3 4 Aadir un altavoz

genera una mejor distribucin sonora

Baos Damas 15 1 2 El espacio es muy

angosto, sin embargo resulta til tener dos

altavoces Zona actos 34 3 4 Aadir un altavoz

genera una mejor distribucin sonora

Aula Mltiple 135 12 12 Saln artes 47 4 4 Parque nios 44 4 4 Saln Deportes 41 4 4 Saln msica 41 4 3 Enfermera 6 1 1 Sala de lectura 44 4 3 Con tres altavoces se

consigue un buen cubrimiento en toda

la zona Biblioteca 19 2 2 Archivo biblioteca

41 4 3 Con tres altavoces se consigue un buen

cubrimiento en toda la zona

Grado4 25 2 2 Grado5 27 2 2

Secciones sin implementacin del sistema de sonorizacin:

Nombre de la Sala Observaciones Planta baja:

Depsitos No necesitan sistema de sonorizacin, ya que son cuartos pequeos, y que generalmente son usados para almacenar objetos.

Radioactivos(Laboratorio) Aseo

Planta alta: Depsitos La misma situacin anterior.

En la planta baja se usarn 45 altavoces, mientras que en la planta alta se usarn: 50 altavoces. El nmero total de altavoces ser de: 95 altavoces para toda la instalacin interna de la escuela.

Sonorizacin exterior en la cancha de baloncesto:

En la cancha de baloncesto se usarn dos megfonos CSS-H30 de la marca JBL, estos pueden proveer hasta 127 dB de presin sonora en 1 kHz aproximadamente, lo cual lo hacen apropiado para exteriores, adems de incorporar un transformador para ser usado en sistemas de voltaje constante:

Estos dos altavoces sern ubicados en los extremos superior e inferior de la cancha.

Representacin grfica de la vista de planta de la instalacin con la distribucin de altavoces.

En el siguiente plano se muestra la instalacin completa, pero antes se muestra una gua de los elementos usados y los colores:

.Smbolo Nombre

Grilla

Altavoz empotrado

Altavoz exteriores

Cableado altavoces interiores-Lnea 70V

Cableado altavoces exteriores- Lnea 70V

Amplificador 70 V

Punto de unin de lnea de 70 V entre plantas

A continuacin se muestra el plano en vista de planta con grilla y sin grilla:

Plano con Grilla:

Sin Grilla:

Determinacin de la potencia requerida para amplificador y altavoces.

Los altavoces que sern usados son CSS8008 de la marca JBL. Este fabricante se caracteriza por tener productos de alta calidad y durabilidad, que es lo que se requiere para un sistema de sonorizacin en el cual es muy importante disponer de equipos muy buenos para asegurar una excelente inteligibilidad de la palabra especialmente en situaciones de riesgo. Los datos ms destacables de estos altavoces son:

Respuesta de Frecuencia 55Hz-16kHz Sensibilidad 96dB Cobertura a 2 kHz 120 Tap transformador para 70V 5W,2.5W,0.7W

Considerando que estos altavoces estarn empotrados en el techo, entonces se encontrarn a una altura de 3m aproximadamente, entonces la distancia hacia un oyente de pie ser de 1.6m y para un oyente sentado ser de 1.2 m. Se podra usar un valor promedio de 1.5 m para realizar el siguiente clculo. Segn Arau (Arau p.140) se tiene que las personas generan un nivel de presin sonora de aproximadamente 79 dB en 1kHz y 2kHz cuando estn hablando en voz alta, lo cual ocurra en una situacin de alerta o alarma, de esta manera lo ideal sera que el sistema genere al menos 10 dB ms que las personas para de esta manera poder ser escuchado claramente. As el altavoz debe ser capaz de generar al menos 90 dB en la zona de audicin de las personas. Y esta zona se encuentra a una distancia de 1.5m (3m-1.5m) del techo, a esta distancia la atenuacin por parte de la distancia no tiene efecto con relacin al valor de la sensibilidad del altavoz, por lo cual se puede considerar que el valor de presin sonora a 1m del altavoz debe ser de 90dB.

Mediante la siguiente frmula:

. 1

= . + 10

Despejando la potencia, se tiene que para generar 90 dB a un 1m del altavoz se deben entregar: 0.31W. Sin embargo este valor no se presenta en el tap del transformador, por lo cual se usar el valor ms cercano de 0.7W.

El anterior clculo es vlido para los parlantes empotrados, sin embargo para las dos bocinas que sonorizarn las canchas se debe realizar un clculo similar:

Especificaciones de la bocina CSS-H30:

Respuesta de Frecuencia 380Hz-6kHz Sensibilidad 1-6kHz 108dB Cobertura de 1-4 kHz 50H 70V Tap transformador para 70V 30W,15W,7.5W,3.8W,1.9W SPL mximo a 1m 1-6kHz con 30W 127dB

Si las bocinas se encuentran ubicadas en los extremos de la cancha y se requiere que al menos hasta la mitad de la cancha se genere un nivel de presin sonora de hasta 90dB, entonces se tiene que la atenuacin generada hasta esa distancia es de -17dB por recorrer cerca de 7.6 m considerando que se encuentran ubicados a una altura de 3 metros direccionados hacia el centro de la cancha y considerando que las personas estarn de pie, es decir una altura de 1.6m. Por ello el nivel de presin sonora que debe generar el altavoz a 1m de distancia deber ser de 107dB. As considerando la frmula anterior se tiene que la potencia entregada al altavoz deber ser de: 0.79 W. Pero en el tap del transformador se seleccionar el valor de 1.9W.

Con 95 altavoces empotrados que consumirn 0.7W conectados a un amplificador de voltaje constante de 70V se tiene que la potencia que el amplificador debe entregar al sistema sin considerar la prdida de la lnea, es de: 66W. Y tomando en cuenta los dos altavoces exteriores con 1.9W cada uno deber entregar la cantidad de: 69.8W.

El amplificador ser ubicado en la primera planta en una sala llamada Emisora, la cual ha sido planificada para este uso. Para el segundo piso se tendrn que usar conexiones entre plantas, en el plano se especifica el punto de conexin.

Determinacin de la seccin del cable.

La impedancia de cada altavoz CSS8008 para el tap en 0.7W es de 2000 ohms aproximadamente y de los altavoces exteriores es de 2666 ohms. Lo cual generara una impedancia total de: de 21 ohms en total con todos los altavoces conectados.

El largo del cable necesario para sonorizar toda la escuela es de: 380m. Este valor fue aproximado al medir las diferentes conexiones realizadas en el plano digital. Mediante la siguiente frmula se calcula la resistencia del cable, en funcin del largo y el grosor:

=

= 0.0172

Donde L: longitud del cable en m y S: seccin o rea del cable en mm2

Tambin la prdida debido al cable es determinado por:

" = 20log + 2&

Donde RL: impedancia de la carga y RC: impedancia del cable.

Por ltimo se tiene que la potencia mnima del amplificador est dada por la siguiente frmula:

( = 10)*/,-

Donde Ps: Potencia necesaria del sistema y PL: prdida del sistema.

De manera que se tiene la siguiente tabla:

AWG Dimetro(mm2) Resistencia(ohms) Prdida(dB) Potencia mnima del amplificador(W)

18 0,823 7,9 4,9 215,3 16 1,31 5,0 3,4 151,9 14 2,1 3,1 2,3 117,8 13 2,6 2,5 1,9 106,9 12 3,3 2,0 1,5 98,5 11 4,2 1,6 1,2 92,2 10 5,3 1,2 1,0 87,3 9 6,6 1,0 0,8 83,5 8 8,4 0,8 0,6 80,6

De la siguiente tabla se puede ver que con una mayor seccin de cable se requiere menor potencia para el sistema. La mejor opcin sera utilizar un cable nmero 8, sin embargo el precio sera muy elevado. Por lo que resulta ms adecuado tolerar una prdida mnima de 1.5 dB y utilizar el cable AWG 12 con un amplificador que pueda entregar como mnimo 100W. Con este amplificador se puede sonorizar sin ningn problema a toda la escuela.

Seleccin de modelos comerciales de amplificador y altavoces que se ajusten a las necesidades establecidas.

Para el diseo inicial del sistema de sonorizacin, es necesario considerar a un altavoz determinado, en este caso a dos de la marca JBL: los CSS8008 y los CSS-H30. Este fabricante como se ha mencionado antes, se caracteriza por realizar productos de excelente calidad y por ello mucho ms costosos que otras marcas. El sistema se ha diseado de esta manera por lo que si se van a usar altavoces de otras marcas basta con buscar modelos similares. En el caso del se puede usar cualquier que cumpla con los valores obtenidos anteriormente, en resumen, una potencia mnima de 100W y transformador integrado con salidas para 70V. Se ha escogido 70V debido a que este valor es considera menos riesgoso para el ser humano y por lo tanto tiene menores problemas de instalacin.

Requerimientos de altavoces interiores:

Sensibilidad de 96dB Cobertura a 2 kHz de 120 Tap transformador para 70V en 5W,2.5W,0.7W

Requerimientos de altavoces exteriores:

Sensibilidad 1-6kHz de 108dB Cobertura de 1-4 kHz de 50H 70V Tap transformador para 70V con 30W,15W,7.5W,3.8W,1.9W SPL mximo a 1m 1-6kHz con 30W de 127dB

Requerimientos de Amplificadores:

Uso de sistemas de 70V Potencia mnima 100W

En la siguiente lista se muestran algunos equipos que pueden ser usados:

Imagen Marca Modelo Caractersticas

Yamaha MTV Series

125 W RMS a 70V

Yamaha VXC Series VXC8

130 cobertura 30W (170), 15W

(330), 7.5W (670), 3.8W (1.3k) a70V 90dB Sensibilidad 116dB SPL Max

RCF HD 210-T 108dB Sensibilidad 121 SPL Max

70 de cobertura 30 W RMS

Transformador incluido

RCF DU 50Bs 91dB Sensibilidad 3W-1.5W-0.75W-0.375W para 70V

QSC CX302V 400W RMS a 70V

Crown Audio

CDi Series 500W RMS a 70V

EAW CIS300 Altavoz de dos vas 90 dB Sensibilidad

3.75-7.5-15-30 a 70V 108dB SPL Max

Wharfedale Diva 55 85 dB Sensibilidad 7.5W-15W-30W-60W

para 70V 102 dB SPL Max

Behringer ST2400 87dB Sensibilidad 4W-7.5W-15W-30W

para 70V 105dB SPL Max

4. Discusin/Conclusin

Al usar superposicin mnima se puede tener un equilibrio entre calidad y precio dado que esta configuracin considera un distancia intermedia entre altavoces.

Al montar todos los altavoces en paralelo sobre la lnea se consigui un nivel relativamente bajo de impedancia total, lo cual genera una prdida de nivel por la resistencia de la lnea, as puede resultar mejor usar dos amplificadores, uno por cada planta (baja y alta).

Para la el clculo del nivel de presin sonora acstica en los altavoces se consider un nivel muy alto como referencia, de esta manera se tiene un sistema que puede funcionar de manera ptima en el peor de los escenarios, es decir cuando exista una emergencia y las personas incrementen considerablemente su nivel de voz.

Los altavoces estarn montados sobre el techo y generarn un nivel de presin sonora muy alto para poder ser escuchados con claridad, sin embargo en algunas situaciones este nivel de presin sonora puede ser muy alto, lo cual es necesario la implementacin de una mezcladora de audio para as regular las distintas seales de audio.

Los altavoces que sonorizarn la cancha tendrn un nivel de presin muy alto a 1m de distancia, con lo cual muy cerca de la fuente habr incluso mayor nivel de presin sonora que puede llegar a ser muy molestoso, por ello es esencial determinar en la prctica la angulacin ms adecuada del altavoz para distribuir de manera uniforme la presin sonora.

El diseo sobre un plano digital ayuda a realizar un trabajo mucho ms rpido sobre todo para estimar la cantidad de material necesario y las ubicaciones de los elementos, sin embargo para la implementacin se debe tomar un valor de error, por ejemplo de adquirir mayor cantidad de cable, ya que puede variar la adaptacin del sistema.

Es necesaria la implementacin de un sistema inteligente para poder tener control de las seales de sonorizacin por zonas, de esta manera se puede por ejemplo aprovechar los altavoces de cada aula para las horas de ctedra, o para sistemas audiovisuales. Tambin sera conveniente en las aulas que sirven de auditorios poder usar estos sistemas para la sonorizacin en charlas y conferencias.

La longitud de cable considerada es un aproximado total sin considerar que en las habitaciones es ramificado y no es usado como un cableado largo y tendido sobre la instalacin, por ello en la realidad las distintas ramificaciones generarn una impedancia menor a la considerada, de esta manera las prdidas producidas por la resistencia del cable sern mucho menores.

Al usar una grilla que representa el espaciamiento de los altavoces segn la forma elegida, agilita el proceso de colocacin y distribucin de altavoces en el plano, ya que el modelo base se lo lleva a lo largo del plano por medio del uso de una herramienta CAD. Al copiar la grilla incluso se puede obviar el clculo de nmero de altavoces, ya que al sobreponer la grilla sobre una determinada superficie rpidamente se determinan las ubicaciones de estos.

Se podra mediante un sistema de zonas agregar msica ambiental a los baos donde puede ser un lugar adecuado. En lugares diferentes a los baos, como en los pasillos, no tiene sentido puesto que es necesario mantener el ambiente lo menos ruidoso para brindar un ambiente ptimo para estudiar.

Al seleccionar el valor de potencia que absorber el altavoz en funcin del clculo realizado se tiene que los valores no concuerdan, por ello se debe seleccionar el valor ms alto y cercano para asegurar que el nivel producido por el sistema sea mayor y no se reduzca lo cual podra afectar totalmente el sistema.

El valor de potencia del amplificador calculado es un estimado en funcin de las caractersticas de la instalacin, este valor es el lmite inferior por lo cual mientras sea posible es mejor utilizar un amplificador de mayor potencia.

5. Fuentes de Informacin

Arau, H. (1999). ABC de la Acstica Arquitectnica. Grupo Editorial Ceac. S.A, Barcelona.

Ortega, B. & Romero, M. (2003). Electroacstica: Altavoces y micrfonos. PEARSON EDUCATION S.A, Madrid.

Toledo, F. (2005). Sistemas de Audio Distribuido de Voltaje Constante. Universidad Austral de Chile.

EAW. CIS300 Two Way Ceiling Monitor. Disponible en: http://eaw.com/portfolio_page/cis300/ [Consultado el: 25 de Enero de 2015]

Behringer. ST2400 Specs. Disponible en: http://www.behringer.com/assets/ST2400_S_EN.pdf [Consultado el: 25 de Enero de 2015]

Crown Audio. CDi Series. Disponible en: http://www.crownaudio.com/usa/cdi-series.html [Consultado el: 25 de Enero de 2015]

JBL. CCS 8008/CSS8008/CSS8018. Disponible en: http://www.jblpro.com/ProductAttachments/JBL_CSS.v6.pdf [Consultado el: 25 de Enero de 2015]

JBL. CSS-H30 30 Watt Paging Horn. Disponible en: http://www.jblpro.com/www/products/installed-sound/commercial-series/css-h30 [Consultado el: 25 de Enero de 2015]

QSC. CX302V. Disponible en: http://qsc.com/products/Power_Amplifiers/CX_Series/CX302V/ [Consultado el: 25 de Enero de 2015]

RCF. Installed Sound. Disponible en: http://www.rcf.it/en_US/site-search/-/SiteSearch/O8vN/70V? [Consultado el: 25 de Enero de 2015]

Wharfedale Pro. Diva 55: Operating Manual And User Guide. Disponible en: http://www.wharfedalepro.com/upload/files/download/w00102_20141225064946_209.pdf [Consultado el: 25 de Enero de 2015]

Yamaha. VXC Series. Disponible en: http://www.yamahaproaudio.com/global/en/products/speakers/vxc/index.jsp [Consultado el: 25 de Enero de 2015]

Yamaha. MTX Series. Disponible en: http://www.yamahaproaudio.com/global/en/products/processors/mtx/index.jsp [Consultado el: 25 de Enero de 2015]