Principios básicos del funcionamiento de un sistema Line Array

Jorge, un lector del blog ha dejado un comentario en mí artículo "Construcción de una caja acústica" donde pregunta: "sería posible conseguir un modelo de cajas acústicas line array y explicar su ingeniería desde el punto de vista del rendimiento del sonido".

A modo de pequeña introducción diré que cuando se desea sonorizar sitios más o menos grandes tanto en espacios abiertos como cerrados nos podemos encontrar con el problema de las reflexiones en superficies cercanas, sobre todo en recintos cerrados, pudiéndose reflejar el sonido en los techos produciendo reverberaciones y sonidos indirectos que en ocasiones pueden ser más fuertes que el sonido directo que proviene de los altavoces.

Para evitar esta clase de sonidos indeseados se intenta conseguir una configuración en la distribución de los altavoces tratando de dirigir el sonido hacia donde nos interesa, esto es, hacia el público y no hacia los otros elementos que nos puedan producir distorsiones, en definitiva, tratamos de intentar obtener una mayor directividad.

Para ello los altavoces se agrupan en columnas o disposición vertical también llamados line-array.

La principal ventaja de este método de agrupación de altavoces es que se consigue una gran directividad en el plano vertical, ya que en este plano se reduce el ángulo de cobertura a la mitad cada vez que doblamos el número de altavoces, manteniendo a su vez el mismo ángulo de cobertura en el plano horizontal, con ello conseguimos dirigir el sonido hacia donde nos interesa.

Arriba ángulos de cobertura en el plano vertical, abajo en el plano horizontal.

Otra de las cualidades que poseen estos sistemas es cómo distribuyen el sonido y cómo afecta eso al nivel de presión sonora conforme nos vamos alejando de la fuente de sonido.

Para intentar entender mejor esto hay que diferenciar entre fuentes de sonido puntual (por ejemplo un solo altavoz), y fuentes de sonido lineal (como puede ser una agrupación de altavoces en columna -line-array-).

En las fuentes de sonido puntual el sonido se aleja en forma de ondas esféricas por lo que cuando duplicamos la distancia entre el oyente y nuestro único altavoz el nivel de presión sonora se atenúa 6 dB debido a que la superficie que tiene que irradiar el altavoz a esa distancia aumenta conforme nos vamos alejando, siendo esta superficie igual al cuadrado de la distancia que separa al oyente del altavoz, (se podría decir que al disminuir 6 dB nuestro oído lo percibe como si hubiéramos bajado el volumen a la mitad).

Propagación del sonido en una fuente puntual.

Sin embargo con la columna de altavoces la fuente de sonido es lineal por lo que el sonido no se aleja en forma de ondas esféricas como en el anterior caso, sino que lo hace en forma “cilíndrica”, de tal modo que al duplicar la distancia entre nuestra columna de altavoces y el oyente, la superficie que tiene que irradiar los altavoces ya no crece con el cuadrado de la distancia como antes, sino de forma más lenta, (recordemos que el ángulo de cobertura se ha estrechado por arriba y por abajo), con lo que la directividad es mayor, consiguiendo una atenuación de 3 dB.
 

Propagación de sonido en una fuente lineal.

De este modo partiendo de una misma potencia, si agrupamos los altavoces en una columna o line-array, podemos cubrir más distancia y llegar más lejos con unos niveles de presión sonora aceptables más que con un sistema tradicional, o dicho de otra forma, con menos potencia la gente que está más alejada del escenario seguirá escuchando la música lo suficientemente alto como para escucharla bien.

En resumen, que cuando nos vamos alejando duplicando la distancia, el nivel de presión sonora va atenuándose 3 dB con un sistema line-array, en contraposición de los 6 dB que se atenúan con un sistema tradicional, reduciéndose así las perdidas.

Nota, espero haber resuelto tu pregunta ya que hace mucho tiempo que estudié esto y ya no tengo los conocimientos tan frescos como antes.

Contrucción de una caja acústica (bafle)

Después de construir el amplificador podemos optar también por armar nuestra propia caja acústica o bafle que vaya acorde con el diseño del propio amplificador. 

A la hora de dimensionar y construir un bafle hay que tener en cuenta algunos parámetros como el tipo de caja, abierta, de compresión, de tipo bass-reflex, por ejemplo, este último está indicado para reforzar más los graves, el volumen interior de la caja..., y otros muchos aspectos de los cuales desconozco, pero como mi intención no era más que construir simplemente una caja acústica sin entrar en demasiados detalles, a partir del diámetro de los altavoces de los que disponía, opté por buscar bafles comerciales con altavoces similares y a partir de sus características y dimensiones construir el mio. 

En este caso disponía de dos altavoces, el primero de 4 pulgadas y 1 vatio de potencia, y el segundo de 2 pulgadas y 0,5 vatios, ambos de 8 ohmios de impedancia. 

Antes de nada, una cosa interesante es saber el porqué de albergar los altavoces dentro de cajas, la explicación es sencilla, el sonido en esencia se produce mediante la compresión del aire que produce una fuente de sonido cuando vibra, un altavoz se basa en que genera el sonido mediante la vibración del cono el cual es movido por una bobina que está conectada al amplificador. 

El cono produce la vibración moviéndose hacia adelante y hacia atrás, y como este tiene dos caras, ambas producen una compresión del aire que tienen alrededor cuando avanza a su respectivo lado, pero, por ejemplo, si se mueve hacia adelante, la parte de adelante del cono empuja el aire que tiene enfrente comprimiéndolo, sin embargo, en la parte de atrás del cono como este avanza con respecto al punto de reposo del cono, en vez de producir una compresión se produce una depresión del aire, por lo que podría decirse que el aire que es empujado por delante es absorbido por la parte de atrás en la que se genera un pequeño "vacío", haciendo que el sonido se propague peor y esto haría que se escuchara más bajo de lo que debería, en resumidas cuentas, esto produciría que la onda sonora que se genera por delante se anule en parte con la onda de amplitud negativa que se genera por detrás. 

Este efecto se puede notar muy fácilmente con unos auriculares poniendo el volumen al máximo, si los sujetamos solo por el cable apenas suenan y se escucha con un tono muy agudo, pero si los cogemos con la mano solo por la parte de atrás formando con estas una especie de cuenco como si fuéramos a beber agua a una fuente cerrando los bordes de la manos entorno a los auriculares, notaremos que el sonido es más fuerte y grave, precisamente porque una parte del sonido queda atrapado y absorbido en el interior del hueco que hemos creado con nuestras manos y no se anula el sonido de la parte delantera. 

Pero siguiendo con la construcción, una vez que tengamos los altavoces y teniendo claro cuál va a ser el tamaño del mismo lo siguiente es elegir el material, lo común es la madera, en este caso he optado por la madera de contrachapado aunque se pueden usar otros tipos de maderas.

Cuando esté marcado en la madera las partes que componen la caja las recortaremos y las uniremos con cola blanca u otro adhesivo, si las uniones entre las partes no quedan bien ajustadas para tapar las juntas podemos usar masilla, después una vez seco se lija y quedará liso. 

 

Masilla tapando juntas

Después he colocado el tubo del bass-reflex cuya función es aprovechar parte de la energía sonora que genera la parte de atrás del altavoz para reforzar las frecuencias de los sonidos graves. 

En este caso he empleado un pequeño tubo de cartón, aunque he elegido al azar el tamaño del tubo existen fórmulas para calcula de forma muy precisa su longitud y la superficie que debe de tener, así que el que quiera profundizar más en este aspecto dejo una enlace para realizar los cálculos. 

Una vez pintado y barnizado el exterior (o como más nos guste) he unido los altavoces a la caja con adhesivo de contacto, y a continuación forré el interior con un material que absorbiera el sonido para evitar que las ondas sonoras se reflejen y reboten en el interior creando distorsiones reduciendo la calidad del sonido.

Este material puede ser fibra de vidrio o de poliester, en nuestro caso como no va a ser para uso profesional cualquier material de los de andar por casa valdrá como el corcho blanco o materiales similares que se usen para el embalaje.

Una vez todo montado se realizan las conexiones de los altavoces conectándolos en paralelo y de estos a un conector para la conexión con el exterior.

Por último se coloca la última de las caras de la caja cerrándolo.

Patas de apoyo con goma en la parte inferior

 

Orificio de bass-reflex y conector RCA

Construcción de un amplificador de sonido a válvulas con una PCL 86 y una PY 88 (2ª parte)

Ahora que ya está comprobado que el amplificador funciona (esquema de montaje) es la hora de construir una caja que albergue todos los circuitos, así que vamos a ponernos manos a la obra. 

Lo primero es elegir el tamaño que queremos que tenga la caja, cual va a ser el diseño, de que materiales va a estar compuesto... 

Bueno, lo más sencillo y fácil de trabajar es la madera ya que podemos darle casi cualquier forma con pocas herramientas y admite muchos tipos de acabados. 

A la hora de distribuir las diferentes partes del circuito hay que tener en cuenta una cosa muy importante si queremos evitar interferencias que provoquen que la válvula PCL 86 acabe amplificando zumbidos, lo más adecuado es que los transformadores de alimentación estén lo más alejados posible del circuito que acompaña a la válvula o por lo menos que los cables por los que circula corriente alterna estén separados de los cables que van a los pines de la PCL 86 ya que por donde circula corriente alterna esta es capaz de inducir pequeñas corrientes en cables próximos y aunque sea muy poca la tensión que se induzca, como después se va a amplificar, los resultados pueden ser una calidad de sonido muy pobre.

 

  

Aquí dejo algunas imágenes de la evolución de montaje del amplificador.

Despiece

Montaje previo de la caja

Se cubren las uniones con masilla

Detalle de la parte inferior

Frontal barnizado

Vista interior del amplificador

Delimitación de los bordes a barnizar

 Resistencias de de limitación de intensidad en el arranque 

Detalle del transformador de elevación

Cableando...

Detalle de la unión del cátodo

Decoración del transformador

Detalle del cableado al circuito amplificador

Detalle del circuito del vúmetro

Detalle de las conexiones del vúmetro

Amplificador de sonido a válvulas con una PCL86 y una PY88 (1ª parte)

Montaje rápido para pruebas del amplificador. En el centro se ve la válvula PY88

Llevaba ya tiempo queriendo hacer un amplificador de sonido con válvulas de vacío así que me decidí a investigar que montajes podía hacer con las válvulas que disponía, entre ellas una PCL86 y una PY88. 

La PCL86 es una clásica válvula comúnmente usada en etapas amplificadoras de sonido de televisiones antiguas, y lo más interesante de esta válvula es que en realidad son dos, un triodo y un pentodo. 

A continuación podemos ver el esquema del amplificador propiamente dicho. 

Si estudiamos un poco el esquema podemos apreciar que la señal de sonido entra directamente a la rejilla del triodo (pin 1) a través del condensador C1, esta es la primera etapa de amplificación de la señal, a continuación la señal amplificada proveniente de la placa del triodo (pin 9) es enviada a la rejilla de control del pentodo (pin 6) a través de la resistencia R8. 

La señal resultante ya amplificada nuevamente sale de la placa del pentodo (pin 6) y se envía al transformador adaptador de impedancias, cuya misión es como su nombre indica acoplar la señal de audio de alta impedancia de la etapa de amplificación del pentodo a la baja impedancia del altavoz, en nuestro caso de 8 Ω. 

El transformador de impedancias que se ha empleado es un viejo transformador de una radio a válvulas, sin embargo también probé un transformador reductor de 230 a 12 voltios con muy buenos resultados. 

En este otro esquema podemos ver la otra parte perteneciente a la alimentación de los filamentos de caldeo de las válvulas y la tensión de alimentación del circuito amplificador. 

Una cosa importante una vez realizado el montaje es que el circuito amplificador funciona a una tensión que ronda los 200 voltios en tensión continua, por lo que al manipularlo habrá que tener especial cuidado de no tocar las partes activas del circuito si no queremos recibir una descarga nada agradable. 

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Por este motivo decidí hacer un transformador de aislamiento en el que primero reducimos con un transformador la tensión de red de 230 a 12 voltios y con otro transformador de similares características volvemos a aumentar la tensión nuevamente a 230, sigue siendo peligroso, pero de producirse un fallo en el circuito o un corto, la intensidad máxima sería la que puede dar el transformador elevador que usemos, pudiendo rondar los 900 mA, lo que se traduce en una pequeña chispa. 

Para volver a aumentar la tensión simplemente hay que coger un transformador de 230 a 12 voltios, pero en vez de alimentarle por el primario de 230, se le alimentaría con 12 voltios en CA por el secundario, de este modo en el primario obtendríamos en teoría 230 voltios, y digo en teoría por que si el primario está en vacío, esto es, sin conectarle nada, si que se pueden obtener esos 230 voltios, en la práctica cuando le conectamos una carga la tensión se va reduciendo, por lo que tendremos que escoger un transformador de una potencia adecuada. 

Antes de elevar la tensión tomamos un par de salidas a 12 voltios para alimentar el filamento de la válvula PCL86 cuya tensión máxima que soporta es de 13 voltios, por lo que al introducirla 12 voltios será más que suficiente y no la llevaremos al limite, evitando su desgaste prematuro. 

 

En cuanto al filamento de la válvula rectificadora PY88 tenemos el inconveniente de que trabaja a 30 voltios, así que una solución rápida es emplear un doblador de tensión que para pequeñas intensidades es capaz de multiplicar prácticamente por dos la tensión de entrada sin caída de tensión a su salida. 

A su vez la salida de este doblador es en corriente continua ya que la rectifica, por lo que reducimos el riesgo de inyectar zumbido de red de alterna a 50 Hz a través de la rectificadora PY88. 

Filtro (izquierda) y doblador de tensión (derecha).

En cuanto a la rectificación se ha usado una válvula PY88 que funciona como un rectificador de media onda, por este motivo es importante usar a su salida un condensador de bastante capacidad para reducir el rizado, no obstante también se puede usar un puente rectificador, pero me parecía más apropiado por estética que todo fuera a base de válvulas. 

Otro de los elementos que hay en el circuito para filtrar aún más el zumbido de 50 Hz es un filtro de ruido eléctrico que va intercalado entre la válvula rectificadora y el circuito amplificador. 

Para evitar el desgaste prematuro de los filamentos de las válvulas durante el encendido, se ha intercalado un par de resistencias en paralelo entre si, y el conjunto de estas en serie con la entrada de 230 V del transformador de entrada para reducir la tensión que entra al propio transformador, después de pasados unos segundos con un interruptor se puentea las resistencias para que le llegue toda la tensión de red al transformador y así continuar con el caldeo de los filamentos hasta la temperatura de trabajo.

ACTUALIZACIÓN 5 / 1 / 2019

 Ajuste de los potenciómetros.


El ajuste de los potenciómetros se ha realizado de la siguiente manera:

Para el potenciómetro R10 lo llevamos de un extremo a otro, y en el extremo que escuchemos que el sonido tiene distorsión ahí lo dejamos, partiendo desde este lado, lo vamos alejando de aquí poco a poco hasta que dicha distorsión desaparece y el sonido es claro.

Para el potenciómetro R11 (realimentación) hacemos lo mismo, lo llevamos de extremo a extremo hasta encontrar el lado del final del recorrido del potenciómetro en el que el sonido desaparece por completo y el amplificador se enmudece, ahora ajustamos el potenciómetro del volumen al máximo, y a continuación volvemos al potenciómetro R11 y lo vamos alejando desde el extremo donde está, escuchando que poco a poco va subiendo el volumen, y ¿dónde lo dejamos?, pues en mi caso lo hice donde quise que el amplificador diera el máximo volumen cuando el propio potenciómetro del volumen estuviera como está ahora, al máximo. Desconozco el procedimiento de cómo se realizan estos ajustes en un amplificador así que esta es la que usé y me dio buenos resultados 😉.

Vista del circuito cableado

Detalle de las conexiones de la válvula PCL86

Componentes del filtro de red

Vista del conexionado del filtro y el doblador de tensión

Detalle del conjunto filtro de red (izq.) y doblador de tensión (derecha.)