Investigación: Difusor acústico

Posted on July 9, 2014 by michellainpuca

Funcionamiento

La función de un difusor acústico es diseminar la energía acústica incidente sobre una superficie en tiempo y espacio.

Su efectividad estará vinculada estrictamente con el material y la estructura de este difusor. Las propiedades del material en cuanto al diferente coeficiente de absorción y lo estructural en cuanto a los elementos diseñados para dispersar la energía uniformemente. Su misión es eliminar las reflexiones indeseadas (de interferencia) que se producen cuando el sonido incide directamente sobre las superficies, sin disminuir el tiempo de reverberación.

Para colocar correctamente el difusor en el cuarto donde lo vayamos a usar es importante tener en cuenta que el sonido reflejado sea homogéneo en lugar de reflejarse en una sola dirección como ocurre por la ley de reflexión sonora.

En la imagen podemos ver que el sonido incidente se ve reflejado en la superficie, saliendo con el mismo ángulo con el que entró. Eso es lo que queremos evitar. Al poner un difusor lo que queremos lograr es que el sonido reflejado se vuelva difuso aportando una sensación sonora tridimensional y creando una acústica más real y agradable.

Para realizar un acondicionamiento acústico adecuado de una sala se utilizarán los difusores acústicos. Estos deberán ser complementados por paneles absorbentes para reducir los tiempos de reverberación ya que de esta forma se puede lograr una mayor uniformidad del sonido. Estos realizan el trabajo opuesto a los difusores, los primeros quitan energía y los segundos la distribuyen sin sacar energía. Los difusores tienen de ventaja que preservan el sonido sin eliminar el ambiente natural de la sala.

Tipos de difusores acústicos

Se utilizarán distintos tipos de difusores y su elección dependerá del tamaño de la sala, la utilización, cantidad que se necesite y presupuesto.

MLS (Maximum Length Sequence)
Están hechos de tiras de material de dos profundidades distintas. La ubicación de estas tiras sigue una secuencia de máxima distancia. El ancho de estas tiras es menor o igual a la mitad de la longitud de onda de la frecuencia en donde se quiere un mayor efecto de distribución. En una situación ideal, las paredes verticales deben ser ubicadas entre las tiras más bajas, mejorando el efecto. El ancho de banda de estos difusores es limitada, una octava por encima del diseño de frecuencia que tengan en una superficie plana.
QRD (Quadratic Residue Diffuser)
Están basados en el difusor MLS y son superiores a los difusores geométricos en muchos aspectos, tiene un banda de ancho limitado. La mueva meta era encontrar una superficie geométrica que pudiera combinar la excelente difusión y características del diseño del MLS pero con una banda de ancho más grande. Este nuevo diseño fue descubierto y se le llamó QRD. Hoy en día el quadratic residue diffusor o difusor Schoroeder es usado. Este tipo de difusor puede ser diseñado para distribuir el sonido en una o en dos direcciones. Sufren de las frecuencias de “superficie plana” pero a frecuencias mucho más altas que los MLS. Construcciones fractales pueden ser utilizadas para ampliar este ancho de banda.
Tienen una multitud de ranuras con diferentes profundidades, de esta forma reflejan el sonido en diferentes direcciones pero de forma controlada. La profundidad estará directamente relacionada con la frecuencia mínima que difunde, así como el ancho de sus ranuras con la máxima frecuencia que difunde.
PRD (Primitive Roots Diffuser)
Aunque producen un nodo en la respuesta de difusión, en realidad el nodo es muy pequeño sobre el ancho de banda para poder ser útil. Su funcionamiento es similar al QRD de dos dimensiones. La diferencia se encuentra en el principio matemático para calcular la profundidad de las ranuras. Se basan en una secuencia numérica teórica.

Difusores optimizados
Utilizando una optimización numérica, es posible incrementar el número de diseños teóricos, especialmente para difusores con un pequeño número de cavidades por período. Pero la gran ventaja de la optimización es que se pueden usar también formas arbitrarias que se funden mejor con las formas arquitectónicas.
Difusores de dos dimensiones (hemisféricos)
Están diseñados como la mayoría de los difusores, para crear un “sonido grande en un cuarto pequeño”. Por otra parte a diferencia de los otros difusores, difunden el sonido en un patrón hemisférico. Esto se logra con la creación de una grilla, cuyas cavidades tienen ranuras que varían en profundidad, dependiendo de la suma de la matriz de 2 secuencias cuadráticas iguales o proporcionales a los de un difusor regular. Estos difusores de dos dimensiones son muy útiles para controlar la dirección de la distribución del sonido, particularmente en los estudios y para controlar cuartos.
Fotos de difusores

Beneficios

Todos podrán oirse entre ellos debido a que el sonido está distribuido correctamente dentro del recinto.
No hará falta usar alto niveles sonoros.
Se percibirá una imagen sonora de mayor espacialidad y envolvimiento.
Uniforman el sonido sin eliminar el ambiente natural de la sala.

Creación

Para la creación de un difusor acústico es importante tener en cuenta las necesidades de uno y de la sala. Por ejemplo se podría ubicar un difusor en la pared que estará atrás nuestro a la hora de mezclar. De esta forma evitaríamos la reflexión directa del sonido en nuestra cabeza que hace que nuestro oído piense que ese sonido vino de adelante. Con un difusor este sonido se “scatter” / esparce de forma pareja y evita la reflexión directa.En este caso elegí explicar como hacer un primitive root diffuser.

Para crearlo se necesitará madera de pino (en este caso), que será cortada en bloques con medidas exactas de diferentes tamaños. Estos bloques deben ser lijados y alisados. Luego se pegan a una tabla de madera cuadrada que tendrá el tamaño necesario para colocar los bloques de distintas alturas y que tendrán también un lugar específico cada uno. Después se puede pintar o manchar para darle una apariencia diferentes a la madera.

Para realizar los cálculos de los bloques que necesitamos y en qué medidas hay diferentes calculadoras online en donde uno puede poner el rango de frecuencias que se quieren esparcir y entonces calcula las medidas de los materiales.

Por ejemplo el link de abajo contiene un software para realizar los cálculos:

http://www.mh-audio.nl/user/acoustic%20calculator.asp

Debajo podemos ver imágenes de la calculadora, las indicaciones de donde debe ir cada bloque, cuantos tienen que haber y de qué tamaños. También hay fotos del proceso de pegado (luego de haber sido lijado) y como queda finalmente. En la foto final podemos ver que se han pegado tres cuadrados iguales uno al lado de otro para hacer un difusor un poco más grande.

: Calculadora

La explicación de cómo se realiza este difusor se encuentra en el siguiente video:

Construcción de un micrófono dinámico con materiales de uso doméstico

Posted on July 9, 2014 by michellainpuca

Me inspiré en un video que explicaba la construcción de un micrófono casero, en tal sentido conseguí los materiales similares que el video recomendaba utilizar. Siempre habrán variaciones, como era de suponer no se pueden conseguir exactamente los mismos materiales. Teniendo esto en cuenta, intenté conseguir elementos que fueran lo más parecidos a los que indicaban para poder tener un margen de menor error.
Materiales: Utilicé dos imanes cerámicos, distintos tipos de tornillos y arandelas, un vaso de plástico de 300 ml, cobre esmaltado, un sorbete, un cable XLR macho, cocodrilos, cable de micrófono. También utilicé un soldador, cinta aisladora, cinta adhesiva transparente, y otros elementos útiles para poder ensamblar los materiales.

Funcionamiento de micrófono dinámico y su aplicación a mi experimento

En las imágenes que se encuentran debajo podemos ver el diagrama del funcionamiento de un micrófono dinámico. Este tipo de micrófono no necesita alimentación de energía externa ya que generará una carga eléctrica por sí solo.
Las ondas sonoras hacen vibrar a la membrana o diafragma que se encuentra pegada a la bobina de cobre esmaltado, éste al recibir las vibraciones se mueve. Este movimiento al ser generado dentro de un campo magnético, (ya que en un caso la bobina está alrededor del imán y en el otro la bobina está rodeada del imán) produce una corriente eléctrica proporcional al sonido recibido. Esta señal eléctrica es transportada por los cables que pertenecen a la bobina.

Micrófono dinámico

En mi micrófono esto funciona de la misma forma (imagen debajo). Mi bobina está enrollada en un sorbete que fue puesto en el centro de dos imanes cerámicos con forma de anillo, generando un campo magnético. La utilidad de un tornillo en el centro del imán con arandelas tiene el propósito de fijar el sorbete y que este, a su vez, quede centrado. Mi membrana o diafragma está compuesta por la combinación del sorbete y la tapa del vaso. Por lo tanto, podemos decir que trabajan en conjunto, porque uno sin el otro no funciona.
El sorbete captará las vibraciones que se tomen directo de la fuente sonora y a su vez las vibraciones que capte la tapa y que le transmitirá por contacto. De esta forma, la bobina oscila dentro del campo magnético generando una corriente eléctrica que será llevada a través del cable del micrófono y conectado a una computadora (en este caso).

Prueba No.1:

Luego de tener los materiales a mi disposición realicé una primer prueba. Con los imanes grandes (7 cm de diámetro), el vaso de plástico, un bobinado alrededor de un sorbete bastante blando y con cobre de la longitud que decía el video (80 cm – 1m aprox.) conecté los extremos de la bobina a un multímetro con el objetivo de medir mili voltaje y mili amperimetraje. Los valores eran bajos, por lo que decidí aumentar en unos 50 cm aproximadamente el largo del cable de la bobina. Siguieron siendo bajos, pero teniendo en cuenta que los micrófonos de por sí, producen señales muy bajas que luego son amplificadas por los pre amplificadores, decidí que era necesario ponerlo a prueba para descubrir si en verdad la señal era muy baja.

: Tornillo como base para centrar el sorbete

: Imanes cerámicos

: Imanes cerámicos

: Bobinado

: Arandela

: Bobinado en el sorbete

: Primera prueba de micrófono armada

Armado del cable XRL

Para poder testear el funcionamiento de mi micrófono y sus diferentes pruebas era necesario primero armar el cable. Compré un cable de micrófono y un enchufe macho (el que iba a ser conectado al pre amplificador o la placa de sonido). Esto requirió efectuar soldaduras con estanio en los cables que se unirían con el enchufe macho ubicando cada cable en su terminal correspondiente. La terminal 1 para la masa, la terminal 2 para la polaridad normal y la terminal 3 para la polaridad invertida. Esto es lo que se llama señal balanceada ya que hay una inversión de las señales de la corriente alterna al salir del dispositivo. Cuando llega al dispositivo receptor, las señales se invierten nuevamente, aumentando la ganancia y eliminando cualquier tipo de ruido electromagnético (al sumar dichas interferencias invertidas en fase) que se haya podido producir durante el trayecto.
Lo que hice luego fue soldar los cocodrilos al otro extremo para que sea más fácil conectar el cable del micrófono a los cables de cobre (que fueron raspados en las puntas para que puedan conducir a la señal). En la imagen que se encuentra debajo se puede ver a qué terminal corresponde cada cable.

: Cocodrilos y cable XRL con enchufe macho

: Terminales y cables

: Señal balanceada

El enchufe macho del micrófono experimental fue conectado a una placa de sonido AVID fast track solo y esta a su vez a una computadora MacBook Pro. Luego de conectarlo a la computadora para ver si la señal era alta o baja, descubrí que la señal no era suficiente como para generar un volumen intermedio (es decir, se escuchaba muy bajo). Por lo tanto, decidí comenzar a cambiar algunas variables para ver qué resultados obtenía y cuál era la mejor opción.

Cabe destacar que con esta primera prueba se cumple el objetivo principal del proyecto que era que funcionara el micrófono dinámico. Seguí realizando pruebas para mejorar la calidad del sonido y así obtener un mejor resultado. Pero el funcionamiento del micrófono para esta instancia ya era correcto.

Cambios a realizar:

Las variables con las decidí ir probando para obtener una señal más alta y clara fueron: el tamaño de la bobina, el sorbete y su flexibilidad, el vaso, los imanes y el tornillo. Claramente, el cambio de estas variables se fue haciendo de a uno, implementando las cosas que funcionaban y cambiando las que no.

Prueba No.2:

Para esta prueba lo primero que decidí hacer fue cambiar los imanes (2,2 cm de diámetro). Utilicé cuatro imanes cerámicos en forma de anillo, pero mucho más pequeños. Estos cuatro imanes permitían contener a todo el bobinado del sorbete. Mi teoría al realizar este cambio fue que se iba a lograr un mayor campo magnético alrededor de la bobina por cubrirla al casi completo. El resultado no fue bueno y la señal siguió siendo igual de baja o incluso menor que la anterior.

Prueba No. 3:

Dado que el cambio de imanes no superó ni mejoró los resultados en la prueba no.1 y 2, decidí volver a utilizar los imanes grandes y cambiar el tamaño de la bobina. Utilicé esta vez casi 3 metros de cobre, cuadruplicando el largo recomendado por el video. Además, utilicé un sorbete más duro y largo.

El resultado de este cambio fue positivo ya que obtuve una señal más alta y un sonido más fuerte. De todas formas quise seguir probando para poder si incluso podría mejorar lo ya obtenido.

He de mencionar que en uno de los experimentos la tapa del vaso no quedó cerrada completamente, lo cual mejoraba el resultado, así que esta variable fue tenida en cuenta para seguir haciendo cambios.

Prueba No.4:

Lo que hice en esta prueba fue cambiar la tapa del vaso por un guante de látex en tensión, ya que de esta forma podría lograr que las vibraciones que llegaran al guante se transmitieran al sorbete de una manera más directa y con más contacto.

El resultado no fue mejor. La señal fue más baja que en la prueba anterior, por lo cual me di cuenta que tanta flexibilidad no transmitía correctamente las vibraciones.

Prueba No.5:

Aquí mantuve los imanes, el sorbete y esta nueva bobina que venía funcionando perfecto. Lo que cambié fue el vaso, utilicé un vaso más duro y le realicé un agujero más en la tapa. Mi hipótesis fue que las vibraciones producidas por las cuerdas vocales podrían entrar por el agujero y así provocar más vibraciones en el sorbete y a su vez un vaso de material menos elástico podría vibrar de forma más específica.

El resultado no fue malo, pero no mejoró las condiciones. Apenas si superó mínimamente los resultados obtenidos en la prueba No.1 en cuanto a señal y calidad de sonido.

Prueba No.6:

En esta prueba lo que decidí hacer fue volver a las cosas que ya habían funcionado pero mejoré la postura del sorbete al cambiar el tornillo que estaba utilizando. Utilicé un tornillo de mayor diámetro y que condujera mejor el campo magnético.
La utilización de la arandela que se encuentra en la primera imagen será explicada a continuación.
En la segunda imagen podemos ver que lo que intenté hacer fue acortar la distancia entre la bobina y la membrana para ver si de esta forma las vibraciones transmitidas por el sorbete y la membrana llegaban de forma más clara.

El resultado de esta prueba mejoró un poco la calidad de la señal.

Prueba No.7:

Pero aún no contenta con este resultado utilicé una arandela de hierro que condujera mejor el campo magnético y de esta forma lo prolongué por encima de la bobina. Es decir que coloqué la arandela por encima de los imanes. Además mejoré el apoyo del tornillo y tuve especial cuidado en colocar la bobina dentro del campo magnético.
También probé dejar la tapa cerrada del todo y semi trabada. En este caso los resultados no cambiaron tanto como en la prueba no. 3, en donde la diferencia sí había mejorado la señal.

El resultado fue óptimo. La señal salió mucho más alta y clara. Esto se debió a la prolongación del campo magnético por encima de la bobina, el cambio anterior del tamaño de la bobina y el tornillo.

Conclusiones:

Puedo concluir diciendo que el tamaño de la bobina, el vaso, el tornillo, la arandela y su material tienen influencia directa en la señal obtenida. Luego de probar y ver de qué forma se afectaba el funcionamiento del micrófono llegué a un resultado bastante bueno. No tiene la calidad de un micrófono profesional pero el objetivo está cumplido con materiales de uso doméstico.
La calidad y la respuesta de frecuencias de este micrófono experimental está acotada a los materiales utilizados.

También puedo decir que no era correcta la información dada por el video en cuanto a la cantidad (longitud) de cobre para realizar la bobina, ya que tuve que utilizar el cuádruple. Es verdad que los materiales no son exactamente los mismos por lo cual hay variables distintas y por lo tanto, resultados diferentes. La clave fue empezar a controlar las variables de los materiales con los que contaba y entender su funcionamiento dentro de la estructura de mi micrófono dinámico.

Los cambios que hicieron posible el funcionamiento de mi micrófono fueron:

El cambio de la longitud de la bobina (3 metros)
Cambio de sorbete por uno más duro
Agregado de una arandela de hierro para poder extender el campo magnético
Cambio del tornillo, dando estabilidad y soporte a la bobina. (su material también conduce los imanes)

Es decir que se contó desde el principio con materiales que hicieron funcionar el micrófono y lo que se hizo a través de las distintas pruebas fue ver si se podía mejorar este primer funcionamiento. El cambio de variables me hizo obtener mejores resultados, ajustando el margen de error.