Concepto de fase acústica en sonido directo

La mayoría de fenómenos acústicos que observamos como público o padecemos como técnicos están relacionados con la fase acústica. Recordemos que en artículos anteriores el principio de funcionamiento de los lines arrays se fundamentaba en la fase, y en cuanto a los los arreglos de subgraves igualmente.

Es decir, la relación de fase según la distancia entre elementos omnidireccionales determinaba la cobertura y presión sonora del sistema.

Polaridad o fase
Pero, ¿la fase no era el pulsador que encontramos en la parte superior de cada canal de una mesa de mezclas? ¿O eran los aparatos que colocamos delante de las cajas acústicas y que nos dicen que el altavoz está bien o no, según se encienda la luz verde o roja?

Pues la verdad es que no, al menos no es tan sencillo, ya que lo que ocurre cuando usamos estas cajitas mal llamadas "tester de fase" es que nos indican si el primer desplazamiento del altavoz es hacia delante (Positivo-luz verde) o hacia atrás (Negativo-luz roja), como consecuencia de una inversión en la conexión de éste. En el caso del pulsador del canal de la mesa "phase inverse" es que invertimos el vivo, es decir, el punto 2 y punto 3 de la entrada XLR.

La gráfica de impulso también indica tiempo contra amplitud

Tanto en un caso como en otro, lo correcto sería llamar a estos, tester de polaridad e inversor de polaridad. Pues, realmente, la inversión de polaridad es lo que ocasiona una diferencia de 180º en la señal de audio. Sabemos que el sonido se mide en "Hertzios", y esto es unidad de Frecuencia, cuanto más ciclos por segundos, más alta será la frecuencia.

Existe una clara relación entre diferencia de grados de fase y la consecuencia en nivel total

Al descomponer un ciclo completo, en el plano vertical tenemos la amplitud de la señal, esta también nos indicará la polaridad, semiciclo positivo o negativo. En el plano horizontal tenemos el tiempo, recordemos que el tiempo equivalente a un ciclo completo, es lo que conocemos como periodo, y se calcula con la fórmula siguiente: T= 1/ F , o sea que el periodo es la inversa de la frecuencia.

Si aplicamos esta fórmula, cuanto más alta es la frecuencia más pequeño es el periodo, por lo que para 10KHz el periodo será de 0,1ms , 1ms para 1KHz y 10ms para una frecuencia grave de 100Hz. Observamos igualmente que en el plano horizontal está la fase de la señal, que en el caso de un ciclo completo va de 0º a 360º. Siendo 180º la mitad del ciclo, es decir cuando la señal pasa por el nivel 0.

Para ver si una señal está con polaridad invertida, es decir con 180º, es necesario medir la respuesta de impulso. Se puede medir un equipo electrónico para ver si el impulso es positivo o negativo, pero también se puede medir el impulso acústico, es decir, la señal que proporciona un altavoz o un sistema completo de difusión.

Representación gráfica de un analizador
Lo ideal ahora sería poder utilizar un analizador para ver cuándo ocurren estas diferencias de fase y sus consecuencias en la señal resultante, es decir, la respuesta en frecuencia total del sistema. Tendríamos que poder representar la relación de fase según la frecuencia, por lo que tendremos que buscar la forma de representar el círculo trigonométrico de la fase de forma gráfica en la pantalla de un analizador. La gráfica de fase es una de las ventanas de los analizadores que la mayoría de técnicos de sonido aún le cuesta interpretar; ahora explicaremos su interpretación que, en realidad, no es tan compleja.

Existen hoy día varios analizadores en software para PC y Mac, como Smaart Live, Spectralab, Impulse, Mac Foh, Spectrafoo... pero también existen equipos de medida especializados, como el mundialmente conocido SIM3 de Meyer Sound. La gráfica de fase representa el retardo de unas frecuencias con respecto a otras, la velocidad del sonido es fija para todas las frecuencias, y varía según la temperatura de forma proporcional.

Aunque esta velocidad sea fija, en nuestros ejemplos 340m/s a 15ºC, las frecuencias no se reproducen al mismo tiempo, incluso dentro de una misma caja acústica. Esto es debido al diseño físico de las cajas, pues el motor de agudos no está alineado con el altavoz de graves y, por lo tanto, no salen todas las frecuencias a la vez. Pero también puede ser debido al diseño incorrecto de los filtros. Recordemos que según el tipo de filtro utilizado tendremos retardos, y estos serán de 45º por cada orden. Si tenemos varias cajas acústicas en un sistemas, estas diferencias de tiempo pueden llegar a ser mayores.

Una frecuencia de agudos puede estar retrasada con respecto a otra de medios y ésta con respecto a otras de graves, el retardo puede ir de 0º a varios ciclos de diferencia, no sólo hasta 360º (1 Ciclo)

Casi ningún fabricante da en los manuales de utilización, dentro de las características técnicas, las gráficas de fase. Esto seria como hacer una radiografía acústica de la caja, otro fabricante que mencionamos a menudo en estos artículos fabrica todas sus cajas acústicas compatibles en fase; esto quiere decir que siempre podremos combinar cualquier modelo sin problema alguno.

En una gráfica de fase, observaíamos que en el eje vertical están los grados, que no van de 0º a 360º sino de -500º a +500º, o sea, que el retraso de la máxima frecuencia en el eje horizontal con respecto a la mínima, en este caso, tiene 1000º, lo que equivale a dos ciclos y 280º. Pero imaginemos que en lugar de ese retraso, tenemos uno mayor, de 10 ciclos, o sea 3600º, costaría bastante poder graficarlo enteramente, por lo que la solución adoptada en la mayoría de softwares y analizadores es graficar todo dentro de un ciclo únicamente de forma que, por muchos ciclos de retardo que existan entre frecuencias, no necesitemos de una gráfica interminable. Esto es posible. En un gráfico observaríamos que las líneas rectas verticales no cuentan como señal, sino como transición en la gráfica, para poder seguir representado el retraso correspondiente.

En otro supuesto observaíamos cómo hay un ciclo de retardo entre 125Hz y 50Hz y un ciclo de retraso entre 800Hz, aproximadamente, y 125Hz. Sin embargo, de 2KHz a 4KHz no hay retardo y están prácticamente cercanos a 0º. Finalmente, en la totalidad del espectro de audio, entre 50Hz y 16KHz existe una variación de fase de 1260º

Hasta ahora estamos viendo gráficas de fase y siempre hablando de una señal, pero si tuviéramos dos señales, se vería la suma de esas dos señales; así lo ideal seria tomar una de las señales, meterla en una memoria del analizador y luego medir la segunda señal sola. Al superponer la señal que estamos midiendo con la señal que estaba en la memoria, según las diferencias de fase existentes tendremos una respuesta en frecuencia determinada por esas diferencias de fase. Así, al activar las dos señales tendremos sumas y atenuaciones en la respuesta en frecuencia, y en la zona donde la diferencia de fase entre una señal y otra sea igual a 180º habrá una cancelación o atenuación máxima.

También podemos medir la respuesta de fase de un equipo electrónico, en la gráfica superior se ha realizado la medición de un ecualizador, donde se ha aumentado la frecuencia de 1KHz en 6dB, la magnitud, respuesta en frecuencia (Parte inferior), observamos cómo la respuesta de fase (Parte superior) ha variado y ahora va desde -30º a +30º. La señal que se ha utilizado en la prueba correspondiente a este supuesto es ruido rosa.

Para poder hacer mediciones de respuesta de fase aparte del analizador, ya sea en software o hardware, y el micrófono de medida, necesitamos conectar todo ello adecuadamente. Para ello, necesitamos hacer una función de transferencia, es decir, comparar una señal de referencia con una señal de medición.

Esto es debido a que con una sola señal del micrófono sólo se podría hacer análisis de espectro o frecuencia. RTA (real time analizer)

El defecto que tiene este tipo de medida es que si tiene lugar una suma o cancelación debido, por ejemplo, a una reflexion el RTA no podrá indicarnos que este es el motivo, sólo indicará aumento o atenuación de nivel. El técnico de sonido corregirá este defecto aumentando o atenuando el nivel en la zona del espectro afectada, pero esta no es la solución, ya que el problema no es de respuesta de frecuencia sino de tiempo y, como consecuencia, de fase.

Para realizar una medición de respuesta de fase acústica de un sistema de sonido, se procede de la misma forma: tenemos una señal de medición procedente del micrófono de medida y una señal de referencia, ruido rosa, procedente del generador del analizador, de la mesa, de un cd... que retornamos mediante bifurcación por cable o mesa, ya que a la vez que entra en el analizador debe entrar en el sistema de sonido para efectuar la comparación.

Otro detalle que no debemos olvidar es la latencia de los equipos utilizados como procesadores de altavoces, ecualizadores digitales... y de la propia interfaz del analizador, ya que si tenemos latencia tenemos retardo y si tenemos retardo la respuesta de fase no se corresponderá a lo que oímos.

Hay que tener en cuenta que la señal que sale de nuestro sistema de sonido deberá entrar al mismo tiempo en el analizador que la señal que entra en el sistema, o dicho de otra forma, la señal de medición y de referencia deben entrar a la vez para poder realizar correctamente la comparativa de la función de transferencia.

Aplicaciones prácticas
Si esto lo llevamos a la práctica, quiere decir, por ejemplo, que si tenemos dos cajas acústicas y nos colocamos a la misma distancia de una que de otra, no hay diferencia de tiempo, por lo que el sonido resultante será de 6dB más que si escucháramos una sóla caja acústica; si observamos el círculo esto se cumple, ya que tenemos 0º de diferencia.

Recordemos que estos 6 dB de incremento se producen como resultado de aplicar la fórmula 20log 2/1 al haber doblado la fuente sonora. Claro, esto ocurre con todas las señales de audio, ya que la distancia será siempre la misma, pero ¿qué ocurre si, por ejemplo, una caja esta a 5m de nosotros y la otra a 6,7m? Pues, sencillamente, la frecuencia para la cual la diferencia de distancias sea la mitad de su longitud de onda tendrá una fuerte atenuación.

En el ejemplo mencionado D1-D2 = 6,7m - 5m = 1,7m, o sea, que para la frecuencia de 100Hz tendremos una fuerte atenuación o cancelación en el punto donde nos encontramos, ya que recordemos que la longitud de onda viene de la formula V/F, donde V es velocidad del sonido(En este caso a 15ºC) y F la frecuencia, lo que nos da que 340m/s / 100Hz = 3,4m. Hemos dicho que esto seria 360º de esa frecuencia, entonces 1,7m correspondería a 180º de 100Hz y, según lo expuesto anteriormente, en las gráficas tendremos una atenuación o cancelación máxima.

Ya intuimos según la teoría aplicada que siempre habrá diferencias de nivel en determinadas frecuencias según el lugar donde estemos escuchando, con lo cual nunca será igual para todo el público.

Está claro que no se puede llegar a solucionar el problema en su totalidad, pero sí se puede minimizar para que las diferencias de fase entre los distintos puntos del público sean las más pequeñas posibles. De tal forma, deberíamos conseguir una variación de fase cercana a 0º en el control de P.A. para que, al movernos de adelante hacia a tras y de derecha a izquierda, esas variaciones de fase no sean exageradas y estén dentro de unos márgenes aceptables.

Recuerden que entre 0º y 120º tendremos una diferencia de 6dB, con lo cual no es tan difícil de conseguir. ¡La forma de hacerlo se estudiará en próximos capítulos!