ESTACIONARIAS, RESPUESTA EN GRAVES Y MEDIDAS DE SALA

      Al ser sus longitudes de onda mucho mayores que las proporciones habituales en salas domésticas (a 20 Hz su longitud de onda aproximada es de 17 metros) el principal problema son las bajas frecuencia, que se verán modificadas (en presión) en mucha más medida que los valores que pueda imprimir cualquier otro componente (altavoz, amplificador, etc) y siguiendo unos patrones concretos que responden puramente a leyes físicas.

      Esto nos lleva primero a hablar de estacionarias, que como su propio nombre indica, son las frecuencias a las que la distribución de presiones está estacionaria en dicha sala. Pero, ¿porqué ocurre esto?

      Consideremos una sala regular (superficies paralelas; paredes, suelo y techo) concreta, con sus medidas de largo, ancho y alto, y una temperatura ambiente dada (que será el principal factor que determine la velocidad del sonido, y por ende, frecuencias). Si tomamos la medida de cada eje y dividimos la velocidad del sonido entre el doble de la medida de cada eje (en metros por segundo y metros respectivamente) obtendremos tres frecuencias concretas, correspondientes a cada uno de los tres ejes de la sala. Estas son las que llamaremos fundamentales de cada eje, qué ocurre a esa frecuencia cuya longitud de onda (en realidad de un semiciclo) coincide con la medida del eje. Si dibujamos la onda senoidal en dicho eje, veremos que empezando por un máximo (en el límite de la sala; pared, suelo o techo) varía la onda hasta cero (justo en el centro de dicho eje) y vuelve a un máximo de sentido contrario (en el límite opuesto; pared, techo o suelo) y cuando rebote en ese otro límite volverá por el mismo camino describiendo la misma curva, por tanto la onda permanece estacionaria mostrando siempre en los mismos puntos la misma presión. Y como vemos, siempre en los límites de la sala (paredes, suelo, techo) será máxima esa presión (estacionarias axiales, producidas por la reflexión en dos superficies paralelas. Hay otros dos tipos de estacionarias, tangenciales y oblicuas, producidas por las reflexiones entre cuatro superficies y entre todas las superficies respectivamente, pero no las vamos a considerar en este artículo. No obstante, en estudios más detallados bastaría añadir las tangenciales y obviar las oblicuas).

      Pero qué ocurre con los armónicos (frecuencias múltiplos enteros de esa fundamental) de dicha frecuencia, que como su longitud de onda es justo una fracción entera, igualmente serán estacionarias, valga la redundancia, por permanecer estacionarias a lo largo de dicho eje la distribución de presiones (bastaría dibujar la onda senoidal correspondiente en dicho eje para verlo claramente), y lógicamente con máximos en los límites. Como curiosidad, la fundamental de cada eje y sus armónicos mostrarán n puntos de mínima presión y n+1 puntos de máxima presión equidistantes y alternados, siendo siempre máxima en los límites de la sala, mínima justo en el centro para la fundamental y armónicos impares y máxima para los pares.

      Y qué ocurre en esos puntos de máxima presión. Imaginad un ecualizador, con cortes a cada una de las frecuencias que corresponden a estacionarias (fundamentales de cada eje y sus armónicos) en cada eje, pues que en cualquier punto exceptuando los de mínima presión, esa sala incrementará la presión a dicha frecuencia (la que corresponda según eje y estacionaria) hasta el máximo que corresponda en el punto de máxima presión (este incremento puede suponer hasta +16 dB respecto a lo que sería una respuesta plana, de la sala). Ahora solo imaginad que hay tres ejes, que en cada eje hay varias estacionarias, e imaginad esa distribución de máximos y mínimos de presión, para cada eje y para cada estacionaria, ¿complejo, verdad?

      Entonces, cómo hacer para mitigar este maremagno de presiones y hacer que afecte lo mínimo posible a nuestra instalación, en definitiva, para obtener la respuesta más plana posible en bajas frecuencias. Ni más ni menos que localizar la posición de altavoces y oyente donde excitemos lo menos posible esas estacionarias y a su vez percibamos lo menos posible esos incrementos de presión a las mismas. Por tanto, como buscamos excitar lo menos posible esas estacionarias (de baja frecuencia) habremos de colocar el foco de las mismas (que no es otro que el altavoz de graves de nuestras cajas, por tanto es lógico pensar que la posición de cajas debe hacerse respecto a ese foco; centro y frontal del cono de graves) en un punto del espacio donde a ser posible la presión a cada estacionaria en cada eje sea mínima y lo más homogénea entre todas. E igualmente con el oyente, donde perciba con la menor presión toda esa misma amalgama de frecuencias; respecto al punto de escucha deberá ser el centro de la cabeza y a la altura del oído. De ahí la versatilidad de un monitor respecto a la acústica de la sala, ya que nos permitirá mayor libertad de movimiento en los tres ejes. Todo esto generalmente se hace hoy día con ayuda de herramientas informáticas, pues sería ardua la tarea para hacerla a mano.

      Una prueba curiosa donde ver estos fenómenos y sencilla de realizar; podemos generar un tono a la frecuencia de una estacionaria concreta (con un ordenador y grabarlo en CD-R, con un generador de tonos, con un disco de pruebas, etc), y reproducirlo en nuestro sistema. A continuación y mientras se reproduce dicho tono, ir desplazándonos a lo largo del eje a que corresponda dicha estacionaria, desde un límite (paredes generalmente, es más cómodo probar con estacionarias del eje largo o ancho, por razones obvias) hacia el otro, y oiremos claramente cómo la presión es máxima, e irá alternándose a mínima y máxima hasta acabar en la pared opuesta de nuevo en un máximo. De hecho puede ser que incluso al llegar a la zona de mínimo hasta dejemos de percibir ese tono, y en la zona de máximos (pegados a las paredes es la más fácil de localizar) llegue a hacerse insoportable.

      ¿Y qué hay de las proporciones de la sala? Desde luego no todas son iguales, aunque la inmensa mayoría de las veces, es la que hay y pocas opciones de cambiar sus medidas tenemos. Pero hablando en términos absolutos, hay soluciones mejores que otras.

      Como hemos visto, las estacionarias se relacionan directamente con las medidas de cada eje, de ahí que si una sala tiene dos o sus tres ejes idénticos en medida (o múltiplos enteros unos de otro) coincidirán sus estacionarias (en frecuencia), lo que supone un incremento mayor aun en esos máximos de presión, descontrolando aun más las bajas frecuencias. Así que como primera norma, hay que huir de salas cúbicas, medidas múltiplos en sus ejes, o que coincidan en dos ejes.

      ¿Hay alguna proporción adecuada? Hay varios métodos para su cálculo, como es utilizar el número Fi (? = 1,618033989) para partiendo de un eje, calcular los otros como múltiplos de Fi por este primero. En definitiva, podrían resumirse todas como el obtener unas proporciones que resulten de distribuir sus estacionarias lo más homogéneamente posible, esto es, nunca más juntas dos contiguas (en frecuencia, independientemente del eje a que correspondan) del 5% de su valor, ni más distantes de 20 Hz.

      Ya tenemos la sala, hecha a medida o no, que nos permitan o nos hayamos permitido, que mejor nos convenga desde el punto de vista acústico. ¿Y en qué rango estudio las estacionarias en mi sala? Genéricamente se recomienda entre 20 y 300 Hz, pero en la práctica cada sala es única (salvo que la repliquemos tanto en medidas como materiales, acondicionamiento, etc).

      Ese rango será en cada caso desde la resonancia baja de la sala, que no es otra que la correspondiente a su mayor eje, por el extremo más bajo. Y por la parte más alta dependerá del RT de la sala (tiempo de reverberación, es el tiempo que tarda una señal en decaer 60 dB desde que deja de emitirse), por tanto de los materiales de la misma (superficies y coeficientes de absorción de los mismos), y del volumen de la sala (en metros cúbicos; multiplicar los tres ejes de la misma) según la siguiente relación: (1849 * RT) / Volumen.

      De este modo tenemos el rango concreto donde se deberían estudiar las estacionarias en nuestra sala concreta, y en consecuencia, la ubicación de cajas y oyente como solución a una óptima respuesta plana de la sala a dichas frecuencias.

      Vamos a complicar más las cosas. ¿Qué ocurre con mis altavoces y su respuesta en frecuencia? ¿Cómo afecta esto respecto a todo lo visto? Todos los fabricantes de cajas ofrecen un rango de respuesta de la caja, esto no quiere decir generalmente que la caja (vamos a ocuparnos del extremo bajo, que es el que nos interesa en este punto) no llegue más allá de dicha frecuencia, sino que su curva de respuesta decae bruscamente a partir de ahí (generalmente si no se especifica otra cosa, la respuesta ofrecida por el fabricante suele ser dentro de un margen de +/- 3 dB).

      Pero qué ocurre si nuestras cajas nos dicen que bajan hasta 60 Hz, pero la resonancia baja de nuestra sala es de 30 Hz (el largo de la sala es aproximadamente 5,7 metros). Fácilmente podemos deducir con lo visto hasta ahora, que a poco que estudiemos y conjuntemos todo, podríamos extender la respuesta del sistema (ojo, no de la caja puesto que no la estamos modificando, sino que nos apoyamos en la acústica de la sala y el efecto de frecuencias estacionarias) buscando esa posición donde compensemos con la sala la caída que tiene la caja, de modo que podamos en la posición de oyente percibir una respuesta más o menos plana hasta esos 30 Hz. De hecho esto es así en cualquier sala donde se hace un estudio a fondo de su acústica, ubicación de cajas, etc, siempre que se busque naturalidad, y por ello casi siempre en estas instalaciones se prescinde de subwoofer independiente de las cajas principales en aplicaciones de audio puro.

      En resumen, qué conseguimos buscando nuestra sala con las proporciones más adecuadas y situando de manera óptima las cajas y oyente dentro de la misma. Básicamente extender la respuesta de nuestras cajas, y obtener en la parte baja de frecuencias una curva de respuesta lo más plana posible.

      INSONORIZACIÓN DE LA SALA DE AUDIO

      No debemos confundir la insonorización con el acondicionamiento de la sala. Lo primero se limita a aislar la sala de ruidos externos, así como evitar que el sonido interior se perciba desde el exterior.

      Aunque es una tarea difícil de realizar la mayoría de las veces, es algo igualmente muy a tener en cuenta cuando se diseña de manera pormenorizada una buena sala de audio, e igualmente muy recomendable cuando tenemos problemas extremos de ruido o posibilidad de molestar nosotros a algún vecino.

      Existe una normativa aplicable en cuanto a condiciones acústicas en edificios, la Norma Básica de la Edificación NBE-CA88, donde se detalla desde características de materiales, soluciones, niveles de ruido, fuentes de ruido, etc, y que debiera cumplir cualquier vivienda, tanto del ruido exterior como en separación entre viviendas (tanto en horizontal como en vertical). Un dato extraído de la misma, en un edificio destinado a residencia privada, en un dormitorio el nivel de inmisión de ruido recomendado es de 40 dBA durante el día, y 30 dBA durante la noche. Realmente si relacionamos la presión sonora con la frecuencia, se obtienen una serie de curvas, una de ellas las llamadas curvas NC (acrónimo en inglés de noise criteria), representan el nivel de ruido asociado a cada banda de octava entre 63 Hz y 8 KHz, sería más lógico hablar de la curva NC asociada a cada estancia.

      Se dice que una estancia cumple con una especificación NC si el nivel de ruido de fondo en cada banda de octava permanece por debajo del valor de la curva NC correspondiente. De todos modos hay que puntualizar que esta tarea es compleja de implementar, y generalmente cara. Como referencia, las instalaciones con mejor grado de insonorización (estudios de grabación, locutorios de radio, etc) no suelen bajar de un nivel de inmisión de ruido de 20 dBA (medido como nivel global de presión sonora, equivaldría a una NC 15), el cual es un nivel más que respetable. Para nuestras salas de audición lo recomendable (aunque difícil de conseguir la mayoría de las veces) sería que cumpliese una especificación entre NC 15 y 25, lo que equivale a un nivel de inmisión de ruido entre 28 y 38 dBA de nivel global.

      El porqué aislar del ruido que podamos emitir nosotros al exterior es obvio, sobre todo cuando vivimos en una comunidad de vecinos ¿Porqué aislarnos en caso de inmisión hacia nuestra sala? Igualmente obvio si del exterior tenemos fuentes generadoras de ruido elevadas (autovías, aeronaves, industrias, etc). Pero ¿tan importante es?

      Vamos a comentar por encima algunos aspectos de psicoacústica de un modo sencillo. Si tenemos un umbral de ruido de 50 dBA, cualquier sonido que reproduzcamos con un nivel igual o inferior a ese umbral, quedará enmascarado y nuestro sistema auditivo y cerebro no será capaz de distinguir o identificar claramente. La única solución es tener un umbral lo suficientemente bajo como para que cualquier sonido, por tenue que sea, que reproduzcamos en nuestro sistema no se vea enmascarado por el ruido de fondo.

      ¿Cómo llevamos a cabo esa insonorización? Para ello hay que considerar cómo se transmite el ruido y qué medios y métodos tenemos para atenuarlo. Lo primero, el ruido puede transmitirse vía aérea y estructural, esto es a través del aire o a través de la propia estructura del edificio. El principal problema es la transmisión estructural, a través de los elementos rígidos del edificio (pilares, tabiques, forjados, etc) ya que están todos irremediablemente en contacto entre todas las viviendas y cuanto más sólido es el medio de transmisión, más rápido viaja la onda sonora. Sobre métodos, basándose en la ley de masas, cuanto más denso (pesado) sea el medio delimitador (tabiques separadores, forjados entre plantas), mayor será la atenuación. Pero esto desde el punto de vista práctico en la construcción resultaría cuanto menos descabellado (para un aislamiento efectivo según marca la norma, sería tal el peso que soportaría la estructura del edificio que lo hace inviable, además de caro). Así que en la práctica se utilizan soluciones del tipo masa-resorte-masa que no es otra cosa que combinar estructuras rígidas con absorbentes en medio, de forma que con mucho menos espesor y peso, mejora el grado de aislamiento.

      Ahora solo queda llevar a la práctica todo ello. Así observamos que en un edificio de viviendas, para un grado de aislamiento realmente efectivo, pasa por construir una habitación dentro de otra (para exponerlo de una forma sencilla) de modo que se minimicen los contactos estructurales, utilizando materiales con varias capas (tipo tabiques de Pladur) que combinen un material absorbente entre dos capas rígidas (en la NBE-CA88 se exponen valores de atenuación con diversos materiales comunes de construcción, en paredes sencillas, dobles con cámara de aire, rellena la cámara de material absorbente, etc). También destacar que un problema añadido y que merece especial mención son las puertas y ventanas, al ser desde el punto de vista del aislamiento, elementos más débiles que la propia obra del edificio, aunque hoy día existen soluciones muy aceptables, aunque generalmente caras (carpinterías con rotura de puentes acústicos, cristales dobles, laminados, puertas con estructura sándwich, etc).

      Aunque hasta ahora no se ha mencionado, como todos los valores relacionados con el sonido, el grado de aislamiento está relacionado con la frecuencia, en realidad sería más lógico hablar de una curva de aislamiento en función de la frecuencia. Y relacionando la frecuencia con la energía que el sonido tiene y con la longitud de onda, es fácil deducir que el aislamiento resulta siempre más fácil lograr para altas frecuencias que para bajas.

      A efectos prácticos, aunque el acondicionamiento de la sala es algo muy distinto del aislamiento, siempre que coloquemos material absorbente dentro de la sala (techos acústicos, moquetas, cortinas, etc) además de disminuir el RT total de la sala (estamos absorbiendo parte de la energía que llevan las ondas sonoras) estaremos disminuyendo la energía que estamos irradiando hacia el exterior de nuestra sala (menos molestias para nuestros vecinos) sobre todo a altas frecuencias, ya que la energía que retiene el absorberse se transforma en calor dentro del mismo, no llegando con la señal de audio al exterior. Aunque repito, esto no deja de ser una solución parcial muy rudimentaria.

      En resumen, una buena insonorización resulta compleja y cara de implementar, pero nos asegura una baja inmisión y emisión de ruidos (del exterior hacia el interior y viceversa, respectivamente) cosa muy a tener en cuenta para obtener un umbral bajo, lo que nos asegura una correcta percepción en pasajes con una muy baja presión sonora, y no menos importante, por las buenas relaciones con los vecinos.

      ACONDICIONAMIENTO DE SALA; ABSORBENTES Y DIFUSORES

      Una vez que tenemos la sala, la hemos insonorizado, hemos ubicado los altavoces y el punto de escucha, nos quedan las reflexiones de las paredes, suelo y techo, que habremos de tratar igualmente.

      Siguiendo con lo que comentamos en el primer apartado, el rango donde debíamos estudiar las estacionarias de la sala y su cálculo, hay otras dos zonas de frecuencias que podíamos diferenciar por el distinto comportamiento que tienen las ondas sonoras y el distinto tratamiento por tanto que se hace de ellas. Desde la frecuencia más alta donde actúan las estacionarias y hasta cinco veces dicha frecuencia se denomina banda de transición, donde las ondas sonoras tienen un comportamiento de difracción, sería recomendable una buena difusión. Desde esta última frecuencia en adelante, las ondas sonoras se comportan como la luz (reflexiones especulares debido a sus relativas cortas longitudes de onda) y es en esta zona donde se determinan los puntos de primeras reflexiones y donde se utilizan los absorbentes (centrados en esos puntos de primeras reflexiones). A partir de este rango es donde generalmente utilizo y recomiendo difusión, por varios motivos; las proporciones del difusor son adecuadas para instalarlos en salas domésticas, e igualmente la difusión ayuda a mejorar la espacialidad de la escena sonora.

      Hablemos ahora sobre las reflexiones. Se consideran primarias aquellas que son de orden menor o igual a tres (se reflejan máximo en tres superficies antes de llegar al oído del oyente) y el oyente puede integrar como parte del sonido directo (según algunos estudios de psicoacústica, aquellos sonidos con un retardo menor de 50 ms, el cerebro los integra como parte del sonido directo, modificando el origen virtual o foco del sonido, efecto Haas), estas se estudian mediante la acústica geométrica, y se corrigen con los absorbentes (ver gráfica adjunta, reflexiones primarias de orden 1 en paredes). Las secundarias son de orden mayor que tres, tienen retardos mayores y el cerebro las percibe como independientes del sonido directo, son las reverberaciones y ecos, estos suelen presentar la misma energía en cualquier punto de la sala, por lo que su estudio se hace estadísticamente.

      Centrándonos en los materiales y mobiliario de la sala, conociendo los materiales empleados, sus superficies y unidades, buscando los mismos en tablas que nos indiquen sus coeficientes de absorción (realmente son curvas de absorción según la frecuencia), determinamos y modificamos el grado de absorción de la sala, y con ello el tiempo de reverberación RT (tiempo transcurrido desde que una señal deja de emitir hasta que esta decae 60 dB con respecto a la presión inicial). Generalmente el RT para salas domésticas debe oscilar en torno a los 0,6 segundos, y su relación con respecto al volumen de sala, a mayor volumen, mayor RT, en cuanto al grado de absorción, a mayor absorción, menor RT. Hay que diferenciar que para instalaciones de cine en casa se recomienda menor RT que para audio, básicamente por tener mayor contenido en diálogos, y un menor RT facilita la inteligibilidad de la palabra.

      Como vimos en el primer punto, la elección de la sala, ubicación de altavoces y oyente nos aportaba la solución a una respuesta de sala plana en bajas frecuencias, pero qué aporta la correcta absorción y difusión a medias y altas frecuencias, y cómo deben ser estos elementos de acondicionamiento.

      Los absorbentes son elementos que retienen parte de la energía de las ondas acústicas, haciendo que la onda reflejada salga con menos energía que la incidente, generalmente un absorbente comienza a ser efectivo a partir de la frecuencia cuyo ¼ de onda se corresponde con el espesor de dicho absorbente, o lo que es igual, a mayor espesor la frecuencia a la que comienza a absorber es menor. Otros aspectos que influyen en la elección del absorbente son su porosidad; a mayor porosidad la absorción será mayor. Y la densidad del mismo, cuanto mayor es igualmente lo será la absorción, aunque existen unos límites razonables, lo normal es que esa densidad esté entre 40 y 70 kg/m3 y por lo general que nunca supere los 100 kg/m3 (hay un límite en el que el absorbente dejaría de funcionar como tal, para volverse un reflector de las ondas sonoras que incidan en él). Hay otro factor a considerar, la separación del elemento absorbente de la superficie rígida situada tras el mismo (generalmente las paredes de la sala), si aumentamos dicha separación variamos la frecuencia efectiva del mismo, de modo que a mayor separación la frecuencia efectiva se hace menor en una proporción de d = ? / 4 (siendo d la distancia a la superficie rígida y ? la longitud de onda de la frecuencia efectiva).

      Se utilizan para mejorar y corregir la localización o escena sonora, su ubicación en salas domésticas se hace centrándolos en las reflexiones de orden 1 en las paredes laterales y techo (igualmente se suele utilizar en la pared frontal y suelo, aunque se podría combinar con difusión en la pared frontal, siempre desde el punto de vista del oyente), en párrafos anteriores ya se comentó el efecto Haas y su repercusión en esa localización.

      Los difusores son elementos con superficies irregulares que ayudan a reflejar el sonido en múltiples direcciones ayudando a la creación de un campo reverberante y mejorando la espacialidad o tridimensionalidad de la escena sonora. Su ubicación en salas domésticas es igualmente centrada en las reflexiones de orden 1 de las paredes trasera principalmente, y delantera.

      Los difusores están basados en la teoría de los números, desarrollada por el matemático alemán Manfred R. Schroeder a mediados del siglo XX, y se denominan genéricamente RPG (acrónimo en inglés de Reflection Phase Grating), siendo los más comunes los denominados MLS (Maximum Length Sequence), QRD (Quadratic Residue Diffusor) o PRD (Primitive Roof Diffusor), según el cálculo matemático empleado para hallar su secuencia numérica.

      Centrándonos en los QRD por ser uno de los más utilizados, los hay de dos tipos, unidimensionales y bidimensionales. Los más empleados a nivel práctico son los QRD unidimensionales. Consisten en una serie de ranuras rectangulares y paralelas separadas por paredes, de idéntica anchura y diferentes profundidades. La secuencia de profundidades se obtiene con una secuencia matemática repetitiva. Esta estructura ofrece una difusión en un ángulo de 180º y en el plano perpendicular a las ranuras. La secuencia numérica está basada en números primos, a partir de la siguiente expresión: