Altavoces de 3 vias Scan-Speak

Este es un proyecto que hice por el año 2007 y son hasta fecha de hoy los altavoces principales que utilizo, con diversas variaciones que he ido realizando a lo largo de los años y resumiré al final.

Las hice con objeto de sustituir unos recintos de 3 vías pasivos que había hecho anteriormente y a los que guardo un especial cariño. En aquella época, hace más de 15 años, utilicé los mejores drivers que me podía permitir, y a los cuales podía tener acceso. Serían unos Monacor con membrana de kevlar para el grave y el medio, y un tweteer de la misma marca con membrana de tela que tuve que encargar en una tienda local de componentes de electrónica y altavoces (donde solo se vendía Beyma). Fueron mis primeras cajas diseñadas por ordenador a partir de mediciones acústicas, y supusieron un gran aprendizaje en este campo tras los fracasos anteriores de utilizar kits de filtros pasivos con pendientes y cortes predeterminados.

Unos años después de finalizarlos, quise ir un paso más usando mejores drivers y filtrando en activo. Tras venderlas para tener algo más de presupuesto nació este proyecto del cual estoy escribiendo.

Primeros pasos

Primero establecí unas premisas básicas del proyecto:

• Por flexibilidad y para probar algo nuevo, diseño de 3 vías modular, es decir monitor de 2 vías + modulo de graves.
• Graves en caja cerrada con ecualización si fuese necesario.
• Centros acústicos alineados físicamente.
• Altavoces de calidad, con baja THD.

Teniendo mas o menos claros que es lo que quería, el siguiente paso sería seleccionar los altavoces y materiales para acometer el proyecto. El plantearse un sistema en activo da algo más de flexibilidad, pues es más sencillo de filtrar drivers con respuestas no perfectamente lineales o con distintas sensibilidades. Tras sopesar la oferta del mercado dentro del presupuesto establecido, y varias simulaciones previas, los elegidos fueron:

Agudos: Scan-Speak D2905-970000

Medios: Scan-Speak 15W-8530K00

Graves: Scan-Speak 25W-8565-01

El material para los recintos sería tablero de densidad media

Diseño del modulo de graves

Esta sería la parte más sencilla. Mediante WinISD o LapCAD se hace el cálculo de la respuesta según los litros de la caja. El altavoz seleccionado se comporta muy bien en este tipo de recintos y al tratarse de una unidad de 25cm con capacidad de potencia más que suficiente para un entorno doméstico, se podría ecualizar para conseguir una respuesta más extensa manteniendo la distorsión en limites aceptables. No entraré en los detalles del cálculo de la ecualización ya que se han expuesto en entradas previas como el diseño de los monitores y del subwoofer.

25W-8565-01 en caja cerrada de 50 litros sin ecualización

Diseño del monitor

El diseño del monitor fue un poco mas delicado. En primer lugar quería alinear los centros acústicos de medios y agudos. Por otra parte la posición de los drivers y forma del frontal producen unos efectos de difracción que afecta a la respuesta final. Decidí realizar varios prototipos rápidos para estudiar estos efectos. La distancia entre centros acústicos la determiné midiendo la diferencia entre los impulsos recibidos de ambos drivers en una medida semianecoica. La disposición física se estableció con cálculos previos con The Edge y posteriores pruebas.

Una de las ultimas versiones del prototipo

Diseño del conjunto

En este punto ya podía unir las partes y empezar a hacer un boceto de como quedaría en conjunto. Para ello emplee SolidWorks como herramienta de dibujo 3D. Utilicé una estructura tipo "matrix" para reforzar el interior y minimizar la vibración de los paneles.

Para acercar verticalmente los centros acústicos del agudo y del medio, el primero se mete por debajo del suplemento que he utilizado para alinear citados centros. Por tanto, este suplemento debe poder desmontarse, y para que no quedasen tornillos vistos decidí usar un embellecedor metálico montado de la forma que se muestra en este vídeo:

Cada altavoz va con una junta de goma realizada a medida para asegurar la estanqueidad y el buen acoplamiento con el frontal.

Todos los tornillos utilizados son de rosca métrica, para lo que se han insertado en la madera los casquillos correspondientes.

Para las conexiones externas decidí utilizar conectores Speakon Neu­trik en vez de bananas. Cuatro polos para el monitor, y dos para los graves. Es un sistema muy seguro, con buena conexión eléctrica y que impide cortocircuitos accidentales.

En cuanto al material empleado para la construcción de los recintos es tablero de densidad media hidrófugo, acabado con chapilla de madera natural para todas las caras, excepto los frontales que se pintaron a pistola con laca negra satinada. El interior se forró con tela asfáltica y paneles acústicos de fibra de poliéster.

Por último las puntas de desacoplo son también hechas a medida en acero inoxidable con regulación en altura

Construcción

Estas son algunas imágenes que guardo del proceso constructivo:

Altavoces terminados y orientados.

Diseño del filtro

Para esta parte crucial en el diseño de cualquier recinto, primero se hacen una serie de medidas anecoicas en la altura de escucha escogida. Muchos diseños proponen el eje del tweeter como punto de escucha. Yo lo situé en el punto medio entre el agudo y el medio, que corresponde aproximadamente con el final de la suspensión de este último. Por una simple razón de trigonometría, buscando una suma acústica más coherente independientemente de la distancia, de forma que este eje forme un triángulo isósceles con los centros acústicos alineados de cada driver.

Una vez disponemos de las medidas, éstas deben cargarse en el software de diseño, en este caso LspCAD. Ajustar los parámetros X.Y.Z de cada altavoz, y asegurase de que la suma acústica que el programa calcula corresponde con la realidad, haciendo una medida de comprobación de todos los drivers simultáneamente. Este proceso esta un poco más detallado en la entrada sobre los monitores de 2 vias, con lo que no volveré a repetirlo aquí.

El diseño se realizó con bloques de operacionales analógicos.

Respuesta simulada en LspCAD

El filtrado analogico

En esta imagen podemos ver el filtro ya realizado. Utilicé operacionales OPA2134, condensadores de de película de polipropileno y resistencias de film metálico del 1% de tolerancia. La fuente de alimentación es lineal estabilizada. También tiene la posibilidad de trabajar en modo dos vías por si se quisiese prescindir del módulo de graves y utilizarlo como monitor.

Y aquí podemos ver la función de transferencia durante el proceso de ajuste y verificación.

Por ultimo la medida real a 1 metro en condiciones semianecoicas, que muestra una enorme coincidencia con la simulada anteriormente en LspCAD

El resultado de este primer filtro fue muy bueno, consiguiendo un detalle en el rango vocal excepcional, agudos suaves pero presentes y un grave muy controlado. La imagen estéreo era todo lo bueno que cabía esperar en un salón no dedicado con una posición de las cajas y de punto de escucha lejos de ser las óptimas.

El filtrado digital

Posteriormente quise probar el filtrado digital, atraído sobre todo por la utilización de filtros de respuesta finita (FIR) y la posibilidad de realizar correcciones de sala. Este tipo de filtros permiten realizar cruces con elevadas pendientes de corte, lo que minimiza la zona de transición entre una vía y la siguiente, y además su respuesta puede ser de fase lineal. Debe tenerse en cuenta que este tipo de filtro cuando se trata de fase lineal produce un retardo constante de la señal directamente proporcional al número de muestras que se utilicen e inversamente proporcional a la frecuencia de muestreo. Si se necesita reproducir un contenido audiovisual debe tenerse en cuenta para mantener la sincronización entre el audio y el video en un margen aceptable. También podemos para esta situaciones hacer una versión con filtros de fase mínima o de respuesta infinita (IIR) que serían los equivalentes a los filtros analógicos, sin mas retardo que el propio procesamiento de la señal y con más flexibilidad que realizarlos mediante hardware.

Me replantee entonces un sistema de nuevo, a realizar en etapas:

1. Filtrado y corrección del sistema en entorno semianecoico con FIR e IIR. El objetivo sería dejar una respuesta plana con la compensación bafflestep estimada.
2. Integración del sistema corregido en la sala: Fase 1 - Corrección de la zona modal de la sala, que afecta a la zona grave hasta unos 150Hz.
3. Integración del sistema corregido en la sala: Fase 2 - Corrección de toda la banda con DRC.
4. Mejorar la experiencia de escucha a bajo volumen: Empleo de curvas como las expuestas en la norma  ISO226:2003 para compensar las escuchas a bajo SPL. Se trataría de una función similar al loudness de toda la vida pero de aplicación progresiva y dependiente del nivel de escucha.

En este punto he de hacer una observación. En cuanto a DRC no considero que la ecualización sea el santo grial de las integraciones con sala, y no sustituye al tratamiento acústico que se debe realizar, sino que sirven de apoyo y ambos deben ir de la mano. En mi caso, por no disponer de una sala dedicada el tratamiento pasivo que puedo realizar es muy limitado y por eso hasta la fecha solo me he centrado en la corrección de graves producidos por la zona modal que es quizás la parte menos delicada y más sencilla de realizar por software.

Para llevar a cabo la etapa 1 he utilizado los magníficos scripts de cálculo basados en Octave que el amigo Roberto ha publicado gratuitamente:

https://github.com/rripio/DSD

En estas imágenes podemos ver el resultado de corregir las tres vias, con filtros de 32K de longitud (taps) y 44.1KHz de frecuencia de muestreo en fase lineal

Estos filtros generados deben cargarse en una máquina capaz de procesarlos. He probado hasta la fecha dos soluciones:

• Construir un mini PC capaz de realizar tal tarea.
• Plataforma de minidsp OpenDRC-DA8

El FIRtro

La primera opción es mucho mas potente, ofrece mas funcionalidades y es mas flexible y adaptable a las necesidades particulares de cada instalación. Esta basado en linux, así que necesitaremos unos conocimientos mínimos en este campo para poder realizar la instalación y posterior configuración. Todo el proyecto, en el cual participo, se ha portado a github y esta disponible para cualquiera:

https://github.com/AudioHumLab/FIRtro
https://github.com/AudioHumLab/FIRtro/wiki/01---Introducci%C3%B3n

Y su evolución:

https://github.com/rripio/pre.di.c

La máquina que construí esta basada en un procesador Atom D525 @ 1.80GHz, y una tarjeta de sonido Asus de 6 canales. Procesa 8 convoluciones con filtros de 32K taps en 64 particiones de 512B, manteniendo una latencia muy ajustada con un consumo que no alcanza el 40%. Además de su tarea principal sirve como servidor de música, cliente Spotify, reproductor Airplay, etc.

Es también posible implementarla en máquinas más modestas como una Raspberry PI, con potencia suficiente para procesar hasta 2 vias.

No entraré en muchos más detalles ya que toda la documentación esta disponible en los enlaces arriba especificados.

OpenDRC-DA8

Esta opción comercial, mucho menos potente que la anterior esta basada en un procesador Sharc ADSP21369, y permite procesar filtros FIR de fase mínima y lineal, así como IIR. Mas cortos y con menos potencia de cálculo que los permite un ordenador, y sin todo el software adicional. A su favor he de decir que se trata de una máquina versátil, con buena relación calidad precio, una interfaz muy intuitiva y con capacidad suficiente para implementar un sistema de 3 vias completo. Tuve la oportunidad de probarlo y que mejor forma que intentar portar mi filtrado. Este modelo solo dispone de una entrada digital SPDIF, pero es posible añadirle una entrada adicional analógica conectado una tarjeta AN-FP a través de I2S.

En primer lugar comentaré brevemente las secciones principales de las que dispone y el uso que haremos de cada una de ella.

Inputs

Aquí definiremos la ganancia de la entrada, así como los filtros paramétricos (PEQ) genéricos, que podemos utilizar para la corrección de sala.

Routing

En esta matriz podemos asignar entradas a salidas, según la configuración que se desee

Outputs

Es la sección donde asignaremos la ganancia, cortes, filtros paramétricos, filtros FIR y delay para cada via. También disponemos de otras funciones como un compresor. Nótese que los canales 1 y 2 tienen un delay alto debido a la diferencia de longitud en los filtros utilizados, tal y como se comentará próximamente.

Configuration Selection

Podremos almacenar hasta 4 configuraciones distintas, seleccionables desde la barra superior del plugin, el encoder externo o bien con el mando a distancia.

Antes de empezar a configurar nada, debemos establecer al frecuencia de muestreo a la cual trabajar. Este parámetro incide directamente en la capacidad de procesamiento de los filtros FIR. Disponemos son un total de 9400 taps a 48KHz y 3400 a 96KHz. Aunque 96KHz es técnicamente superior, prefiero utilizar 48KHz y disponer de mas taps. Esta longitud es muy inferior a la que estaba utilizando, pero es perfectamente posible realizar filtros con una precisión aceptable como veremos a continuación.

Después debemos decidir que tipo de filtro usaremos para cada cosa. Realizaré con filtrado FIR de fase lineal los cortes y la corrección de cada una de las vías, y la posterior ecualización y corrección de graves con IIR. A la hora de distribuir los taps disponibles entre los distintos cortes hay que tener en cuenta que a frecuencias mas graves, necesitaremos mas longitud para mantener un mínimo de precisión. De esta manera he dejado 2048 taps para la via de graves y de medios, y 512 para agudos. Debe tenerse en cuenta que debido al retraso que producen este tipo de filtros, ha de compensarse con un delay la via con menos longitud. El cálculo de la compensación es sencillo. Partiendo que el pico del impulso está centrado, y la frecuencia de muestreo es de 48KHz, la diferencia en tiempo será (1024-256)/48000 = 16ms. De esta forma conseguiremos un retardo homogéneo de 1024/48000=21,3ms

En estas imágenes podemos ver los filtros FIR adaptados a la nueva frecuencia de muestreo y longitud. Aun siendo mucho mas cortos, tienen una resolución y una pendiente de corte aceptables

A modo de ejemplo, se muestra uno de estos filtros cargado ya en el DSP:

El ecualizador paramétrico de la via de graves la he utilizado para extender la respuesta en frecuencia con una transformada de linkwitz, tal y como lo había hecho en la versión analógica. En el apartado "Xover" puede ponerse un paso altos para salvaguardar la integridad mecánica del altavoz a frecuencias subsónicas.

En la sección "Inputs" he utilizado los PEQ genéricos para corregir los modos de la sala en el punto de escucha, calculados con REW a base de promediar varias medidas en el área de escucha (lo que ha proporcionado mejores resultados que una única medida). Es interesante el método MMM para este fin, básicamente se trata de mover el micro lentamente en la zona mientras se van promediando las medidas automáticamente en modo RTA. También he añadido un filtro para hacer una compensación a modo de house curve.

Queda pendiente realizar un DRC completo de toda la banda, sigo trabajando en la mejor fórmula de obtener buenos resultados con el poco tratamiento acústico que puedo añadir, y espero poder adentrarme mas en este tema en alguna futura entrada. De momento el tener los modos bajo control, y además disponer de un loudness proporcional al volumen de escucha ha supuesto un gran avance.