Acople, realimentación o efecto Larsen entre micrófonos y altavoces

Sombríos son estos tiempos en los que el trabajo no abunda y además los que disfrutan de sus sueldos son trabajadores no cualificados. ¿Cuántas veces nos ha pasado el estar en una fiesta y que el sonidista de turno nos jodiera un bonito discurso, una gran actuación, un recital, un baile o incluso la propia música pinchada? Hoy os quiero explicar un error muy común en el mundo del sonido que parece ser que solo los ingenieros saben solucionar, pero que puede ser muy fácil para cualquier persona medianamente entendida. Estos trucos valen tanto para los que se hacen pasar por técnicos de sonido como para los oyentes que quieran vapulear/aconsejar a estos farsantes.

Hablaremos hoy del acople de un micrófono con un altavoz. Seguro que recordais incrustarse ese pitido que a veces suena en los conciertos, algo como esto:

(feedback de las pastillas de una guitarra)

Este desagradable sonido se produce por el efecto de realimentación (feedback en inglés) o retroalimentación o efecto Larsen, llamado así por su descubridor. El término realimentación se define como un proceso en el cual la información del pasado influye en un mismo fenómeno en el presente o el futuro. Este término abarca muchas disciplinas, tanto electrónicas, físicas, biológicas, como psicológicas. En todas subyace el mismo principio. En biología el efecto de realimentación podemos verlo con un manzano y sus manzanas:

El manzano no madura todas las manzanas por igual, pero cuando nosotros o las aves van a coger las manzanas sabemos que todas tienen un nivel de maduración similiar. ¿Cómo consigue esto el señor manzano? ¿Cómo es capaz de comunicarse con sus manzanas? El hecho de que todas maduren por igual es debido a que una de las manzanas ha madurado antes que las demás. Cuando la fruta está madura despide etileno, este etileno acelera el proceso de maduración de la fruta, si la manzana tiene otras tres manzanas verdes alrededor éstas se verán afectadas por el etileno de la manzana madura; a su vez cada una de esas nuevas manzanas maduras despedirá más etileno que provocará la maduración de las manzanas que tenga a su alrededor. Esto es:

- 1 manzana hace madurar 3 manzanas
- 3 manzanas hacen madurar 9 manzanas

- 9 manzanas hacen madurar 27 manzanas

y así sucesivamente.

Esto es un ejemplo biológico de realimentación positiva. En un ejemplo económico la realimentación serviría como sistema de control de ganancias. Por ejemplo:

Invertimos X dinero en un negocio. En un principio esperamos conseguir unas ganancias de 5000€ y diseñamos un diagrama de bloques con una realimentación que no permite que bajemos de esos 5000€, pero resulta que somos unos magníficos usureros y nuestras ganancias aumentan a 5500€. Ahora nuestra cantidad se renueva hasta los 5500€ siendo el nuevo objetivo. Si el sistema fuera de realimentación negativa y perdiéramos dinero el sistema se reajustaría para volver a llegar a los 5000€ y no seguir perdiendo dinero.

Pero a nosotros nos interesa el electrónico y más concretamente el sonoro. Aunque explicar en un post la realimentación sonora es una utopía, intentaré argüir algunos puntos sobre su funcionamiento para no solo quedarnos en lo más básico.

La realimentación es el efecto de sumar una señal de salida a su propia señal de entrada. Esto es como un sumatorio, entra una señal, atraviesa un determinado proceso, y esa señal procesada vuelve al principio del circuito para sumarse con la señal original, así hasta el infinito o hasta que las condiciones del sistema lo digan. Pero lo vemos más claro con un esquema:

Siendo un poco más técnicos decimos que el bloque sumador es el sumatorio de 'x' y 'z' en el instante 't' en un intervalo de menos inifito (-oo) e infinito (oo) y que además el procesado es una amplificación "A".

Y matemáticamente se obtiene que:

Lo que pasa sobre un escenario es lo siguiente:

1. Entra la señal 'x' al micrófono. La señal 'x' es la voz del cantante por ejemplo.
2. Esa señal llega a un circuito amplificador.
3. Sale de ese circuito amplificador a través de un altavoz. 
4. La señal amplificada que sale del altavoz se vuelve a introducir en el micrófono.

     :.
     :.
     n.  La señal amplificada junto con la señal de la voz vuelve a ser amplificada y sumada a las anteriores.

Entonces, ¿veis el proceso? Este es básicamente el problema que surge en los conciertos en directo. El problema es que los micrófonos se sitúan en lugares accesibles a los altavoces. Por tanto las señales amplificadas de los altavoces vuelven sin problema al circuito por el micrófono y crean el lazo de realimentación. Gracias a los dioses la realimentación infinita no existe, puesto que hay unos milisegundos de retardo entre que la señal sale de los altavoces y entra al micrófono, si no reventaría todo.

La cuestión es... ¿por qué si suenan baterías, guitarras y voces en vez de escucharlo todo amplificado el sonido que escuchamos es un pitido horrible?

Las razones son varias:

1. La frecuencia de resonancia en el micrófono, altavoces y el amplificador
2. La acústica de la sala (dimensiones y modos propios de vibración)
3. Los patrones de direccionalidad de los micrófonos, altavoces y pastillas
4. La distancia entre altavoces, micrófonos y pastillas

A - Quedémonos con que las frecuencias de resonancia son esenciales en este efecto. Pero, ¿qué son las frecuencias de resonancia? Se define como aquella frecuencia característica de un cuerpo o un sistema que alcanza el grado máximo de oscilación. En el micrófono caracteriza la membrana del micrófono, en el altavoz al diafragma del altavoz, en una sala a los modos propios. Esto quiere decir que cada uno de ellos tiene una forma natural de vibración en la que la energía es máxima. Veámoslo con el ejemplo de la copa de cristal que se rompe cuando alguien le grita:

- La copa tiene una frecuencia de resonancia concreta, si se excita la copa produciendo esa frecuencia el cristal de la copa vibrará con su máxima energía llegando a romperse. Si se hiciera con otra frecuencia la copa no se rompería.

Amplitud de los armónicos de una señal dividos en frecuencia

Significa esto que habrán ciertas frecuencias que al ser excitadas por los micrófonos y los altavoces entrarán en resonancia.

B - Lo mismo ocurre con los modos propios de una sala. En una sala se crean ondas estacionarias que son nada más y nada menos que las frecuencias de resonancia de la propia sala. Esto significa que si un grupo musical toca, entre otras, las frecuencias de resonancia de la sala, ésta amplificará dichas frecuencias.

C - La direccionalidad de un micrófono se conoce por su patrón polar. Un patrón polar indica a qué ángulos la excitación que se le aplica el micrófono es más efectiva. Por ejemplo, un micrófono con patrón polar omnidireccional reacciona a una excitación por igual en todos sus ángulos. Sin embargo uno con un patrón direccional más cerrado, como puede ser un hipercardiode, empezará a atenuar a partir de los 30º respecto de la perpendicular de la membrana.

Con esto podemos deducir que si el micro que se usa en un concierto tiene un patrón polar muy amplio, es muy sensible y además apunta en su grado cero a los bafles, la excitación será máxima y el acople también.

D - La presión del sonido cae 1/d en campo libre y la densidad espectral de potencia 1/d^2 en campo cerrado donde 'd' es la distancia del transductor acústico activo al pasivo. Por tanto tendremos que alejarlos tanto como podamos.

Dicho esto analicemos el problema. La ganancia de un sistema retroalimentado es:

Pero como cada vez la ganancia de la señal que entra es mayor la función de la ganancia será exponencial.

Ahora bien, las frecuencias de resonancia como sabemos tienen más energía que el resto y si crecen exponencialmente, su amplitud en unas pocas iteraciones será mucho mayor que el resto. La realimentación positiva e "infinita" de las frecuencias de resonancia de micros, altavoces y sala son las que producen esos tonos y pitidos tan molestos puesto que los sistemas sonoros radian más frecuencias altas y medias que bajas y con mayor energía.

FORMAS DE SOLUCIONARLO

Como conocemos el problema podemos dar una solución. Estas son algunas de las soluciones que ofrecen en la web de Arte Sonoro:

1- Usar micrófonos muy direccionales. Esto favorece la movilidad del micrófono respecto de los altavoces.

2- Evitar preamplificar demasiado la señal de los micrófonos.

3- Evitar orientar la parte más sensible del micrófono contra los altavoces y monitores. Normalmente a partir de los 135º y 225º, pues por la parte trasera no se recoge sonido a no ser que el micro sea omnidireccional o bidireccional.

4- Ecualizar la sala. Las frecuencias de resonancia de una sala no se pueden eliminar, pero lo que sí se puede hacer es atenuarlas. Para ello debes analizar espectralmente la sala haciéndola resonar para así averiguar sus modos propios y atenuarlos.

5- Los bafles SIEMPRE deben quedar por delante de los micrófonos.

6- Los monitores son los bafles que usan los músicos para oirse durante los conciertos. Estos pueden apuntar hacia los micrófonos y realimentarlos, por lo que se aconseja hacer un monitoraje vía "earphones" (auriculares que se colocan dentro del oído)

7- Utilizar controladores de realimentación. Aunque estos aparatos son la opción más cara.

Otro truco menos usual, pero también usado por algunos técnicos de sonido es introducir un retardo de algunos milisegundos para limitar el efecto de la realimentación puesto que las frecuencias no inciden unas sobre otras sino que se encuentran separadas en el tiempo.

Espero que en vuestros futuros conciertos os sirva.


Por Conde Chócula (Aresti)

Fuentes:
Arte Sonoro

http://en.wikipedia.org/wiki/Audio_feedback
Circuitos microelectrónicos