Procesamiento de Señales de Audio: Transferencia, Filtros, Latencia y Suma Acústica

Función de Transferencia

La función de transferencia describe la comparación entre la señal de salida y la señal de entrada de un sistema.

• Transferencia de Magnitud: Compara la magnitud (amplitud) de la salida respecto a la entrada en función de la frecuencia.
• Transferencia de Fase: Compara la fase relativa entre las dos señales. Si la pendiente de la fase es descendente, indica un retraso; si es ascendente, indica un adelanto en la medición.

Crossover (Divisor de Frecuencias)

Los crossovers dividen la señal de audio en diferentes bandas de frecuencia para enviarlas a altavoces específicos.

• Crossover Activo: Se coloca antes del amplificador de potencia.
• Crossover Pasivo: Se coloca después de la etapa de potencia.

Orden del Filtro

El orden del filtro hace referencia al número de elementos reactivos (condensadores, inductores) que contiene. Afecta directamente a:

• Pendiente de Atenuación: Cada orden añade -6 dB por octava de atenuación fuera de la banda de paso.
• Desfase: Cada orden introduce un desfase de 45 grados en la frecuencia de corte.

Tipos de Filtros Comunes (en la frecuencia de corte):

• Butterworth (BUT): Atenuación de -3 dB.
• Linkwitz-Riley (LR): Atenuación de -6 dB.
• Bessel (Bess): Atenuación variable, prioriza la respuesta transitoria.

Filtros Digitales

Los filtros digitales pueden afectar la fase y siempre introducen cierta latencia.

• FIR (Finite Impulse Response):
  • Ofrecen fase lineal (no alteran la relación de fase entre frecuencias).
  • Tienen latencia fija, que aumenta con el orden del filtro y disminuye con la frecuencia de corte (mayor latencia a menor frecuencia de corte para un orden dado).
  • Se utilizan comúnmente en altavoces que no reproducen frecuencias graves (medios y agudos), donde la latencia es menos problemática.
• IIR (Infinite Impulse Response):
  • Tienen muy baja latencia (o ninguna, teóricamente).
  • Alteran la fase de la señal (similar a los filtros analógicos).

Latencia

La latencia (retraso) se mide utilizando una señal de impulso (una señal de muy corta duración). Esta medición proporciona información sobre:

• Retraso Temporal: Si no hay retraso, el impulso aparece al inicio del eje temporal. Un retraso desplaza el impulso hacia la derecha; un adelanto (poco común en sistemas físicos) lo desplazaría a la izquierda.
• Polaridad: Un pico del impulso hacia arriba indica polaridad positiva. Un pico hacia abajo indica una inversión de polaridad.

Suma Acústica

La suma acústica se refiere a cómo se combinan las presiones sonoras de diferentes fuentes en un punto del espacio.

Filtro Peine (Comb Filter)

Ocurre cuando una señal se suma con una versión retrasada de sí misma (por ejemplo, sonido directo más una reflexión). Un retraso de 1 ms produce:

• Primer desfase de 90° a 250 Hz (suma parcial).
• Primer desfase de 180° a 500 Hz (cancelación).
• Primer desfase de 360° (0°) a 1 kHz (refuerzo).
• Desfase de 720° (0°) a 2 kHz (refuerzo).

Generalmente, se producen refuerzos en los múltiplos enteros de la frecuencia fundamental (1/retraso, en este caso 1 kHz) y cancelaciones en los múltiplos impares de la mitad de la frecuencia fundamental (en este caso, 500 Hz, 1.5 kHz, 2.5 kHz...).

Suma en el Crossover

La forma en que se suman las señales de dos vías en la frecuencia de cruce depende de sus niveles relativos y su diferencia de fase:

• Si los niveles son distintos, la suma se verá dominada por la señal de mayor nivel.
• Interferencia Constructiva/Destructiva por Fase:
  • Entre 0° y 90° de diferencia de fase: Suma de señal (máxima en 0°).
  • Si se superan los 120° de diferencia de fase: Atenuaciones significativas.
  • A 180° de diferencia de fase: Cancelación teórica total (si los niveles son idénticos).

Tipos de Suma en Crossover (según espectro):

• Crossover Alineado (Aligned Crossover): Frecuencia y nivel iguales en el punto de cruce, con fase relativa de 0°. Esto resulta en una atenuación de -6 dB en la frecuencia de cruce para cada vía, logrando una respuesta en frecuencia plana en la suma.
• Crossover Solapado (Overlapping Crossover): La suma se realiza con una diferencia de nivel menor a 6 dB en el punto de cruce (resulta en un pico en la respuesta sumada).
• Crossover Espaciado (Spaced Crossover): La suma se realiza con una diferencia de nivel superior a 6 dB en el punto de cruce (resulta en un valle en la respuesta sumada).

Relación Fase y Nivel de Suma

Para dos señales idénticas sumadas con diferentes fases relativas:

• 0°: Suma de +6 dB
• 90°: Suma de +3 dB
• 120°: Suma de 0 dB (nivel original)
• 150°: Atenuación de -6 dB
• 180°: Cancelación total (-infinito dB)

Suma de Señales Incoherentes

Dos señales idénticas generadas por fuentes distintas (y por lo tanto, no coherentes en fase) no suman +6 dB. En su lugar, la suma de sus potencias resulta en un aumento de +3 dB respecto a una sola fuente. Esto se calcula mediante la raíz cuadrada de la suma de los valores cuadráticos individuales (suma RMS).

Rizado (Ripple)

El rizado en la respuesta en frecuencia es la diferencia en dB entre los picos (máximos) y valles (mínimos) cercanos. Si la diferencia de nivel entre la señal directa y las reflexiones tempranas es importante, el nivel de rizado aumentará.

El rizado se puede medir y analizar utilizando la Curva de Energía de Tiempo (ETC - Energy Time Curve), que permite visualizar la separación temporal entre el sonido directo y las reflexiones, así como sus niveles relativos.

Como menciona Bob McCarthy, en la interacción entre señales (como directo y reflejado), la amplitud relativa fija la 'apuesta' (el máximo rizado posible) y la fase relativa decide el 'ganador' (dónde ocurren exactamente los picos y valles).