Cómo hacer una sonorización en espacios muy reverberantes y conseguir inteligibilidad

Hace unos días recibí una llamada de socorro de unos amigos y clientes que tenían una actuación en una iglesia esa misma tarde. Normalmente actúan en teatros o auditorios, por lo que una iglesia era un espacio inusual para ellos.

Pensaban hacer la sonorización con un par de cajas autoamplificadas de 12″ que tenían para cubrir el interior de una iglesia de unos 20 metros de largo y techos muy muy altos. Me llamaron a última hora para ver si les podía echar una mano con la sonorización. Y aunque con lo que me contaron por teléfono ya me imaginaba que no iba a poder hacer mucho, decidí acercarme a echar un vistazo.

En cuanto vi el material a utilizar y el espacio, supe que aquello iba a estar muy por debajo de los límites de la inteligibilidad. Y el resultado en cuanto a sonorización fue el esperado: baja inteligibilidad en el 80% del área del público, porque evidentemente el material no cumplía con las necesidades para un espacio tan exigente.

Parte del problema estaba aquí: lo que para mí era un espacio acústicamente complicado, ellos lo habían considerado un espacio sencillo, que iba a sonar muy bien, en el que prácticamente no hacía falta casi equipo de sonido ni personal técnico especializado.

Sin embargo, lo que sucedió es algo muy frecuente para personas no especializadas en acústica, que suelen afirmar cosas parecidas a esta: “En una iglesia no hace falta casi refuerzo de sonido, este espacio suena solo”. Y parte de razón tienen, claro.

En este tipo de espacios tenemos mucha reverberación, y cualquier ruido que generemos en estos recintos se verá notablemente amplificado gracias a las reflexiones. Sin embargo, esa amplificación y reverberación no indica que la palabra se vaya a entender: la inteligibilidad depende de otros factores.

Para entender cómo se comporta el sonido en este tipo de espacios, y cómo realizar sonorizaciones con ciertas probabilidades de éxito, debemos empezar por algunos conceptos fundamentales.

Campo directo, campo reverberante y distancia crítica.

En cualquier recinto, podemos diferenciar dos propagaciones distintas del sonido. Podemos hablar de sonido directo cuando el sonido llega directamente de la fuente sonora a los oídos del oyente. Y sonido reflejado cuando el sonido, antes de llegar al oyente, se ve reflejado en diferentes superficies del recinto.

En cualquier sala, al generar un sonido, escucharemos sonido directo y sonido reflejado, pero dependiendo de los materiales y las dimensiones de la sala, podremos tener más o menos sonido reflejado. Así que dependiendo de la sala, podremos diferenciar dos campos sonoros.

Sonido directo y sonido reflejado

Hablamos de campo directo cuando el nivel de sonido directo predomina frente al sonido reflejado. En esta zona, el nivel sonoro disminuye 6 dB cada vez que se dobla la distancia, igual que en el espacio abierto. Normalmente, en esta zona, la inteligibilidad suele ser buena.

El campo reverberante o difuso se dará cuando nos alejemos de la fuente sonora y lleguemos a un punto en que el sonido reflejado sea más fuerte que el sonido directo. En esta zona el nivel de presión sonora teóricamente se mantiene constante de un punto a otro.

Habrá también una zona de la sala donde tengamos la misma cantidad de sonido directo que de sonido reflejado. Es el punto que se conoce como distancia crítica.

Campo directo, campo reverberante y distancia crítica.

Campo directo, campo reverberante y distancia crítica.

Para conseguir inteligibilidad, es necesario que los oyentes estén dentro de la zona de campo directo. En el ejemplo que nos ocupa, las primeras filas de la iglesia tenían más sonido directo que reflejado, pues estaban cerca de los altavoces. Por tanto, estaban dentro del campo directo y tenían una buena inteligibilidad. El resto del público estaba en zona de campo reverberante. Al ser mayor el sonido reflejado que el sonido directo, escuchaban sonidos pero no entendían casi nada. Las consonantes, que tienen menos nivel que las vocales, se habían perdido entre tanta reverberación.

¿De qué depende la inteligibilidad?

La pérdida de inteligibilidad en un recinto va a depende de los siguientes factores:

  • Tiempo de reverberación: a mayores tiempos de reverberación, peor inteligibilidad.
  • Diferencia de nivel entre sonido directo y sonido reflejado: Si hay más nivel de sonido directo que reflejado, estaremos en campo directo y tendremos mejor inteligibilidad.
  • Distancia del oyente a la fuente sonora: Si el oyente está demasiado lejos de la fuente sonora, estará dentro del campo reverberante y tendrá peor inteligibilidad.
  • Relación entre el nivel de la fuente sonora y el ruido ambiente en la sala: Si el ruido ambiente de la sala es demasiado alto, puede generar enmascaramiento (sonidos indeseados que interfieren con el sonido que queremos escuchar).




Medidas de inteligibilidad: %ALcons y STI.

La inteligibilidad se puede medir y cuantificar en un recinto, de tal forma que podemos conocer de antemano si algo se va a escuchar adecuadamente. Existen diferentes métodos automatizados, y dos de ellos son %ALcons y STI.

%ALcons (Percentage Articulation Loss of Consonants), porcentaje de pérdida de articulación de consonantes: Se trata de un sistema que trata de medir el porcentaje de consonantes perdidas en la transmisión del sonido. Las consonantes desempeñan un papel mucho más importante en la inteligibilidad de un mensaje que las vocales, si las consonantes se oyen claramente, un mensaje se entiende fácilmente.

%ALcons nos indica la pérdida de definición de consonantes, y por tanto valores pequeños están asociados con una buena inteligibilidad (se pierden pocas consonantes).

Para calcular el porcentaje de pérdida de consonantes se utilizan mediciones de la relación de sonido directo a reverberante y del tiempo de caída. El valor %ALcons se indica como un tanto por ciento.

Se considera que el valor máximo aceptable de %Alcons para la inteligibilidad de mensajes de voz es del 10%, considerando que el ambiente está relativamente libre de ruido enmascarante.

Valores %ALcons y su relación con la inteligibilidad

Otro sistema de medición de la inteligibilidad complejo es el STI (Speech Transmission Index), que se basa en la generación y análisis de una señal de prueba artificial modulada en amplitud, que reemplaza la señal de la voz.

La degradación introducida por el ruido, la reverberación, etc., es medida por un equipo receptor y traducido en un índice de inteligibilidad. El valor va de 0 (ininteligible) a 1 (inteligibilidad perfecta).

El valor STI está directamente relacionado con %ALcons, tal y como podemos ver en esta gráfica:

Relación entre %ALcons y STI

Relación entre %ALcons y STI

Con Smaart v8 se pueden hacer mediciones de inteligibilidad basadas en la respuesta de impulso, y nos puede dar, entre otros, valores %ALcons y STI, tal y como podéis ver en la siguiente imagen, donde se muestran parámetros de inteligibilidad medidos en una iglesia (y por tanto, da mala inteligibilidad).

Parámetros de inteligibilidad en Smaart

Parámetros de inteligibilidad en Smaart

 

Diseñando un sistema de sonorización en un espacio muy reverberante.

Llegados a este punto, deberíamos tener claro que para conseguir inteligibilidad en un espacio reverberante, lo que debemos hacer es tratar de tener a todos los oyentes dentro del campo directo. Si están dentro del campo reverberante ya sabemos que la inteligibilidad de la voz no será buena.

La solución que mejor me ha funcionado habitualmente es situar muchas cajas a lo largo del espacio del público, y aplicar diferentes tiempos de retardo para conseguir que se comporten como una única fuente sonora, tal y como podemos ver en esta imagen:

Ejemplo de sonorización en iglesia

En este ejemplo, suponemos que la zona a cubrir es la que está de color naranja. Si únicamente situamos una pareja de altavoces, las primeras filas de público estarán dentro del campo directo (y escucharán de manera adecuada, con una inteligibilidad alta) y el resto quedarían en campo reverberante con mala inteligibilidad.

Para solucionar esto, vamos añadiendo altavoces donde se empieza a perder el campo directo, para recuperarlo. Pero a esos altavoces les añadimos un tiempo de retardo, para que la señal de todos los altavoces suene al mismo tiempo. Así mejoramos notablemente la claridad del mensaje.

En el ejemplo de la imagen, he supuesto que entre una pareja de altavoces y otra hay 10 metros. Por tanto, si al sonido le cuesta 2,94 milisegundos recorrer un metro (tomando como referencia 340m/seg) iremos aplicando los retardos correspondientes a cada pareja de altavoces.

Los resultados, con este tipo de diseño, son normalmente muy satisfactorios.

La foto que encabeza el artículo es de TitaVi.

Coeficiente de absorción acústica ¿existe con valores superiores a 1?

No hace mucho, en una de las clases que imparto, un alumno me enseñó los datos del fabricante de un material acústico en el que los valores de su coeficiente de absorción acústica eran, para algunas bandas de frecuencia, superior al valor 1.

Como yo les había explicado en clase que el coeficiente de absorción de un material era un valor que podía ir desde el 0 (nada absorbente) hasta el 1 (totalmente absorbente), el alumno me preguntó sorprendido cómo era posible que hubiese materiales con un coeficiente superior.

Como reconozco que no soy ningún experto en acústica (aunque me interesa mucho y últimamente leo todo lo que puedo sobre el tema), la verdad es que no le supe aclarar ese misterio en ese momento. Pero tras investigar un poco, encontré rápidamente la respuesta. Como me parece algo curioso y no demasiado conocido, lo quiero compartir con vosotros.

Así que hoy vamos a hablar sobre coeficientes de absorción acústica, pero empecemos por el principio…




La absorción acústica

Si entramos en una habitación vacía y generamos un sonido (damos una palmada, o simplemente hablamos), escucharemos ese sonido y sus múltiples reflexiones en las paredes. De una forma no demasiado técnica solemos decir que la habitación tiene “eco”: las paredes desnudas son muy reflectantes y muy poco absorbentes.

Si amueblamos esa habitación, o cubrimos con telas gruesas las paredes, al generar el mismo sonido notaremos que la escucha cambia: la energía sonora ha disminuído y ese “eco” ha desaparecido o al menos no está tan presente. Este fenómeno se debe a la absorción acústica, en este caso producida al añadir materiales absorbentes a la habitación.

Dependiendo del tipo de material que haya en las superficies de la habitación, las ondas sonoras van a ser más o menos absorbidas cuando choquen contra ellas.

Siempre que una onda sonora choca contra un obstáculo que separa dos medios (una pared, por ejemplo, ya que está entre un medio de transmisión de sonido como es el aire) ocurren tres fenómenos: absorción, reflexión y transmisión.

Parte de esa energía se reflejará en esa superficie. Otra parte se transformará en energía calorífica mediante el fenómeno que conocemos como absorción y una última parte será transmitida al medio contiguo al obstáculo (transmisión).

Proceso de absorción acústica.

Proceso de absorción acústica. Fuente: http://insonorizacionesacusticas.com/absorcion-acustica-en-la-insonorizacion.html

Cuando una onda sonora choca contra un obstáculo de un tamaño superior a su longitud de onda, una parte de la energía es absorbida, otra transmitida al medio contiguo y otra parte reflejada.

Coeficiente de absorción acústica

Para saber cómo de absorbente es un material utilizamos un valor que es el coeficiente de absorción acústica.

Podemos definir el coeficiente de absorción de un material como la relación entre la energía absorbida y la energía incidente por unidad de superficie. Es por este motivo que, teóricamente, el coeficiente de absorción acústica de un material siempre estará entre 0 y 1 (no es posible que haya más energía absorbida que energía incidente).

Un valor cercano a 1 indicará que ese material es muy absorbente y un valor cercano a 0 será muy poco absorbente.

Debido a que el coeficiente de absorción de un material varía en función de la frecuencia, se suele especificar a las frecuencias de 125, 250, 500, 1000, 2000 y 4000 Hz. Algunos fabricantes proporcionan estos coeficientes de absorción en 1/3 de octava.

¿Coeficientes de absorción mayores de 1?

Entonces, si el valor de los coeficientes de absorción está entre 0 y 1… ¿cómo es posible que en alguna ocasión nos encontremos con especificaciones técnicas de materiales con valores superiores a 1?

La solución al misterio está en la propia definición del coeficiente de absorción que hemos dado antes: relación entre la energía absorbida y la energía incidente por unidad de superficie. Y es la superficie la que va a generar esa especie de milagro que hace que un material pueda, en principio, absorber más energía de la que le llega.

Voy a tratar de explicarlo: El método más utilizado para medir el coeficiente de absorción acústica de materiales es lo que se conoce como el método de la sala reverberante.

Como ya sabemos, el tiempo de reverberación de una sala depende de la cantidad y tipo de material absorbente presente en su interior. Por tanto, simplificando mucho, es posible calcular el coeficiente de absorción acústica de un material si conocemos el tiempo de reverberación de la sala antes de añadir el material y medimos su respuesta después de añadir el material a analizar.

Normalmente, para este cálculo, lo que se hace es añadir unos 10m2 en el suelo de la sala con el material a analizar.

medición de coeficiente de absorción acústica

Medición típica de coeficiente de absorción de un material colocado en el suelo en una cámara reverberante. Fuente: http://www.akustikforschung.de/wp-content/uploads/2012/07/messung_schallabsorptionsgrad_schrankrueckwand_hallraum_02_ed3_ws.jpg

Las fórmulas matemáticas a utilizar serían las siguientes:

ΔA=0.16V(1/T2 – 1/T1), siendo T2 el tiempo de reverberación de la sala con el material a analizar y T1 el tiempo de reverberación con la sala vacía.

ΔA=S(α1-α0), siendo S el área del material medido en metros cuadrados, α1 el coeficiente de absorción del material a medir y α0 el coeficiente de absorción de la superficie tapada por el material a medir.

α1=α0+0,16V/S x (1/T2 – 1/T1)

Como podemos ver en las fórmulas, la superficie es algo importante para calcular el coeficiente de absorción.

Ahora bien, ¿qué puede suceder cuando el material a medir no es plano, es decir, tiene bastante grosor o incluso formas o rugosidades que hacen que ocupe más superficie que la que realmente ocupa en el suelo? Pues pueden pasar dos cosas: que se calcule cuanta superficie real está ocupando, o que simplemente se tome como superficie la cantidad de suelo que se tapa (superficie aparente), sin contar con que está ocupando una superficie mayor debido a su volumen.

En el primer caso, si contabilizamos la superficie REAL que ocupa el material, el coeficiente de absorción siempre estará entre 0 y 1.

Pero si se da el segundo caso, y simplemente se contabiliza la superficie aparente que ocupa, pero realmente está ocupando más, es cuando el coeficiente de absorción puede dar resultados ligeramente superiores al valor 1.

Un ejemplo de coeficiente de absorción superior a 1

Imaginemos que cubrimos 10m2 del suelo de la cámara de medición reverberante con unas placas de lana de roca de las que el fabricante nos da los siguientes datos:

  • Material
  • Lana de roca 100kg/m2 50mm
  • 125Hz
  • 0.19
  • 250Hz
  • 0.74
  • 500Hz
  • 0.95
  • 1000Hz
  • 0.98
  • 2000Hz
  • 0.96
  • 4000Hz
  • 1.04

Vemos como el coeficiente de absorción en 4000Hz es superior a 1. Pero también vemos que en este caso es un material con un grosor de 50mm, es decir, un grosor significativo que hace que realmente ese material ocupe más espacio debido a su volumen. Si cubrimos 10m2 con ese material, realmente la superficie ocupada sería de 10,7m2 en lugar de 10m2 (hay que tener en cuenta los 5 centímetros de grosor del material).

Por tanto, si se desprecia ese aumento de superficie es cuando los coeficientes de absorción pueden ser superiores a 1.

Este fenómeno en ocasiones se denomina efecto de borde o efecto de difracción, debido a que se produce por la difracción de onda en los bordes del material a medir.

Podéis encontrar información más detallada en este documento de la web de Sengpielaudio: http://www.sengpielaudio.com/AbsorptionsgradGroesserEins.pdf