Electronics on Matias Di Bernardo

Algoritmo de optimización modal para recintos pequeños

Thu, 26 Jun 2025 00:00:00 +0000

Este trabajo se desarrollo en el contexto de la materia Instrumentos y Mediciones Acústicas en UNTREF Argentina.

Introducción

Las salas de control y los entornos de escucha crítica a menudo sufren de respuestas acústicas irregulares en bajas frecuencias. Estas irregularidades, causadas por una distribución dispersa de los modos de vibración, generan “coloraciones” que dificultan una evaluación sonora precisa. Tradicionalmente, se han utilizado criterios como los de Bonello, Bolt y Louden para optimizar la geometría de salas rectangulares y mejorar la distribución modal. Sin embargo, estas metodologías no consideran la influencia de contornos complejos ni la ubicación de la fuente y el oyente.

Este trabajo presenta una herramienta de código abierto desarrollada en Python/FEniCS que aborda estas limitaciones. El software utiliza la optimización geométrica por fuerza bruta sobre modelos de elementos finitos (FEM) para encontrar dimensiones y contornos de sala que proporcionen una distribución modal más uniforme.

Marco Teórico y Criterios Clásicos

El comportamiento de las bajas frecuencias en un recinto está dominado por las ondas estacionarias, o modos normales, que se caracterizan por nodos y antinodos de presión. Los modos axiales, tangenciales y oblicuos, cuyas frecuencias dependen de las dimensiones de la sala, pueden generar problemas de coloración si se agrupan.

Los criterios clásicos de diseño, como los de Bolt, Bonello y Louden, se centran en evitar agrupamientos modales y proponen proporciones geométricas óptimas para salas rectangulares. Sin embargo, estos enfoques tienen una limitación importante: no consideran factores cruciales como la posición de la fuente sonora y el receptor, y están restringidos a geometrías simples.

Metodología y Desarrollo del Software

La herramienta desarrollada combina un proceso de optimización en dos etapas.

Búsqueda Inicial: Primero, el software realiza una búsqueda rápida en geometrías de paralelepípedos rectangulares utilizando el método clásico de superposición modal (SM) para identificar las proporciones geométricas iniciales más prometedoras.
Refinamiento y Optimización: Luego, refina la búsqueda generando contornos planarios aleatorios con simetría forzada y aplica el Método de Elementos Finitos en el dominio de la Frecuencia (FD-FEM) para evaluar el mérito acústico de geometrías complejas. Este método es más preciso que la superposición modal para geometrías no rectangulares.

Para cuantificar el rendimiento acústico, se utiliza una figura de mérito combinada: la Desviación Media del Campo Sonoro (MSFD). Esta métrica integra dos parámetros clave:

Desviación de Magnitud (MD): Mide cuán plana es la respuesta en frecuencia en una posición específica.
Desviación Espacial (SD): Mide la variación de la magnitud a lo largo del área de escucha.

La herramienta cuenta con una interfaz gráfica (GUI) en PyQt5 que permite al usuario definir las dimensiones, márgenes y posiciones de fuente y receptor, y visualizar los resultados y las geometrías optimizadas.

Resultados y Conclusiones

Los estudios de caso en tres volúmenes de salas de control de referencia mostraron mejoras de MSFD de hasta 5 dB en comparación con el diseño base. Los resultados demuestran que:

Impacto de los Márgenes: A medida que se aumenta el espacio disponible para la optimización, se obtienen mejores resultados, mejorando la respuesta general en hasta 3 dB. Esta mejora se observa principalmente en la desviación de magnitud (MD).

Geometrías Complejas: El aumento de la cantidad de paredes en la geometría compleja permite obtener soluciones superiores a las de los paralelepípedos simples, con una diferencia media de 1.3 dB en el factor de mérito. El proceso de optimización no produce una única solución, sino una variedad de geometrías que presentan un mínimo de MSFD.

Comparación con Criterios Tradicionales: Una geometría optimizada compleja superó a las salas con dimensiones basadas en los criterios clásicos de Bolt, Louden y Cox. Aunque estos criterios son efectivos y de costo computacional nulo, la capacidad del software para modelar geometrías complejas y considerar la ubicación de fuentes y receptores provee una condición superior.

El estudio concluye que el software es una herramienta efectiva para la optimización de la acústica modal. Se sugieren mejoras futuras como la implementación de algoritmos de optimización más avanzados, como algoritmos genéticos, para reducir el tiempo de cálculo y mejorar la eficiencia del proceso.

Un análisis detallado del desarrollo de este algoritmo está disponible en el siguiente trabajo.

Medidor de THD+N

Tue, 26 Nov 2024 00:00:00 +0000

Medidor THD+N

Un medidor de THD+N mide la distorsión armónica de un dispositivo. En audio, esto es crucial para evaluar la calidad del equipo. Este proyecto fue desarrollado como parte de la asignatura “Instrumentos y Mediciones Electrónicas” en UNTREF. En este curso, los estudiantes diseñan y desarrollan diversos instrumentos electrónicos, y los proyectos son continuados por grupos sucesivos de estudiantes. Este proyecto en particular ya estaba en marcha, y nuestro enfoque fue desarrollar un desfasador para alinear dos señales.

Teoría sobre como medición de THD

Para medir la distorsión de un sistema, se introduce una señal sinusoidal con la menor distorsión posible al dispositivo bajo prueba. El objetivo es evaluar cuánta distorsión agrega el dispositivo a la señal. Esto se cuantifica midiendo la potencia de la señal original y la potencia de la señal después de pasar por el dispositivo, excluyendo la armónica fundamental.

Un amplificador diferencial se utiliza para restar la señal de salida del dispositivo de la señal de referencia, dejando solo las armónicas de orden superior.

El THD+N se calcula luego como un porcentaje usando la siguiente ecuación:

$$ THD+N = \frac{V_{filt}}{V_{tot}} \cdot 100 $$

Donde: $V_{filt}$ es el valor RMS de la señal filtrada (excluyendo la armónica fundamental). $V_{tot}$ es el valor RMS de la señal original.

Desfasador

Para lograr una cancelación efectiva en la sección diferencial, se requieren ajustes precisos de fase y ganancia de las dos señales. El ajuste de ganancia había sido implementado con éxito por el grupo anterior que trabajó en el proyecto. Sin embargo, lograr la rotación de fase necesaria de 360 grados en toda la gama de frecuencias audibles (20 Hz a 20 kHz) presentó un desafío.

Para abordar este problema, diseñamos dos filtros pasa-todo en serie y calculamos los valores de los componentes para lograr la rotación de fase deseada en el rango de frecuencias objetivo.

El diseño fue modular para facilitar la integración con las etapas anteriores.

Probamos el circuito en un protoboard antes de diseñar la PCB utilizando Altium Designer.

El dispositivo

El dispositivo cuenta con varios controles para ajustar la fase y la ganancia. Tanto los ajustes de fase como de ganancia incluyen potenciómetros de ajuste fino para garantizar la máxima precisión.

‹

›

Está equipado con entradas y salidas BNC, lo que permite a los usuarios visualizar la salida en un osciloscopio y lograr la máxima atenuación.

Resultados

Este dispositivo se comparó con un medidor de THD comercial (GW INSTEK GAD-201G), y los resultados fueron muy similares. La principal limitación fue el nivel de ruido base del entorno de medición, que restringió significativamente el valor más bajo de THD que pudimos medir.

Las especificaciones del dispositivo se resumen en la siguiente tabla (en español):

Un análisis detallado del dispositivo está disponible en este informe.

Construcción y diseño de un altoparlante personal

Wed, 20 Nov 2024 00:00:00 +0000

“BassAdo” un parlante hogareño semi portable de bajo costo

Este proyecto se enmarca en la materia Electroacústica II en UNTREF de la carrera Ingeniería de Sonido. La tarea era diseñar desde cero un altoparlante aplicando la teoría y conceptos explicados en clase. El trabajo se fue desarrollando durante todo el cuatrimestre con diferentes etapas a completar que se tenían que presentar con un informe. El parlante esta pensado para ser usado en un espacio grande, puede ser al aire libre, para poner música en un entorno de reunión. Se lo denomino Bassado para combinar el asado (típica comida argentina donde la gente se reune) y la palabra bass, enfatizando la característica del altoparlante.

Diseño

El objetivo es diseñar un sistema de audio hogareño con prestaciones accesibles, que permita explorar temas de interés abordados en la materia. El diseño busca lograr una predominancia en graves, característica de los sistemas comerciales, priorizando la extensión del ancho de banda en bajas frecuencias por encima de un bajo retardo de grupo y control temporal del sistema.

Con respecto a los transductores a utilizar, el equipo contaba con unidades de la marca Yharo, que se pueden clasificar como no profesionales, consumidor-aficionado, con posibles aplicaciones en automóviles y/o sistemas hogareños. Se evalúa la respuesta en impedancia de los mismos y se selecciona un Woofer de 8” para cubrir la sección de bajas frecuencias, y dos de 4” para el rango de medias/altas.

Al medir los parámetros de Thielle-Small de los altoparlantes se encuentra que tiene un Vas (Volumen Acústico Equivalente de Suspensión) muy alto, lo que requiere realizar un gabinete con mucho volumen para tener un buen control. Para solucionar este problema y dado la posibilidad de que se contaba con 2 Woofers de 8”, se decide hacer un altoparlante del tipo isobárico, colocando los 2 Woofers en serie acústicamente, para que tengan mayor control y poder hacer más chico el gabinete. Además, va a ser un gabinete ventilado para tener mejor respuesta en bajas.

La respuesta de los altoparlantes (paráemtros TS) fue obtenida en el software REW. Con esos parámetros, se simula en el software Basta! y se optimizan los parámetros para obtener la respuesta deseada. Lo principal fue sintonizar la frecuencia de resonancia del port, ya que el objetivo del altoparlante era tener una buena respuesta en bajas. El transductor tenía una fs en 45 Hz, y se busca sintonizar el port en 40 Hz controlando el largo del tubo y el volumen de aire del gabinete.

En base a estos resultados, se hace un modelo 3D del gabinete en el software SolidWorks con el que se manda a cortar las maderas para poder construir el gabinete.

El detalle de todo este proceso esta documentado en el siguiente informe de diseño.

Construcción

Se mandaron a realizar los cortes a las maderas para hacer el gabinete según el modelo 3D y se realiza el ensamblado.

‹

›

Como se puede ver en las imágenes, se agregó lana de roca para hacer de absorbente acústico. Al realizar las mediciones nos dimos cuenta de que fue demasiado (la resonancia del port quedaba muy amortiguada) pero se le pudo sacar lana de roca hasta lograr el resultado deseado.

Medición y Calibración

Se realizaron mediciones de respuesta en frecuencia y de directividad en el laboratorio de la universidad, teníamos a disposición el siguiente equipamiento:

Potencia Powersoft M50Q
Micrófono Earthworks M50
Placa de Audio RME Fireface UCX
Mesa Giratoria OUTLINE ET250-3D

Con estas prestaciones y utilizando el software Arta, se pudo caracterizar la respuesta acústica de los transductores por separado (lo cual nos va a servir para simular los filtros de cruze). También se evalúa la respuesta directiva en el eje vertical y el horizontal para poder determinar cual es la mejor disposición para utilizar el dispositivo. Se realizaron gráficos de la respuesta para los dos transductores.

Todas las respuestas y el análisis en profundidad se encuentran en el siguiente informe de medición.

Diseño de filtro de cruce

Por último, se diseña la etapa del filtro de curce. Con las mediciones realizadas previamente, se subieron los datos al software VituixCad. El objetivo del filtro de cruce es lograr una respuesta en frecuencia que suene agradable al reproducir un programa músical y que realce las bajas frecuencias. Se busca también, la mayor homogeneidad en la respuesta polar vertical.

Como se va utilizar una etapa de potencia que requiere alimentación, se va a realizar un filtro de cruce activo con la topología Sallen-Key. Se definen una cantidad de filtros según el espacio y el costo y se realizan los ajustes en el software para obtener la respuesta deseada. Por ejemplo, para los drivers de baja frecuencia se realizó el siguiente arreglo:

Donde:

F1: Pasa altos fs=30 Hz | Q=0.67
F2: Pasa bajos fs=480 Hz | Q=0.5
F3: Elimina Banda 220 Hz
F4: Elimina Banda 400 x Hz

Antes de realizar el filtro, se probó la configuración planteada con un filtro digital para evaluar de forma práctica la respuesta del sistema según el diseño planteado. Todos los detalles de esta sección estan plasmados en el siguiente informe de filtro de cruce.

Conclusiones

Con este trabajo, pudimos bajar muchos conceptos teóricos a la práctica y entender con más profundidad como es el desarrollo y los desafíos en un diseño de un sistema electroacústico.