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Ajuste de fase dos subwoofers com as altas (Parte 1)

05.01.2017

 

INTRODUÇÃO

 

Os sistemas de medição portáteis baseados na transformada rápida de Fourier tem permitido que possamos ajustar as fases entre altas e subgraves tanto em instalações fixas quanto em concertos , ainda que cada dia tenhamos uma situação diferente. Isto tem total importância já que os médio-agudos são pendurados em muitas ocasiões e os subgraves ficam no chão.  Com isto a diferença de fases na posição de escuta pode chegar a ser significativa. Vendo que este é um tema de interesse para os usuários , e os benefícios que traz , pareceu interessante escrever um artigo que descrevesse o processo de medição passo a passo. Antes de ver o procedimento iremos rever o conceito de fase.

 

POLARIDADE E FASE

 

A polaridade tem valores fixos , quer dizer , tem somente duas possibilidades de valores que são positivo e negativo. A polaridade não depende da frequência , e se inverte pelo erro quando se conecta ao contrário os cabos no alto falante , quando temos um cabo de sinal com o pino 2 e 3 invertidos , ou quando inadvertidamente se inverte a via no processador de sinal. Em outras ocasiões essa inversão de polaridade se faz de propósito , sobre tudo quando a separação de frequências se faz com um filtro passivo.

A fase pode ter qualquer valor em graus , tem valores contínuos. Se queremos saber como é a resposta de fase de um alto falante necessitaremos medi-la.

Ao longo deste artigo veremos medições feitas com SATLive. As curvas de fase serão representadas na parte inferior , enquanto que a resposta de amplitude será representada na parte superior. Na figura 1 podemos ver na cor azul a típica curva de fase de um subgrave , e na cor verde o resultado quando se inverte a polaridade. Se vê claramente um deslocamento de 180° em todas as frequências.

 

 

Fig1.  Comparação das curvas de um subgrave , uma com polaridade invertida em relação a outra.

 

Fazer uma medição da fase dos nossos sistemas e tê-la como referencia poderá ser útil para comprovar que depois de uma correção não se tenha cometido nenhum erro de conexão nos alto-falantes. Posto que se trata unicamente de fazer uma comparação , qualquer posição de medição que possa facilmente ser repetida basta. Por exemplo , podemos colocar o microfone no centro da caixa e mais perto da grade. Esta é uma posição que pode ser facilmente repetida e o ambiente não contaminará a medição.

 

O QUE FAZ A FASE VARIAR

 

Qualquer variação da resposta de amplitude de um equipamento tem efeito na resposta de fase. Por exemplo , quando acrescentamos uma equalização estamos variando também a curva de fase. Na figura 2 podemos ver o efeito de um filtro paramétrico centrado em 5,04 Khz , com uma largura de banda de 0,42 Oitava e um ganho de +10dB na via de agudos do processador. A fase aumenta antes da frequência que atuamos e diminui apenas depois.

Fig2. Na curva verde se vê o efeito que um filtro paramétrico tem sobre a fase.

 

Já que a equalização afeta a fase , as saídas de um processador não deveriam ser equalizadas uma vez que se fez o ajuste de fases entre as vias. Especialmente perto das frequências de corte. Se fizermos isto estaremos variando também a fase da via que equalizamos , com isto afetaremos a relação entre fases que é o que ajustamos quando acrescentamos atrasos. Equalizar antes do crossover ( em um equalizador gráfico , na console ou até mesmo na entrada do processador ) não causará nenhum desajuste entre as vias porque nesta etapa as bandas de cada via não foram ainda separadas.

 

Acrescentar atraso em uma via faz com que ela se desloque fisicamente para trás ( como seria o caso se distanciássemos os subgraves do microfone de medição ) e tem o mesmo efeito sobre a curva de fase. Na figura 3podemos ver como varia a fase quando acrescentamos atraso nas caixas de médio-agudos. A curva azul é da caixa antes de atrasa-la , e a verde é o resultado de acrescentarmos 0,0313ms  ( Diferença de tempo= 0,0313ms) . O aumento da fase se relaciona com o atraso como podemos calcular na equação :

 

Diferença de tempo x frequência x 360°

 

Como se vê claramente o aumento da fase depende da frequência e do tempo de atraso que acrescentamos. Como o atraso se acrescenta a toda via , o aumento de fase será maior quanto maior for a frequência , ou seja , quanto menor for o período. Na figura 3 podemos ver como a diferença de fase entre ambas as curvas é maior nas frequências mais altas.

Fig3. Quando acrescentamos atraso em uma via o efeito sobre a curva de fase será maior nas frequências mais altas  aonde o atraso acrescido representa uma porcentagem maior do período comparado as frequências baixas.

 

O mesmo acontece com os subgraves. Na figura 4 vemos a  curva de fase de um subgrave de 18’’ ( cor azul) e a curva de fase do mesmo subgrave quando deslocado para trás 1,7m ( cor verde) . O atraso ( neste caso físico ) faz com que aumente a inclinação da curva de fase na banda passante. Se vê claramente como o efeito é maior nas frequências altas.

Fig4. Mover uma fonte fisicamente em relação a sua posição inicial tem o mesmo efeito que acrescentar um atraso digital . A curva azul representa a curva de fase na posição inicial e a verde é a curva de fase do subgrave deslocado 1,7m para trás.

 

Se mudarmos o tipo de filtro no crossover a fase também irá variar , porque os diferentes tipos de filtros e as diferentes inclinações tem seu próprio efeito sobre a fase. Na figura 5 pode-se ver as diferentes respostas da fase de um filtro HPF Linkwitz-Riley 24dB/Oct e de um Bessel 24dB/Oct , com a mesma frequência de corte .

Fig5. Se mudarmos o tipo de filtro em um processador , a curva de fase e resposta de amplitude variará .Em azul temos as curvas de um filtro passa-alta LR24dB/Oct e em verde as de um Bessel 24dB/oct , ambos na mesma frequência de corte que neste caso é 1410Hz.

 

 

O QUE É AJUSTES DE FASES ?

 

O que buscamos é a soma dos subgraves e altas para que produzam o máximo de pressão possível , ou seja , que não haja um cancelamento total ou parcial na zona de corte. Para isto teremos que conseguir com que ambas as curvas se encaixem.

 

Em algumas ocasiões conseguiremos um encaixe total e em outras não como veremos nos exemplos , mas normalmente melhoraremos a situação inicial em que não havia nenhum ajuste. Mas isto só conseguiremos comprovar no final comparando as curvas de resposta de amplitude antes e depois de acrescentarmos os atrasos. Quando o encaixe não for total podemos melhorar o resultado se tivermos filtros de fase em nosso processador .  Em nossos exemplos usaremos unicamente atrasos para facilitar a aprendizagem da técnica.

 

CURVA DE COERÊNCIA

 

A curva de coerência que os sistemas de medição baseados na transformada rápida de Fourier mostram nos indicam a probabilidade de que a medição que está sendo feita é fiel. É muito comum encontrarmos a curva de coerência ( que vai de 0 a 1ou de 0 a 100% de acordo com o sistema de medição) que tenha valores baixos em alguma banda de frequência. Não devemos confiar na resposta de amplitude e fase mostrada no nosso sistema de medição naquelas bandas onde a coerência seja baixa.

 

Há principalmente 2 casos em que a curva de coerência se mostra baixa:

 

1) Quando o sinal de referencia está mal sincronizado com o sinal medido.

 

Isto podemos comprovar facilmente se iniciarmos uma medição sem haver previamente sincronizado os sinais com ‘’Delay Finder’’ no SatLive ou com a utilidade equivalente em outros sistemas. Nesse caso veremos que sobretudo nas frequências altas a coerência é muito baixa , como se vê na figura 6.

Fig6. No SATLive a escala de coerência está a direita e vai de 0 a 1. A curva de coerência que foi salva e depois carregada com a função Trace Manager se vê aqui na cor azul em um traço mais fino.

 

2) Quando há reflexões

Neste caso veremos que há bandas de frequências em que a coerência é baixa. Não devemos confiar na medição nessas bandas. Se a coerência baixa cair em uma banda de frequências que tenhamos interesse de medir ,podemos mudar a posição do microfone.

Na hora de ajustar as fases devemos considerar a curva de coerência, desta forma sabemos que parte da medida é fiel e que parte esta contaminada pelas reflexões, reverberações e etc...

 

EXEMPLO 1. Medição em modo escala: O subgrave e a caixa de médio-agudo compartilham uma banda de frequências.

 

Antes de realizar estes ajustes pela primeira vez em uma situação real, aonde nem sempre se tem o tempo necessário , nem condições ideais , podemos fazer medições em modo escala para praticar o procedimento.

 

Supomos que o leitor saiba fazer medições na função de transferência com o sistema de medição e que tenha os equipamentos adequados.

 

Para sincronizar o sinal de referencia e o sinal medido precisamos obter a resposta de impulso do sistema que se obtém melhor na via de médio-agudos , por isto sempre sincronizaremos usando a via de médio-agudos.

 

Haverá situações em que precisaremos atrasar os subgraves acrescentando delay , e em outras ocasiões necessitaremos adiantar os subgraves acrescentado um atraso negativo,mas isto é impossível. Para solucionar este problema , inicialmente acrescentaremos um tempo de atraso igual em todas as vias de forma que possamos colocar mais atraso ou tirar parte do atraso colocado no inicio dos subgraves. Uma vez ajustado o equipamento temos que tirar o excesso de atraso colocado como veremos nos exemplos :

 

Vamos fazer medições no modo escala para uma caixa de 18’’ e uma unidade médio-agudos.

As frequências de corte do subgrave no sistema real são:

 

HPF LR24dB/Oct , 30Hz

HPF LR24dB/Oct , 85Hz 

 

As frequências de corte da unidade de médio-agudos do sistema real são:

 

HPF LR24dB/Oct , 50Hz

HPF LR24dB/Oct , 20KHz

 

Nós usaremos 2 alto-falantes de 4’’ para praticar o procedimento de ajuste de fases. Para que nossos alto-falantes de 4’’ se comportem acusticamente igual ao sistema real vamos ter que escalar as frequências de corte.

 

Para isto multiplicaremos os cortes do sistema real pela relação do tamanho entre o sistema real e as nossas caixas em modo escala, quer dizer que multiplicaremos os cortes por 18’’/4’’= 4,5

 

Assim os cortes de frequência que serão introduzidos no processador de sinal com alto-falantes de 4’’ para fazer as medições de escala ficarão desta forma :

 

As frequências de corte do subgrave do sistema de escala serão:

 

HPF LR24dB/Oct , 30Hz x 4,5 = 135Hz

HPF LR24dB/Oct , 85Hz x 4,5 = 382 Hz

 

As frequências de corte da unidade de médio-agudos do sistema de escala serão:

 

HPF LR24dB/Oct , 50Hz x 4,5 = 225Hz

HPF LR24dB/Oct , 20KHz

 

O filtro passa baixa na unidade de médio-agudo nós deixaremos em 20Khz porque senão estaríamos em frequências ultrassônicas.

 

Para fazer as medições que mostraremos aqui colocamos no chão 1 caixa DAS Arco 4 tombada que simulará o subgrave. A caixa que reproduzira os médio-agudos será outra DAS Arco 4 colocada um pouco acima e uns 15cm atrás da caixa de subgrave , como na figura 7. O microfone será colocado no chão a 90cm da caixa que simulara o subgrave.

Fig7 . Vista lateral da montagem para medições no modo escala dos exemplos 1 e 2.

 

 

Para que o efeito se mostre claramente nesta pratica  , é recomendável que o nível acústico do subgrave e da unidade de médio-agudos sejam iguais em toda banda que ambos compartilham , neste caso de 225Hz a 382Hz.

 

O procedimento é o seguinte :

 

1) Introduziremos 20ms de atraso em cada uma das vias do processador ( pode introduzir um atraso diferente se assim quiser )

 

 

2) Abrimos somente a via das altas. Usamos a função ‘’Delay Finder’’ que introduzira o delay necessário no canal de referencia sincronizando-o com o sinal medido.

 

 

3) Medimos a resposta de amplitude do sistema inteiro antes de ajustar a fase. No pior dos casos veremos um cancelamento importante na banda de frequências que ambos reproduzem. A medição é a figura 8.

Fig8. Esta é a curva de amplitude que tentaremos melhorar. Vemos um cancelamento por volta de 400Hz que está dentro da banda que ambas as caixas reproduzem.

 

4)Fechamos a via do subgrave e abrimos a via de médio-agudos no processador.

 

5) Mediremos a via de médio-agudos e salvaremos a curva. Neste caso vemos a curva na figura 9.

 

Fig9. Resposta de amplitude e fase da caixa de médio-agudos.

 

6) Fechamos a via de médio-agudos e abrimos a via de subgraves.

 

 

7) Não voltaremos a usar o ‘’Delay finder’’ ( Quer dizer que não voltaremos a sincronizar o sinal de referencia com o sinal medido ). Não podemos esquecer que estamos comparando a fase das vias , ou seja , estamos medindo a diferença do tempo de chegada entre ambas as vias em função da frequencia. Portanto não mudaremos mais o atraso de sincronia no software de medição. Temos que lembrar que tomamos como referencia de tempo a unidade de médio-agudo porque é a via que obtemos uma melhor resposta de impulso.

 

 

8) Medimos a via de subgraves e comparamos a curva de fase com a do médio-agudo. No nosso caso o resultado se mostra na figura 10.

 

Fig10. Na imagem vemos a diferença de fase que há entre a caixa de alta e a de subgrave na banda de frequências que ambas reproduzem , entre 200hz e 400hz. Isto explica o cancelamento próximo a 400Hz.

 

9) Atrasar ou adiantar a via de subgraves até que ambas as curvas se encaixem perto da frequência de corte. Não se esqueça de salvar as curvas.

 

A curva que tem maior inclinação das duas , é a que tem maior atraso. Portanto parece claro que vamos ter que diminuir o atraso da curva verde que neste caso é o subgrave. Isto só será possível porque inicialmente colocamos 20ms de atraso nas duas vias.

 

Vamos dimunuir o atraso na via do subgrave e veremos as duas curvas de fase se encaixam em uma banda bastante larga. Ao dimunuir o atraso a curva verde perdera a inclinação e se deslocará para cima.

 

Fig11. Curvas da caixa de alta e do subgrave com fase ajustada. Como se vê , ambas se encaixam na banda que reproduzem se somando perfeitamente em fase.

 

O atraso na via de subgraves ficou em 18.666ms. Vemos que em 150Hz até 400Hz ambas as curvas se encaixam , isto quer dizer que estarão em fase em toda banda que os sistemas compartilham.

 

Portanto , quando estamos comparando as curvas de fase e queremos que a diferença entre elas seja o menor possível , deveremos nos lembrar do seguinte : Se uma curva tem mais inclinação que outra em toda banda de interesse , significa que está atrasada e deveremos diminuir o atraso. Se uma curva tem menos inclinação que outra em toda banda de interesse , significa que está adiantada e devemos acrescentar atraso.

 

Lembremos que neste caso o subgrave estava fisicamente adiantado em relação a caixa de alta , com isto poderíamos erroneamente supor que quem precisaria de atraso era o subgrave. Não devemos nos esquecer que os filtros tem seu efeito sobre a fase , antes de ver as curvas não podemos saber se precisamos acrescentar ou diminuir o atraso. A curva poderia ter passado de lugar se ao invés de diminuir o atraso do subgrave nós tivéssemos acrescentado.

 

Na figura 12 acrescentamos atraso na via de subgrave até que ambas as curvas se coincidissem o máximo possível. O atraso no subgrave foi de 22.276ms. Somente conseguimos que se encaixassem na região entre 250Hz e 300Hz , o que é muito pouco. De 250Hz para baixo a curva azul cai debaixo da verde e acima de 300Hz a curva verde cai abaixo da azul , ou seja , existe muita diferença de fase entre elas.

Fig12. Neste caso fica claro que ao atrasar o subgrave as fases não se encaixam em toda a banda.

 

10) Voltemos a medir a resposta de amplitude do sistema e comparemos com a medição inicial. Se as fases foram ajustadas corretamente os subgraves e os médio-agudos estarão somando melhor e isto refletirá na resposta de amplitude.

 

Na figura 13 podemos comparar como se somam ambas as caixas sem ajustar

(Curva Vermelha ) , com 22.2766ms de atraso no subgrave (curva verde) e com 18.666ms (curva azul).

Fig13. Neste caso fica claro que conseguimos uma melhor soma do subgrave com as altas quando adiantamos o subgrave.

 

Se vê claramente como neste caso as caixas se somam melhor quando o subgrave tem um atraso de 18.666ms

 

11) Tomaremos o valor do menor atraso introduzido e voltaremos o subgrave e o médio-agudo, de forma que ao menos uma das vias ficará com um atraso de 0ms.

 

Temos 20ms de atraso nas altas e 18.666ms nos subgraves . Lembre que colocamos 20ms de atraso no inicio para poder depois decidir se acrescentaríamos ou diminuiríamos o atraso. Logicamente , que uma vez ajustada as fases não necessitamos desse excesso de atraso. Nos ajustes finais voltaremos o menor atraso das duas vias de uma forma que uma delas fique com 0ms.

 

No nosso caso a via de altas ficará com 20ms – 18.666ms=  1.334ms

A via do subgrave ficará com 18.666ms – 18.666ms=  0ms

 

Traduzido na integra por Douglas Barba

Por Joan la Roda - Departamento de engenharia DAS Audio

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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