Análisis de doble FFT con SATlive

Autor: Rubén González de Marcos  – Instructor Graudio Institute-   www.rubenglez.es 

Introducción

Los analizadores de doble FFT en software nativo nacieron en los años 90 y, gracias al desarrollo vertiginoso del procesamiento informático, se han convertido en una potente herramienta al alcance de cualquier profesional. Desde  la aparición de SIM (Source Independent Measurement) de Meyer Sound  han proliferado en el mercado varias soluciones y alternativas más económicas a este analizador que revolucionó las mediciones en el sector de la sonorización hace ya un cuarto de siglo. Hoy es fácil disponer de un sistema de análisis de doble FFT sin tener que hipotecar nuestra cuenta bancaria. ¡Bienvenido al maravilloso mundo del análisis de doble FFT!

Como cualquier nueva herramienta, este tipo de soluciones han tenido sus partidarios y detractores. Si preguntamos por la valoración de un político podemos encontrarnos un abanico de opiniones dispares que van desde la más sincera admiración hasta el mayor grado de desprecio. Tomando como base este ejemplo, es obvio que ambas opiniones están lejos de ser totalmente objetivas y que probablemente la media aritmética de esas opiniones tampoco lo será. De igual forma, si preguntamos sobre la utilidad de este tipo de herramientas entre los profesionales del sector también encontramos respuestas dispares. Encontraremos un perfil que opina que la herramienta no es útil y que su uso es una gran pérdida de tiempo y encontraremos un perfil que considera la herramienta vital y que basa todas sus decisiones en ella. Probablemente el mayor hándicap de este tipo de analizadores es infravalorar o sobrevalorar la herramienta en exceso.

Ninguna herramienta de doble FFT diseña y optimiza un sistema de sonido, esto es función de un hombre. Ahora bien, ¡Qué bien nos vienen las tomas de datos cuando sabemos tomarlas estratégicamente!

Sin entrar en detalles excesivamente enrevesados, vamos a desgranar uno de los programas informáticos  de análisis de doble FFT más potentes del mercado SATlive y vamos a sugerir alguna de las muchas aplicaciones prácticas.

Los módulos de SATlive

Ya hemos dicho que SATlive es una herramienta de análisis de doble FFT pero SATlive, y esta es una de sus grandes virtudes, también incluye otros módulos de medición tan interesantes como el afamado análisis de doble FFT en el campo de la sonorización. El módulo más conocido por analogía a sus competidores es el conocido como MAT. En él encontraremos las funciones de transferencia tanto en amplitud como en fase derivadas del análisis de doble FFT así como la función de coherencia entre las dos señales. Este mismo módulo también dispone de los clásicos RTA´s, la respuesta de impulso en tiempo real, medición de impedancia y espectrógrafo. En algunas aplicaciones, el análisis de doble FFT tiene ciertas desventajas y es más recomendable hacer uso de otro tipo de análisis (MLS, MIR, Barridos). Estas mediciones las podemos encontrar en el módulo Respuesta de Impulso donde también encontraremos un Osciloscopio y cálculos acústicos de Sala e inteligibilidad

 El módulo de respuesta de Impulso se completa con el módulo FFT que nos muestra la respuesta de frecuencias de las mediciones realizadas. Por último, un sencillo módulo Retroalimentación nos muestra la frecuencia que tiene el valor más alto en la señal de medición. El valor de la frecuencia es dado en función de los ISO de ecualizadores gráficos por lo que es muy interesante, como su propio nombre indica, para detectar acoples en la realización de mezclas en monitores de escenario. 

El módulo MAT

Aunque los otros módulos de SATlive son tan interesantes como este, por analogía a otras herramientas del mercado nos vamos a centrar en el módulo MAT de SATlive.

Como ya hemos dicho, en este módulo podemos visualizar la función de transferencia de las dos señales que introduzcamos en el programa. Ahora bien, ya hemos dicho que este módulo se basa principalmente en el análisis de doble FFT pero: ¿Qué es una FFT?. Salvando el desarrollo matemático de la transformada rápida de Fourier (FFT), podemos decir, groso modo, que es el algoritmo capaz de descomponer una señal de audio es su espectro frecuencial tomando valores de nivel y tiempo.  La digitalización de audio y el procesamiento de las señales digitales han permitido que la adquisición de estos datos sea más o menos sencilla. Es decir, que para realizar una FFT de una señal de audio está tiene que ser digitalizada. Si alguien está familiarizado con los parámetros básicos de una FFT entenderá que la distribución de datos se comporta de manera lineal. Esto se traduce en que tendremos mucha densidad de datos las octavas altas del espectro de audición y poca densidad en las bajas. Para compensar esta deficiencia SATlive cuenta con una FFT compensada que adquiere 32 puntos por octava gracias a uso de varias FFT con diferentes tamaños. SATlive necesita dos FFT suavizadas de dos señales para comparar las diferencias entre ellas (Función de Transferencia). Para ello necesitamos un interfaz de audio con, mínimo, dos entradas. Las bondades de realizar funciones de transferencia en contraposición con analizadores de espectro tipo RTA son conocidas por la mayoría de los que nos dedicamos a optimizar sistemas de sonido. Entre las aplicaciones típicas del uso de funciones de transferencia adquiridas mediante doble FFT podemos destacar: comprobación de estructura de ganancias, respuesta en frecuencias, distorsión de fase, medición de latencias, comprobación de suma de señales, alineamientos temporales, etc.

Desafortunadamente la característica más importante para hacer uso del módulo MAT no va a poder ser incorporada por muchas actualizaciones que posea el programa, esta herramienta se encuentra en nuestra cabeza y requiere adquisición de conocimientos en cuanto a la estrategia en la adquisición de datos. La experiencia y capacidad técnica del operador de SATlive es determinante para sacar partido a esta potente herramienta. Evidentemente esto no es una característica propia de SATlive y se comparte con todos los programas análogos. De nada vale saber que con SATlive puedo alinear un subgrave respecto a una caja de medios-agudos si no soy capaz de comprender fenómenos físicos de suma de señales y su relación con las diferencias de tiempo y de nivel. Desafortunadamente para todos, las recetas mágicas no suelen funcionar.  Las mediciones en el dominio eléctrico son mucho más sencillas que las mediciones donde participa el dominio acústico por lo que recomiendo a todos mis alumnos a iniciarse en mediciones puramente eléctricas ya que estas son controladas fácilmente. De esta manera podremos asimilar conceptos más fácilmente y llegar a conclusiones antes de hacer uso profesional de la herramienta, importante desempolvar esos viejos libros para refrescar conceptos básicos de audio (frecuencia, periodo, longitud de onda, velocidad del sonido, ruido rosa, ruido blanco, etc.). Las mediciones eléctricas de equipos de sonido van a ser nuestra autoescuela y la optimización de un diseño de sonido para un estadio nuestro “Gran Premio de F1”.

El odiado y amado trazo de fase

De las dos gráficas que nos muestra la función de transferencia la más intuitiva es la respuesta de nivel por frecuencias. Esta gráfica es fácilmente interpretada por la mayoría de los técnicos ya que estamos muy habituados a analizar especificaciones técnicas de respuestas de frecuencia desde  hace muchos años. Aunque mucha gente piense lo contrario, es imposible hacer buen uso de MAT sin saber interpretar la otra gráfica: la respuesta de fase por frecuencias. Si no se sabe interpretar esta gráfica, vamos a llegar a conclusiones erróneas y no vamos a poder realizar aplicaciones prácticas donde las diferencias temporales son importantes (la mayoría de ellas). Esta gráfica es más fácil de analizar si sabemos que, evidentemente, la fase tiene una relación directa con el tiempo. El trazo de fase será totalmente plano siempre y cuanto exista un alineamiento temporal entre la señal de referencia y la señal de medición. Si el trazo de fase tiene pendiente descendente la señal de medición estará retrasada respecto a la señal de referencia. Si por el contrario el trazo de fase tiene pendiente ascendente, la señal de medición esta adelantada respecto a la señal de referencia. Cuanto mayor es la pendiente mayor tiempo existe de diferencia entre referencia y medición.

Para comparar la señal de referencia y la señal de medición despreciando la diferencia temporal entre ambas señales provocada por latencias o propagación de sonido usaremos el buscador de retardo de SATlive

Si después de añadir este retardo buscado a referencia para alinearlo con medición, el trazo de fase no es plano el equipo bajo medición nos está provocando lo que se conoce como distorsión de fase y es que no todas las frecuencias se reproducen en el mismo instante. 

Entre las causas que provocan distorsión de fase podemos destacar el uso de filtros de respuesta de impulso infinito; es decir, la mayoría de ellos. Es importante subrayar que la distorsión de fase no es psicoacústicamente perceptible pero que sí es determinante cuando participa en la suma de señales, algo necesario en un sistema de sonorización cuando sumamos altavoces. Esta distorsión hace que a veces no sea posible combinar diferentes altavoces, ya no sólo de diferentes marcas, sino también de modelos diferentes del mismo fabricante. 

La función de coherencia

En probabilidad y estadística, la correlación o coherencia indica la fuerza y la dirección de una relación lineal entre dos variables aleatorias. Se considera que dos variables cuantitativas están correlacionadas cuando los valores de una de ellas varían sistemáticamente con respecto a los valores homónimos de la otra: si tenemos dos variables (A y B) existe correlación si al aumentar los valores de A lo hacen también los de B y viceversa. Esta función está incluida en la mayoría de los analizadores de doble FFT, se suele mostrar en valores de 1 (máxima coherencia) y 0 (mínima). Entre los factores que degradan la coherencia en la función de transferencia están: las diferencias temporales entre la señales de medición y referencia, diferencias de nivel e introducción de ruido en el sistema bajo medición. No es correcto pensar que cuando existe una coherencia baja la medición no tiene credibilidad, son datos a interpretar por el operador que nos dan gran cantidad de información.

  Por ejemplo, es indicativo de una mala relación señal/ruido o de un alto grado de reflexiones acústicas. SATlive permite no desplegar trazo de función de transferencia para valores por debajo de un valor establecido (Umbral de Coherencia).

Umbral de Amplitud

De igual manera que el umbral de coherencia es posible no añadir a la función de transferencia valores adquiridos por las FFT que estén por debajo de un valor de nivel establecido (Umbral de Amplitud) 

Esta función es muy interesante sobretodo en las mediciones en el dominio acústico ya que el ruido ambiente puede contaminar las mediciones.

Uso de los promedios

Una de las principales ventajas del uso de analizadores de doble FFT es que la señal excitadora no debe ser una señal conocida pero esta principal ventaja también ocasiona una desventaja: debemos promediar temporalmente los datos para conseguir funciones de transferencia estables. SATlive nos permite ajustar la cantidad de promedios usados para desplegar el trazo de función de transferencia. Como regla básica hay que saber que cuanto menos promedios mayor movilidad del trazo y más propenso será el trazo a mostrar incidencias temporales. La consecuencia de esto es que las mediciones eléctricas necesitarán menos promedios que las acústicas.

Respuesta de Impulso en MAT

MAT de SATlive también muestra una respuesta de impulso en tiempo real que nos permite analizar la respuesta impulsiva del sistema bajo prueba y apreciar constantemente los cambios que en él podamos incorporar. Esta función es muy interesante a la hora alinear “torres de delay” o altavoces “bajo balcón” respecto a un sistema principal, también nos da  información de las reflexiones acústicas de una sala. 

Gestión de trazos

SATlive es capaz de memorizar, archivar y gestionar trazos de manera sencilla y con una gran cantidad de funciones. Estos trazos pueden ser trabajados de manera offline siendo sumados o promediados con otros trazos o con el trazo en vivo. Para ello SATlive cuenta con varias opciones (Trazos Rápidos, Gestor de Trazos y  Administrador de Proyectos).

Conclusiones

El artículo únicamente ha mostrado las características más básicas de las que dispone uno de los cuatro módulos de SATlive. Las características íntegras del programa necesitaría la edición de un manual de texto. SATlive es una gran herramienta de verificación que nos ayudará a tomar decisiones a la hora de calibrar sistemas, sus cuatro módulos la convierten en la única solución integral del mercado. Gracias a su tecnología multicanal nos permite verificar tramos concretos del sistema de sonido sin tener que cablear y descablear. Thomas Neumann, el creador del programa, desarrolla y evoluciona continuamente el programa haciéndose eco de demandas de usuarios y gracias a eso se dispone de una versión en castellano. Las posibilidades del análisis de doble FFT no tiene límites y lo únicos límites están en la capacidad del operador. Afortunadamente Graudio Institute (distribuidor de SATlive en España) ha desarrollado programas formativos con esta herramienta acercando el uso de SATlive a gran cantidad de técnicos

SATlive es, sin ningún lugar a dudas, una de las mejores soluciones en el campo de la verificación y optimización de sistemas de sonido. Y porque no decirlo, es también la opción más económica


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