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Diseño y construcción de una base móvil para micrófonos controlada a distancia

Introducción

En 1981 Bruce A. Bartlett realizó un estudio para la convención número 69 de la AES ¹ , el cual buscó estudiar los efectos tonales del posicionamiento de microfonía para diferentes instrumentos musicales. En él describe como un instrumento musical radia diferentes calidades tonales en distintas direcciones, lo cual produce un espectro sonoro distinto para cada parte del instrumento. Dado que éste espectro varía con la distancia y el ángulo de radiación, la ubicación del micrófono relativa a la posición de los instrumentos afecta en gran medida la calidad del sonido registrado.

Éste trabajo parte de una notable comparación en la cual se entiende que la captura de un instrumento musical es similar a la captura de un altavoz con múltiples drivers. Es decir, si un micrófono se ubica a varios pies de un parlante, se conseguirá una señal bien balanceada de la fuente, pero si la captura se realiza, por ejemplo, cerca del cono, o del tweeter, la señal resultante se escuchara muy coloreada. En este sentido, cuando se ubica un micrófono cerca de un punto del instrumento, la señal radiada por éste predominará en contenido frente a las otras áreas y el timbre del sonido capturado será distinto.

La publicación anterior como criterio para posicionamiento de microfonía está íntimamente ligada con el estudio de Don Davis, en su documento ‘Distancia acústica equivalente’ ² en el cual describe que al alejarse de una fuente sonora en un recinto, el nivel de presión sonora decrece en función de la ley del inverso cuadrado; es decir, con una atenuación de seis decibeles al duplicar la distancia; Aún así, siempre, en un punto específico del recinto el nivel de la señal reflejada por las superficies igualará al nivel de la señal original de la fuente, y esta longitud se conoce como distancia crítica.

Para efectos prácticos de producción musical se entiende que la posición de un micrófono respecto a la distancia crítica en un recinto permite obtener en captura una señal más pura y similar a la original, o una señal con mayor influencia del campo reverberante del recinto. En éste sentido, el punto de captura relativo a la posición, dentro o fuera de ésta distancia otorgará diferentes sonoridades con una relación ‘señal directa/señal reflejada’ distinta para cada posición.

En el artículo de Emil Nikolov Milanov y Elena Blagoeva Milanova para la convención AES numero 108 ‘Proximity Effect Frequency Characteristics of Directional Microphones’ ³, exponen los factores que definen el fenómeno conocido como el efecto de proximidad, el cual se manifiesta como una variación en frecuencia en relación con la distancia entre un micrófono y la fuente, y las características direccionales (patrón polar) de los micrófonos. En este estudio se describe como el efecto de proximidad produce un incremento en la sensibilidad de los micrófonos de gradiente de presión en las frecuencias mas graves si el micrófono se acerca hacia la fuente, y un detrimento si se aleja. Éste fenómeno es de gran utilidad en grabación pues permite obtener un sonido rico en bajas frecuencias, y obtener ecualización y acentuación espectral directamente en captura.

Con el marco anterior se evidencia la importancia del posicionamiento de la microfonía para la captura sonora y la producción musical, y por ello puede surgir la pregunta de si existe o no una posición ideal para capturar diferentes instrumentos musicales. Muchos estudios se han llevado a cabo y gracias a ellos se ha llegado a las pautas apropiadas para grabación que hoy en día conocemos. El problema es que el criterio de si éstos parámetros son buenos o malos, o si el sonido es deseado o no dependerá del gusto personal.

El diseño de una base móvil para micrófonos controlada a distancia, resulta una alternativa plausible para la captura de sonido desde diferentes lugares y posiciones. Por tanto se hace más efectiva la calidad de sonido, sin tener que irrumpir en el espacio de grabación, y a su vez probando diferentes escenarios de captura. Con esta base se permitirá experimentar, con los diferentes parámetros de captura, en un estudio de grabación profesional y así facilitar en gran medida la labor artística e ingenieril de producción sonora.

El sistema desarrollado permite encontrar con gran facilidad y precisión la posición más adecuada para cualquier proyecto musical en tiempo real, sin hacer que el ingeniero de grabación o el productor musical se desplacen desde el control room hacia el estudio; sin desplazarse del sweet spot de su sala; sin tener que recurrir a procedimientos de mezcla que de una u otra manera alteran la calidad de la señal original de captura; ahorra tiempo valioso y simplifica la experimentación con las diferencias en el comportamiento de los micrófonos respecto al recinto y a los instrumentos.

diseño

El diseño partió de una base para micrófonos convencional conocida como el mini boom, cuyo propósito es el montaje de microfonía a baja altura para registrar señales y fuentes sonoras (su contenido de frecuencias es más rico cerca al piso, como es el caso de un bombo, o un contrabajo). Esta base cuenta con todos los movimientos estándar en la mayoría de estructuras de soporte para micrófonos, que incluyen un soporte recto con un tubo telescópico para variar la rotación o la altura, y un brazo boom para el desplazamiento en el eje horizontal o altura en un determinado ángulo de apertura respecto del soporte.

Con el objetivo de aportar la mayor libertad posible al sistema de posicionamiento de microfonía de referencia, se planteó un diseñó mecánico que añadiría los movimientos de desviación y giro, para manipular la altura y los ángulos de apertura; y un movimiento de proximidad hacia las fuentes, y a la vez un rango de movimiento entre los campos acústicos del recinto.

Para conseguir el movimiento rotacional y axial de cada articulación se aplicaron diferentes motores, que permiten un control preciso y adecuado del punto de desplazamiento del dispositivo. Para el movimiento de proximidad se construyó un riel de aproximadamente 80 cm (longitud adecuada para estar dentro y fuera de la distancia crítica del estudio A de la Universidad de San Buenaventura) en donde se realizaron todas las pruebas y grabaciones con la base en funcionamiento.

En primer lugar, se buscó construir el riel con un mecanismo de engranajes ‘cremallera piñón’ (motor 1) que permitió desplazar toda la estructura de la base a través de la distancia específica. Para el segundo mecanismo, se planteó utilizar un par de engranajes cilíndricos convencionales, para que al girar el segundo motor (motor 2), el tubo telescópico del soporte girase en función del sentido de revolución del mismo. Por último, la elevación del brazo se planteó a partir de un sistema de engranajes “sinfín-corona” (motor 3). Se creyó en este sistema como el más adecuado porque sería el mecanismo que más fuerza requeriría para desplazar el brazo (boom), junto con el peso del micrófono, hacia arriba y hacia abajo, y el engranaje del sin fin corona es uno de los sistemas que de mejor manera permite transmitir el esfuerzo del motor, ya que aumenta la potencia de transmisión. 

Diseño Electrónico

El diseño electrónico del prototipo partió del circuito integrado L293B (Puente H), el cual permite dirigir el sentido de las corrientes circulantes a través de los motores, de modo que se pueda controlar el sentido de giro de los mismos mediante interruptores.

Se utilizaron dos micro controladores conectados vía ‘puerto serial’ con un cable TRS convencional. Uno de los micro controladores haría las veces de control remoto, y el otro sería el esclavo que enviaría las órdenes de control a los motores. El Micro controlador utilizado en este proyecto fue el microchip 16F877A.

La ventaja principal de realizar éste montaje utilizando micro controladores conectados mediante el puerto de comunicación serial es que en cualquier momento se podría reemplazar la línea TRS por transmisores y receptores inalámbricos en los puertos de TX y RX de cada Micro controlador, y así poder manipular el prototipo de manera inalámbrica.

El micro emisor o maestro, tiene como función recibir, codificar y enviar la información que recibiría de tres interruptores que dirigen el flujo de corriente del circuito hacia los pines de entrada deseados; uno para controlar cada motor. El pic de recepción o esclavo tendría la función de recibir e interpretar la información del micro maestro, y a su vez envía las señales de control a los puertos de entrada de cada uno de los circuitos integrados Puente H.

Control de ruido y vibraciones

Se implemento un tratamiento anti vibratorio para prevenir que la transmisión de vibraciones estructurares impidieran el registro adecuado de las señales acústicas a capturar.

Las mediciones de ruido se llevaron a cabo en el estudio C de la Universidad de San Buenaventura, con el sonómetro Svantek SVAN 943, ubicado a un metro del dispositivo y a 1.2 metros de altura. Se realizó una medición independiente para cada uno de los movimientos del prototipo.

La Figura 6 presenta los niveles de ruido emitidos por los motores del prototipo. El resultado de la medición fue un nivel relativamente bajo para los 3 sistemas de movimiento, siendo el mecanismo de mayor intensidad el sistema cremallera piñón accionado por el motor 1. Éste presentó un nivel de presión sonora cuyo ruido se encuentra principalmente en el rango de frecuencias medias, en especial entre 1khz y 6khz.

Mediciones de vibraciones

Las mediciones de vibraciones se llevaron a cabo en el laboratorio de sonido en vivo de la Universidad de San Buenaventura, utilizando el sistema de medición de vibraciones de 01dB dB4. El acelerómetro fue ubicado sobre el punto de ubicación de los micrófonos, y se realizó una medición para cada uno de los movimientos del prototipo. Los resultados de las mediciones se presentan a continuación.

Motor 1

Motor 2

Motor 3

Con el análisis de vibración se llegó a los siguientes resultados:

Existe una transferencia de vibración estructural de baja frecuencia a través del prototipo, en un rango entre 110Hz y 130Hz.

Las vibraciones se encuentran en un valor promedio de 25m/s² y 35m/s² con picos aleatorios que llegan hasta 50m/s², lo que indica que el sistema no es lo suficientemente rígido y la vibración se transmite fácilmente.

Sistema de control de ruido

El tratamiento de control de ruido, fue planteado alrededor del sistema cremallera piñón, el cual presentó el mayor nivel de ruido en el prototipo. Por lo anterior se decidió realizar un encapsulamiento de todo el riel como se muestra en la figura13.

Se propuso crear un cerramiento en acrílico con las siguientes dimensiones: 112cm de largo, 9cm de alto y 15cm de ancho. Éstas medidas con el fin de abarcar a lo largo y ancho el prototipo, dejando el espacio necesario para ubicar el circuito impreso, y aplicar en todas las superficies interiores lana de vidrio ya que su coeficiente de absorción es muy funcional para las frecuencias requeridas.

Para dicho fin se planteó construir el cerramiento como una partición de doble capa con las siguientes características

1. Acrílico 5 milímetros de espesor

2. Lana de vidrio de 1 pulgada de espesor

Los datos de diseño de la partición planteada se ingresaron en el software de predicción acústica INSUL, para determinar el índice de pérdida por transmisión ‘TL’, y el STC equivalente (ver figura 14).

Posteriormente, con los valores de TL y el nivel de ruido emitido por el dispositivo se calculó el nivel de presión sonora proyectado, y luego estos valores se compararon con el criterio de ruido NC-25, utilizado como regulación para establecer los niveles máximos permisibles de transmisión de ruido en particiones para estudios de grabación. Ésta comparación se encuentra en la figura 15.

En la anterior grafica se evidencia que el diseño propuesto permite reducir en gran manera la transmisión de ruido del mecanismo cremallera piñón, y estaría muy por debajo del criterio NC25. Por esto, se procedió a realizar su construcción y montaje en el prototipo. (Ver figura 16).

Medidas de control de vibraciones

La principal fuente de vibraciones indeseadas que se presentaron en el prototipo se debe a errores de fabricación y de alineación. Durante la construcción de las piezas, las distancias entre los dientes y la altura de los mismos varían de forma pequeña pero relevante, lo que ocasiona choques, saltos y discontinuidades en el movimiento.

Para corregir esto se debe realizar una importante modificación a los componentes del sistema, buscando que el maquinado sea perfecto, pero por inconvenientes de tiempo y presupuesto ésta solución no fue viable.

Por ello para reducir las fuerzas intermitentes u oscilatorias que producen la vibración, se tomaron las siguientes medidas:

• Se redujo el movimiento de los componentes sobre los cuales actúan las fuerzas haciendo más rígidos los soportes, las conexiones entre las partes y los ajustes a la estructura.

• Se introdujo una pieza de aluminio de seis milímetros de espesor al riel para que el vehículo que transporta el soporte recto se desplazara con mayor presión a sus extremos y los movimientos indeseados fueran minimizados. Así se limitó su libertad de movimiento y se aportó mayor peso y rigidez al riel.

Se montó una pequeña lámina de neopreno de 4 milímetros de espesor alrededor del soporte recto con el fin de disminuir las vibraciones en las vías de transmisión

Se redujeron las fuerzas de rozamiento en los engranajes, y el mecanismo cremallera – piñón mediante lubricación.

Se obstaculizó la transmisión de vibraciones mediante un sistema de desacople en la vía de transmisión que interrumpió la continuidad entre la estructura y el micrófono. Esto se realizo con una pieza de neopreno y polilon de medidas 2.5cmX2.5cmX4cm.

Mediciones posteriores al tratamiento

Con los datos obtenidos en las mediciones, se apreció un buen funcionamiento del encapsulamiento al ver una gran disminución en el nivel de presión sonora resultante.

Con el diseño planteado se esperaba que el nivel de presión sonora transmitida cumpliera con el criterio NC25, lo cual no se logró. A pesar de esto se obtuvo una disminución considerable como lo se puede observar en la figura 17. Por ejemplo en 2KHz se obtuvo una disminución de nivel de 18dB.

Figura 17. Comparación antes y después del cerramiento

Del mismo modo, al comparar los gráficos de aceleración contra tiempo de las vibraciones transmitidas antes y después del tratamiento, se consiguió visualizar una favorable disminución en su valor.

Para el mecanismo del riel se observó que antes de realizar el tratamiento muchos de los picos máximos superan los 60m/s², y luego del tratamiento ninguno supera los 47m/s².

Así mismo, las vibraciones del sistema de rotación que se hallaban en su mayoría entre 20m/s² y 25m/s², y picos que llegaban hasta 50m/s², se lograron reducir hasta tal punto que los picos máximos aparecieran inferiores a 40m/s² y la transferencia de vibraciones resultante se concentro entre 10m/s² y 20m/s².

Para el mecanismo de elevación, la transferencia fue en ambos casos inferior a la de los mecanismos restantes, y tras el tratamiento se logró reducir aproximadamente de 12m/s² a 8m/s² a lo largo de su funcionamiento.

Esta disminución en las vibraciones se verificó al comparar la media cuadrática RMS de cada mecanismo como se observa en la tabla 2. En ésta tabla se ve que la mayor reducción de vibraciones se presentó en el motor uno, seguida de los motores dos y tres respectivamente.

En cuanto a la frecuencia de las vibraciones, se observó una notable reducción en la frecuencia de transmisión debido al aumento de rigidez y masa en la estructura.

Para el motor uno se obtuvo una disminución de aproximadamente 8Hz en comparación con las mediciones preliminares. Para el motor 2, cuya frecuencia varió desde 110Hz y 135Hz, el margen de oscilaciones se redujo a 115Hz y 125Hz. Finalmente, las vibraciones del motor número 3, cuya influencia nunca fue tan crítica como en los motores anteriores, se logró estabilizar en 120Hz. (Ver figuras 18, 19 y 20)

Pruebas y Capturas

Se realizó una producción musical involucrando el prototipo en la captura de una batería en el bombo, y el redoblante, y en una guitarra eléctrica. La captura se llevó a cabo en el estudio A de la Universidad de San Buenaventura. En la producción se utilizaron los siguientes micrófonos. Dos Shure SM81 para ambientes, dos Shure SM57 para el redoblante y la guitarra y un AKG D112 para el bombo.

Captura del bombo

El prototipo se ubicó perpendicular al bombo y poco a poco se fue aproximando mediante el movimiento del motor uno hacia el parche. Los puntos de referencia fueron los siguientes:

Punto 1. Extremo derecho a 60cm del parche Punto 2 En el eje, a 30 cm.

Punto 2. Sobre el eje a 10 cm del parche.

Punto 3. En el eje a 5 cm.

Al iniciar la grabación el micrófono se encontraba fuera del eje, y por ello la señal registrada se encuentra principalmente en contenido de baja frecuencia, principalmente por las reflexiones de la sala. La señal fue de muy baja intensidad y con frecuencia fundamental en 70Hz. En esta posición el sonido resulto difuso y poco claro respecto de la señal original.

En seguida, al ubicar el micrófono en el eje del instrumento el timbre registrado cambio dramáticamente. La frecuencia fundamental aún se encontraba en 70Hz pero empezaron a aparecer armónicos y demás sonoridades propias del instrumento que antes no se encontraban en la captura y enriquecieron el sonido. Igualmente la intensidad aumento considerablemente.

Luego al aproximar la base móvil para micrófonos hacia el parche y mover el micrófono de arriba a abajo se encontró un sonido más característico del instrumento: Un timbre más fuerte, seco y con gran cantidad de contenido armónico entre 2Khz y 4Khz, que determina el carácter del parche y del golpe del pedal.

Captura del redoblante

El redoblante fue registrado variando el ángulo de apertura del motor 3 y la proximidad frente al parche mediante el movimiento del motor 1. Se tomaron tres puntos de referencia para evaluar el comportamiento en frecuencia de las capturas y fueron los siguientes:

Punto 1. Fuera del eje a 20cm del parche

Punto 2. Sobre el eje a 10 cm del parche

Punto 3. Sobre el eje a 2 cm del parche

El timbre del redoblante en el primer momento de ubicación se escucha difuso y sin presencia. El micrófono se encontraba fuera del parche lo que explica su bajo contenido en intensidad, y una débil señal en 200Hz Igualmente se presenta una cancelación completa en 1kHz.

Para el segundo punto de referencia, con el motor número dos del prototipo, se realizó un giro para que el micrófono se encontrara bajo el parche, y se encontró que el timbre cambió completamente. El sonido se encontró con una mayor concentración en frecuencias medias altas. Igualmente en el orden de 200Hz Se vio un considerable aumento en la intensidad, lo que le dio mayor cuerpo al sonido capturado.

Finalmente con el motor número tres del prototipo, se buscó elevar el micrófono hacia el parche para obtener una señal más pura del instrumento. Los armónicos del entorchado entre 3kHz y 10KHz, tienen una mayor intensidad que en las muestras anteriores y el sonido resultante fue más fuerte seco y brillante lo que le da más fuerza y carácter al sonido.

Captura de la guitarra eléctrica

Se realizó la captura de una guitarra eléctrica Fender Stratocaster y un amplificador Fender Frontman 202r. Para ésta captura la posición del prototipo fue paralela al amplificador, y se realizó un desplazamiento de izquierda a derecha a través del cono. Igualmente se vario el ángulo de apertura mediante el motor dos. Los puntos de referencia para este caso fueron los siguientes:

Punto 1. Extremo derecho. 5cm fuera del cono sobre el eje Punto 2 centro del cono y 30º grados fuera de eje.

Punto 2. Centro del cono y 30º grados fuera de eje.

Punto 3. extremo izquierdo del cono, sobre el eje.

En la primera posición de captura el micrófono SM57 se encontraba apuntando fuera del amplificador. Todo lo que se escucha en este punto son las reflexiones la guitarra lo que resulto en fuertes cancelaciones a lo largo del rango medio.

Poco a poco se fue variando la posición del micrófono a lo largo del amplificador. Primero se modificó el ángulo de apertura con el motor 2 para que el micrófono se encontrase en eje con el amplificador y después se fue desplazando de izquierda a derecha a través de él. El punto de referencia en la figura 22 es en el centro del amplificador. El cambio con respecto a la posición 1 fue evidente de inmediato. El contenido en el rango medio apareció con armónicos en 600Hz, 1.2KHz, 2.4Khz.

Finalmente el último punto de referencia fue en el extremo derecho del amplificador con el micrófono inclinado 30º grados fuera del eje. Como se ve en la figura 23, en este punto prevaleció el contenido en frecuencias medias altas, especialmente ente 2KHz y 5KHz. El resultado fue un tono más brillante que en los demás puntos de referencia.

Conclusiones

La base móvil para micrófonos se probó como un prototipo funcional, práctico y eficiente para variar el posicionamiento de microfonía en producciones musicales. Los elementos mecánicos y el diseño planteado, permitieron un correcto funcionamiento de la base para que se desplazara alrededor de los instrumentos y diferentes fuentes sonoras.

Con el diseño electrónico se logró controlar eficientemente el sistema, a pesar de que las limitaciones de transmisión serial de información, impidieron que la distancia entre el control remoto y el dispositivo superara una longitud mayor a dos metros.

El encapsulamiento construido alrededor del riel, redujo efectivamente el nivel de presión sonora emitido por el dispositivo. Aunque se esperaba una atenuación mayor que cumpliera con el criterio NC25, no se consiguió llegar a ese nivel; en parte por la necesidad de dejar una apertura en la parte superior que permitiera el desplazamiento del soporte recto a través del cerramiento, y en parte por las diferencias en las características de los materiales utilizados en el cálculo y en la práctica. Aún así, se obtuvo una disminución considerable a lo largo del espectro audible y se minimizó la intervención de éste ruido en las captura

La principal fuente de vibraciones que exhibió el prototipo tenía su origen en los errores de fabricación de los elementos mecánicos y móviles, lo cual dificultó el óptimo funcionamiento de la base. Por inconvenientes de tiempo y presupuesto no fue posible realizar un rediseño de estos elementos para que su maquinado fuera perfecto y se minimizaran al máximo las vibraciones. Pero al aumentar la rigidez y la masa, e interrumpir con materiales elásticos las vías de transmisión se consiguió reducir la propagación de vibraciones en la estructura.

Mediante las señales registradas al variar la ubicación de los micrófonos, se consiguió ver un gran cambio tanto en intensidad como en el comportamiento espectral de cada instrumento. Las capturas procedieron sin interrumpir la interpretación de los músicos, y aunque al desplazar el prototipo mediante el motor numero uno se alcanzo a filtrar el ruido propio de los mecanismos en la captura, éste no es relevante a la hora de registrar altos niveles de presión sonora.  

Bibliografía

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