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Uso de filtros. Butterworth, Linkwitz , Bessel

  • Publicado en Didáctica directo

ButterworthCuando hablamos de filtros en sonido, estos tienen más importancia de lo que en un principio pueda parecer, incluso hay técnicos de sonido que ni lo usan en el 90% de los casos, pero es necesario conocerlos, así como sus aplicaciones y funcionamiento. Cuando preguntamos a algún técnico de sonido sobre los filtros, lo primero que se le viene a la cabeza son los filtros que se encuentran en los canales de entrada de las mesas de mezclas.

Pero los filtros están presentes en los ecualizadores, ya sean analógicos, digitales, parametritos, gráficos,…asimismo se encuentran en los procesadores de altavoces, crossovers… e incluso en la mayoría de equipos de audio existente. Evidentemente, según estén destinados a una u otra aplicación será de un tipo u otro.

Un filtro se caracteriza por su curva de respuesta de frecuencia, que indica la forma en que las diferentes frecuencias en la entrada se atenúan o amplifican.Todos los componentes electrónicos de sonido poseen una curva de respuesta de frecuencia particular, aunque lo ideal sería que esta curva fuese plana (una recta horizontal) entre los 20 y los 20.000 Hz, ya que toda desviación conlleva una modificación artificial del timbre del sonido.

Tipos de filtro según frecuencia de corte
Dejando al margen estos problemas de diseño, que seguirán llevando de cabeza a los diseñadores de componentes electrónicos, los filtros más usuales pueden clasificarse, de acuerdo con la forma de esta curva de respuesta, en cuatro grandes familias: pasa-bajo, pasa-alto, pasa-banda y rechazo de banda.

filtros3

El filtro pasa-bajo. Deja pasar las frecuencias por debajo de un determinado valor, denominado frecuencia de corte, también conocido como cut-off.  En un filtro ideal esta frecuencia debería suponer una discontinuidad en la curva de respuesta, de forma que toda frecuencia por encima de este valor se atenuará totalmente y toda frecuencia por debajo se dejará tal cual. En la práctica, esto no es posible y todos los filtros reales presentan una pendiente y rizado en la zona cercana a esta frecuencia de corte. Cuanto más inclinada sea esta pendiente de atenuación, más preciso será el filtro, aunque no siempre es el objetivo deseado. En los equipos de audio, la abreviatura inglesa empleada para indicar la presencia de este filtro es LPF (Low Pass Filter).

El filtro pasa-alto. Hace lo contrario al anterior, ya que únicamente deja pasar las frecuencias superiores a la frecuencia de corte; viene indicado en los equipos como HPF (High Pass Filter).

El filtro pasa-banda. Deja pasar una banda de frecuencias, eliminando el resto. Se define a partir de la frecuencia central o de resonancia y el ancho de banda.

filtro rechazo de banda

El filtro de rechazo de banda. Actúa de forma inversa al de pasa-banda. Al igual que éste, se caracteriza por la frecuencia de resonancia y el ancho de banda.

Cuando anteriormente hablábamos de los filtros más comunes que encontramos en sonido, nos referimos a los filtros “Pasa Alto”, es decir los que se denominan HPF en la mesas de mezclas.Estos suelen ser de frecuencia fija en mesas de gamas baja y medias, y la frecuencia de corte suele estar alrededor de los 100Hz, mientras en las mesas de gama mas alta esta frecuencia de corte es variable y puede empezar en 20Hz y llegar a los 400Hz o 600Hz.
Algunas mesas también tiene filtros paso bajo variable, este tipo de filtros es muy práctico ya que nos deja la totalidad de la ecualización para realzar o atenuar determinadas frecuencias en el canal.

En los filtros como observamos en el dibujo superior, la frecuencia central f0, llamada “Center Frequency”, esta relacionada con el ancho de banda, llamado “Bandwidth” que se toma como referencia en el punto de -3dB, es decir el espacio comprendido entre f1 y f2. El uso de estos filtros se encuentra en los ecualizadores, ya sean gráficos (sólo se puede modificar el nivel de una serie de frecuencia preestablecidas) o paramétricos (se puede modificar la ganancia, la frecuencia y la relación con el ancho de banda).

El ecualizador es el elemento que permite modificar la curva de respuesta en frecuencia de un sistema de audio. Esta modificación se realiza con el empleo de bancos de filtros pasa-banda en paralelo, alterando, mediante la actuación sobre sus controles, la señal recibida y modificando así la respuesta del sistema sonoro hasta conseguir una respuesta idónea para el local y tipo de música deseada.

La mayoría de ecualizadores también poseen filtros pasa-altos o pasa-bajos variables

También es cierto que la mayoría de equipos de sonido poseen filtros llamados subsónicos, o sea que no dejan pasar frecuencias por encima o por debajo de las frecuencias audibles del espectro de audio, de 20Hz a 20.000Hz.

Otro parámetro importante en los filtros es el valor de la pendiente, es decir los decibelios por octava de esta.
Lo más normal, siguiendo en el mundo de los ecualizadores, es que las pendientes sean de 6 dB o 12dB por octava.
Veamos un caso práctico: si un canal de una mesa de mezclas posee un filtro HPF donde el valor de la frecuencia es fijo y más concretamente se encuentra en 100Hz y según las características técnicas que nos da el fabricante de esta, el valor de la pendiente de este filtro es de 12dB/octava, no quiere decir que en 100Hz tengamos una atenuación de 12dB, sino que en su octava inferior es decir, doble o mitad de la frecuencia, en 50Hz tendremos dicha atenuación de 12dB.

Filtros digitales
Un concepto erróneo es que los filtros analógicos sí alteran la relación de fase mientras que los digitales no lo hacen, no debemos olvidar que los filtros que encontramos en equipos digitales, como ecualizadores o procesadores de altavoces, no son otra cosa que la reproducción fiel de los filtros analógicos en su forma digital.

Las posibilidades del filtrado digital son muchas, a continuación van algunas de ellas:

Simulación de dispositivos analógicos. Un filtrado selectivo puede hacer emulaciones descendentes, es decir, simular las características sonoras de dispositivos de baja calidad, como teléfonos, radios antiguas...
Estos dispositivos se caracterizan por tener curvas de frecuencia bastante estrechas. En este caso, la herramienta más sencilla suele ser el ecualizador gráfico. Si el programa dispone de presets de ecualización bastará con seleccionar el oportuno. Si no encuentra el preset que desea, una vez haya configurado convenientemente el ecualizador, tendremos que memorizarlo para futuros usos.

Filtrado pasa-bajo al reducir la frecuencia de muestreo. La reducción de la frecuencia de muestreo provoca el fenómeno del aliasing, por el cual aparecen frecuencias fantasmas que no se encontraban en el sonido original. Para evitar el aliasing, antes de convertir un fichero a una frecuencia de muestreo inferior, deberá aplicar un filtro pasa-bajo con frecuencia de corte igual a la mitad de la nueva frecuencia de muestreo. O sea, que si lo que queremos es pasar un fichero grabado a 44.100 Hz a 22.050 Hz, deberemos, por lo tanto, filtrar el sonido, eliminando sus componentes frecuenciales por encima de 11.025 Hz.


Muchos programas en la actualidad simplifican este proceso, ya que ofrecen la opción de filtrar automáticamente al pasar a una frecuencia menor

El realzado sonoro. Es especialmente eficaz y aconsejable con grabaciones de voz. Piense que muchas de las voces aterciopeladas y seductoras de los cantantes actuales son fruto directo del laboratorio. Pruebe a potenciar diferentes bandas de frecuencia en grabaciones de su propia voz. Recordemos que la voz humana posee componentes entre los 100 Hz y los 5.000 Hz aproximadamente y que la manipulación de frecuencias múltiplos de estos fundamentales, armónicos, consiguen efectos muy sorprendentes.

Análisis espectral. Para no trabajar a ciegas, el análisis espectral es una herramienta muy útil que nos puede dar una idea de las cualidades y carencias de cualquier sonido. En ocasiones, se infiltran en las grabaciones molestos ruidos con una frecuencia fija, causados por interferencias eléctricas. El análisis espectral nos permitirá detectar estas frecuencias fastidiosas, para proceder a su filtrado posterior. Imaginad extraer un determinado sonido de un instrumento de una mezcla, esto lo consiguen con cierto éxito algunos programas de análisis espectrales, el más conocido y más veterano: “Audiosculpt”.

El filtrado creativoMezcla ciencia y arte, permite alterar radicalmente la naturaleza de cualquier sonido. Crear sonidos "musicales" a partir de otros sonidos que nada o poco tienen que ver el uno con el otro, el programa citado anteriormente también realiza esta tarea con bastante éxito.

Relación de fase en los filtros. Sabemos que los filtros se clasifican por su pendiente, es decir, dependiendo los decibelios por octava de estas; también hemos mencionado que el empleo de filtros tiene consecuencia sobre la relación de fase de una señal de audio.

Los tipos de filtros son

Butterworth

Butterworth

 

Bessel

Bessel

 

Linkwitz Riley vs Butterworth

Linkwitz Riley vs Butterworth

Reciben estos nombres en honor a sus descubridores, así mismos los filtros más empleados en la industria del audio son los Linkwitz Riley.

Existen otros tipos de filtros que de vez en cuando algún fabricante de audio en un alarde comercial de innovación tecnológica presenta como nuevo, pero esto no es así, están los que son y los que se presentan como novedad suelen ser combinaciones de algunos de los anteriores.

 

- Filtro LPF 100Hz 6dB/Octava

- Filtro LW12dB/Octava en 100Hz

- HPF y LPF LW de 2ºorden en 100Hz

FILTROS DIDACTICA

 

Respuesta de fase de los filtros

Efectivamente, si observamos la respuesta de fase de cada filtro al ser cada uno de 2º orden tendremos 90º hacia arriba en el filtro HPF y 90º hacia abajo en el filtro LPF, con lo que al sumar ambos la diferencia será de 180º con la consecuente cancelación en ese punto. Para solucionar este problema, bastara con invertir la polaridad de uno de los filtros, recordemos que esto hace que la fase cambie 180º, así habrá suma en el punto de corte.

Empleo de filtros en crossover o procesadores digitales de altavoces
Evidentemente explicar e ilustrar tolas la consecuencia de empleo de cada tipo de filtro sería demasiado largo, por lo que vamos a enumerar cuáles son las características y consecuencias de cada filtro. A la hora de ajustar un sistema de sonido es fundamental, cuando se va a combinar las distintas vias de graves, medios y agudos mediante los crossover, conocer las consecuencias sobre la respuesta de fase y frecuencia del sistema.

-Los filtros butterworth tienen como característica una atenuación de 3dB en el punto de corte.

-Los filtros Linkwitz Riley tienen tienen como característica una atenuación de 6dB en el punto de corte.

-Los filtros bessel tienen como característica una atenuación de 8dB en el punto de corte.

Si combinamos dos filtros Butterworth HPF y LPF, la respuesta de frecuencia resultante es de +3dB en el punto de corte, esto es debido a que este tipo de filtros tiene -3dB en el punto de corte y la respuesta de fase idéntica, así sumarán 6dB, por lo que la resultante será de +3dB. Lo mismo ocurre con cada tipo de filtro, veamos el caso práctico de un filtro Linkwitz Riley.

smaart live

Conclusión
Con todos estos conocimientos teóricos bien asimilados, posiblemente más de un técnico de sonido se lo piense dos veces a la hora de tocar un ecualizador o cualquier otro equipo que esté compuesto por filtros. También es fundamental un buen conocimiento de estos principios básicos a la hora de ajustar las distintas vías de un sistema de sonido, para ello deberemos de armarnos de un buen micrófono de medida, un portátil Mac o Pc, un programa de función de transferencia como los ya muy populares MAC FOH o SMAART LIVE y ajustar los procesadores digitales de altavoces, imprescindibles en todo buen sistema de sonido que se precie.

Ya que si este está bien ajustado y el artista es muy bueno, nuestro trabajo se simplifica en gran medida, lo que nos permite disfrutar cada vez más de la música con la que estamos trabajando y que, en otras épocas, nos tenía demasiado ocupados en solucionar problemas técnicos, más que en lo que realmente importa hacer, que es disfrutar con lo que más nos gusta, la música en directo.

 

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