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Beam Steering (Parte I)

La técnica de “beam steering” está ganando popularidad en los sistemas de sonido. Este post propone profundizar el concepto y analizarlo desde su origen (telecomunicaciones y sonares) exponiendo las dificultades que involucra trasladarlo al campo acústico.

El objetivo de la técnica es controlar el frente de onda generado por un arreglo lineal de transductores. Se logra aplicando retrasos temporales y variaciones de nivel a cada elemento del arreglo. Mediante distintas combinaciones se puede concentrar (enfocar) la energía en un punto, direccionarla o incluso dispersarla.

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En la primera imagen se observa un arreglo lineal de cristales piezoeléctricos (probablemente de un ecógrafo ultrasónico). Cada componente reproduce un mismo impulso pero a tiempos distintos. Los extremos primero y luego el centro. El resultado es un frente de onda curvo con un punto focal, es decir, un punto en el espacio donde todos los pulsos llegan en fase.

En la segunda imagen se muestra otro arreglo, esta vez de transmisores de radio frecuencia. En este caso no se reproduce un pulso sino una única frecuencia.

A la izquierda, todas las antenas emiten en simultáneo y el frente de onda es paralelo al arreglo, mientras que a la derecha el frente de onda está inclinado. El retardo de cada transductor fue expresado como giro de fase, si supiésemos la frecuencia podríamos obtener el tiempo de delay en segundos.

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Ahora bien, para lograr un frente de onda plana a partir de varios transductores es necesario satisfacer algunas condiciones: la dimensión del arreglo debe ser mayor que la longitud de onda a reproducir, además los transductores deben estar suficientemente cerca unos a otros y, por último, deben ser omnidireccionales en todas las frecuencias.

Los ejemplos planteados trabajan en un rango de frecuencias reducido, una octava aproximadamente. Las dimensiones de una antena o de un sonar ultrasónico se optimizan para un rango específico de frecuencias de modo que las condiciones anteriores queden satisfechas.

En sonido, las longitudes de onda varían desde 17 metros a 1.7 cm (20Hz a 20kHz) dentro del rango audible. Para controlar la directividad a baja frecuencia serían necesarios arreglos de 20 metros o más. Por otro lado, la distancia entre transductores debería ser menor a la longitud de onda más pequeña para evitar lóbulos secundarios. Esto se traduciría en un gran número de transductores, cada uno con procesamiento independiente. Y, por último, los parlantes no tienen directividad constante, se hacen direccionales a medida que aumenta la frecuencia. Para lograr control directivo es necesario solapamiento, fuentes directivas que no interactúan entre sí no pueden sumarse ni restarse.

Este es uno de los motivos por los que el beam steering no se ha popularizado en sistemas grandes de Line Array, el uso de guías de onda impide el direccionamiento virtual en alta frecuencia. Sigue siendo más simple y preciso angular tanto los gabinetes como el arreglo entero.

No sucede lo mismo en sistemas más pequeños del tipo columnas, en donde los transductores son más pequeños (menor distancia entre fuentes), de rango extendido y es posible realizar estructuras relativamente grandes. El problema se traslada a la cantidad de procesadores necesarios para controlar cada componente.

Sigue en Parte II.

Ing. Facundo Ramón
Investigación & Desarrollo – Equaphon

Facundo Ramón

11 Comments

  1. Yo interpretó q se usaría el delay para q salgan en fase el sistema. .con respecto al punto al punto posterior donde se sitúen las últimas cajas… Para q funcione de forma cardioide. .

    • Hola Marcelo. Es cierto que el delay se usa para alinear sistemas y además es posible realizar configuraciones cardiodes con un arreglo de sub-woofers (podés leer más sobre ese tema en este post: Subwoofers: arreglo de arco). En este post se propone una visión más general de la técnica Beam Steering, abarcando todo el espectro audible (bajas, medias y altas frecuencias). Un saludo y gracias por comentar!

  2. No logro entender bien esta técnica …
    Se trata de trabajar con los delay’s a full range en cada uno de los componentes para retrasar la señal del que sale antes para lograr una suma acústica en el frente del recinto ( caja ) ??
    Se rata también de retrasar el grupo de componentes que sea necesario para lograr un cambio de dirección en la dispersión del arreglo ??

    Pero en ningún momento lograríamos un frente de onda cilíndrico verdad ??
    Es decir… Lo de Harry F. Olson lo estaríamos hechando por tierra no ?
    Seguiríamos perdiendo 6dB cada vez que doblamos la distancia a la fuente ???

    • Hola Carlos, gracias por tu consulta. Lo dijiste bien, la técnica se basa en utilizar delay para direccionar el frente de onda de un arreglo lineal. La suma acústica no sucede exactamente en el frente del arreglo, sino que hace falta cierta distancia.
      Por otro lado, el frente de onda cilíndrico es una suposición teórica que requiere una fuente lineal infinita, en la práctica es más complejo, podés leer al respecto en este post Teoría del Line Array (Parte II). Utilizar Beam Steering requiere un frente de onda cilíndrico (por lo tanto la presión sonora decaería 3dB por duplicación de distancia) y por este motivo es tan difícil aplicarlo en Line Arrays comerciales. Un saludo!

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