TECNOLOGÍA
“Tengo un gusto muy sencillo. Siempre me siento satisfecho con lo mejor.”, Oscar Wilde.
Durante el desarrollo del sistema de auriculares electrostáticos Sonoma Model One (M1) se prestó particular atención a cada aspecto del diseño para asegurar que el sistema, como un todo, cumplía dos criterios críticos:
1- ofrecer sonido en alta resolución con una calidad de sonido sin parangón
2- garantizar al oyente el máximo confort posible
A continuación, explicaremos qué tecnologías se han empleado y qué beneficios ofrecen.
AURICULARES
Transductor HPEL
El transductor de altavoces ideal tendría una masa cero, respondería con rapidez infinita a cualquier señal, estaría perfectamente amortiguado, no mostraría distorsión alguna y sería totalmente lineal. Hasta ahora, la tecnología que mejor ejemplifica estas características sería la electrostática. Presentados hace casi 60 años, los auriculares electrostáticos han seguido siendo la elección de oyentes con alto grado de discernimiento que piden la máxima calidad de sonido. Ahora se ha desarrollado un nuevo y revolucionario transductor electrostático, derivado del mundo de los ultrasonidos, a manos de Warwik Audio Technologies Ltd, en Reino Unido. El patentado transductor HPEL (transductor laminado electrostático de alta precisión) marca el inicio de un nuevo paradigma en el campo de los altavoces electrostáticos, y el Sonoma M1 es el primer sistema de auriculares del mundo en usarlo.
Un transductor electrostático convencional se compone de una fina membrana (cubierta por un material conductor) entre dos rejillas metálicas que conducen la electricidad. Existe un pequeño espacio entre la membrana y las rejillas. La membrana se mantiene con un alto potencial de corriente directa en relación con las dos rejillas y la señal de audio se transmite a través de las rejillas. El resultado es que la membrana se mueve en respuesta a la señal de audio, creando así el sonido. Claramente, para que el sonido se pueda propagar por esta construcción tipo sándwich de rejilla y membrana, las rejillas deben estar perforadas de algún modo.
Por el contrario, el HPEL usa una película laminada, flexible y muy fina (15 μm, inferior al grosor de un cabello humano) para la rejilla “frontal”. El laminado se fija a la estructura abierta (celda) de un espaciador aislante (hecho de FormexTM) y esta película se tensa mecánicamente, con gran precisión, en el plano X-Y. De este modo, las celdas crean pequeñas “membranas de tambor”. Una malla de acero inoxidable forma la rejilla “trasera”. Cuando la señal de audio se superpone sobre un voltaje de polarización de 1350V DC, las membranas formadas por la rejilla frontal flexible vibran, produciendo sonido. Al contrario que un panel electrostático tradicional, el sonido que escuchará de un HPEL no pasa por una rejilla. Para aprovechar al máximo esta característica, todo lo que hemos hecho en el diseño del M1 es para mantener las zonas delante y detrás del transductor lo más libres posibles para que las ondas sonoras no encuentren ningún impedimento.
Gracias al software propietario Finite-Element Analysis, WAT es capaz de perfeccionar las características de estas membranas de tambor de tal modo que tengan diferentes frecuencias de resonancia. Cada celda es acústicamente independiente, pero es movida en paralelo. El resultado es que el sonido de cada celda combina en espacio acústico, pero las resonancias independientes establecen una media, evitando que se dé un gran pico resonante en la banda de audio (como puede ocurrir si hay una sola área).
Este fino material laminado asegura una extendida respuesta de frecuencia, con el panel manteniendo la linealidad por encima de 60 kHz. El HPEL muestra un rendimiento en transitorios sin igual y su área de superficie ha sido maximizada para ofrecer una respuesta de frecuencia plena. Además, debido al hecho de que se produce mediante modernas técnicas de fabricación automatizada, el HPEL ofrece una consistencia sin igual y transductores con un emparejamiento casi perfecto (una diferencia de <± 0,8dB entre los canales izquierdo y derecho). La simplicidad de su diseño también garantiza la durabilidad y fiabilidad.
Naturalmente, un transductor tan fino y ligero es susceptible de doblarse, así que el panel viene insertado en un “chasis” de policarbonato reforzado con fibra de vidrio especial y muy rígido, que permite que el transductor trabaje en condiciones óptimas.
Cascos de magnesio inyectado
En comparación con el aluminio, el magnesio es un tercio más ligero y tiene una amortiguación acústica superior. Combinando una excelente relación fuerza-peso, una gran rigidez y un sobresaliente blindaje frente a interferencias electromagnéticas y por radiofrecuencia, el magnesio es el material ideal para albergar el transductor HPEL para asegurar su rendimiento óptico. Los cascos del M1 han recibido su forma con un molde de inyección de precisión a una presión muy alta. El resultado es un peso de 303 gramos que contribuye a la comodidad del auricular. En estos auriculares sólo se han empleado tornillos y sujeciones de acero inoxidable de alto grado por su solidez y resistencia a la corrosión.
ALMOHADILLAS Y DIADEMA DE PIEL CABRETTA COSIDAS A MANO
La comodidad de un auricular es de suma importancia. Queremos que pueda disfrutar de los M1 durante largas sesiones. Un sonido excelente y un ligero diseño no servirían de nada si las almohadillas y la diadema resultaran incómodas. Para asegurar el mayor disfrute posible, nuestras almohadillas se cosen a mano con cuero de oveja Cabretta de la mejor calidad, conocido por su ligereza, durabilidad y suavidad.
El cuero empleado en el modelo M1 proviene de Etiopía. Después, las pieles se curten en Pittards, Reino Unido, donde se han estado curtiendo pieles desde 1826. Finalmente, las almohadillas se cosen a mano en Alemania.
Auricular de nylon 12
Es vital que una diadema combine la flexibilidad suficiente -para poder ajustarse a diferentes tamaños de cabeza- con robustez y resistencia a la rotura frente al estrés: tan solo tiene que pensar cuántas veces se puede llegar a poner y quitar los auriculares durante toda su vida. Para poder cumplir estos requisitos, hemos optado por una diadema hecha de Nylon 12 (también conocido como poliamida 12). Esto permite doblar la diadema, pero ésta permanece fuerte a pesar de un uso prolongado. Además, el Nylon 12 amortigua el ruido y las vibraciones.
Internamente, la diadema contiene elementos de acero inoxidable con un revestimiento de titanio vaporizado que asegura su solidez.
Cable de baja capacitancia
Un auricular electrostático no presenta una carga normal para el amplificador asociado. El resultado es que es imposible usar un cable cualquiera para conectar amplificador y auricular. Por eso, en colaboración con Straight Wire Inc., hemos desarrollado un cable totalmente nuevo para el M1. El objetivo era cumplir los siguientes requisitos:
1. minimizar la capacitancia;
2. minimizar la captura de ruido mecánico;
3. maximizar la pureza de la señal;
4. el cable debía ser fino, flexible y ligero.
Compaginar varios de estos criterios en un cable no resultó complicado; lo complicado es conseguirlos todos, ya que obtener buenos resultados en un aspecto podía perjudicar al resto, generalmente el aspecto de la delgadez, flexibilidad y ligereza.
El cable se compone de hebras muy finas de cobre ultra-puro libre de oxígeno (OFHC) bañado en plata. El aislamiento es una espuma de polietileno, elegida por su elevada constante dieléctrica, y está bien amortiguada. No hay conexión a masa común entre los cables de señal izquierdo y derecho, y el material de relleno de fibra de la cubierta mantiene los conductores lo más separados posible (para reducir la capacitancia y la microfonía), pero también ayuda a amortiguar cualquier microfónica de los cables. Para asegurar su robustez, hemos entretejido dos fibras de Kevlar®.
La capacitancia resultante del cable es increíblemente baja, 50 pF/m. En el extremo del amplificador, el conector está eléctricamente aislado del chasis del amplificador, mientras que en el de los auriculares se usan conectores con auto-bloqueo para asegurar una conexión segura. En el cable encontramos un sensor de espira que llega a cada casco y, si el cable se desconecta en alguno de sus extremos, el amplificador se desconecta automáticamente.
ENERGIZADOR Y DAC
Amplificador RCA discreto en clase A
Como todos los transductores electrostáticos, el HPEL necesita un amplificador de alta voltaje para poder funcionar. En el caso de los M1, la energía viene de un amplificador FET discreto RCA en clase A con una distorsión muy baja y un amplio ancho de banda, optimizado para el HPEL. El amplificador fue diseñado y optimizado para mover la inherente carga capacitativa de un transductor electrostático y la etapa de salida en clase A funciona con un nivel de bias elevado y entrega una velocidad de precesión muy elevada. Este funcionamiento con el bias tan elevado resulta en una linealidad mejorada.
La señal de control tiene una amplitud máxima de 145V (rms), que se sobreimpone al bias de 1350V DC. A pesar de trabajar con un nivel de corriente bajo, los altos voltajes en uso se traducen en una potencia significativa (para un amplificador de auriculares) en la salida del amplificador. En consecuencia, se usan dispositivos de alta calidad diseñados para poder trabajar con esos niveles de potencia.
“Independientemente del tipo de dispositivo de ganancia, en sistemas en los que lo primordial es la reproducción natural, la circuitería RCA en Clase A es la topología a tener más en cuenta”. – Nelson Pass
Se dice que los FET combinan las características sonoras de las válvulas con la fiabilidad del estado sólido. En el caso de los M1, se ha elegido el FET de International Rectifier para las aplicaciones de amplificación lineal. La atención al detalle continúa con nuestro compromiso de usar los mejores componentes pasivos -optimizados para su uso específico en el diseño electrónico- tales como AVX, Bourns, Vishay etc.
Para asegurar el aislamiento frente a todas las fuentes de interferencias, el amplificador viene en un recinto de aluminio completamente blindado (ver a continuación).
El amplificador ofrece las siguientes entradas:
1. USB 2.0 (digital)
2. coaxial S/PDIF (digital)
3. jacks RCA de nivel alto (x2) (analógico)
4. jack estéreo de 3,5mm de nivel bajo (analógico)
La entrada USB 2.0 acepta todos los formatos de audio en alta resolución hasta 32-bit/384 kHz PCM y DSD vía DoP (DSD64/DSD128), mientras que la entrada S/PDIF acepta todos los formatos PCM hasta 24-bit/192 kHz. Las entradas RCA de nivel alto operan con una señal de entrada máxima de 2,1V (rms), mientras que el jack de 3,5mm de nivel bajo acepta una señal máxima de 850mV (rms).
DAC ESSE SABRE de referencia
El sistema Sonoma M1 fue desarrollado para ofrecer un rendimiento de verdadera alta resolución. Para la tan crítica etapa de conversión digital a analógica recurrimos a un verdadero líder en su campo, ESS Technology, que está universalmente reconocido como el fabricante más importante del mundo de chips DAC, y optamos por su referencia en 32-bit. Se usan dos chips estéreo en modo dual mono para ofrecer una relación señal a ruido (SNR) de 129 dB.
Procesado de señal digital de punto fijo de 64-bit
Cualquiera que esté familiarizado con las mediciones de altavoces o amplificadores sin duda habrá visto zonas de respuesta de frecuencia plana de unas decenas de Hz hasta los 20+ kHz. Una respuesta de frecuencia plana es el objetivo final de estos componentes y es muy fácil de conseguir en un amplificador, pero más difícil en un altavoz, especialmente en una estancia “real” (en oposición a una cámara anecoica).
Por desgracia, la situación con los auriculares es aún más complicada. La manera en la que un campo sonoro interactúa con nuestros oídos da lugar a una respuesta de frecuencia no plana conocida como HRTF (Head-Related Transfer Function o función de transmisión en relación a la cabeza). Peor aún, la HRTF cambia dependiendo de la dirección desde la que venga el sonido.
Complicando aún más el asunto, se da la circunstancia de que no se ha llegado a una conclusión universal acerca de la respuesta de frecuencia que debería alcanzar un auricular. Históricamente se han dado dos opciones: campo libre o campo difuso. El campo libre es parecido a escuchar un par de altavoces en una cámara anecoica, algo que muy pocos usuarios hacen. Por el contrario, el campo difuso es parecido a escuchar un par de altavoces en una sala muy reflexiva (reverberante). Aunque probablemente esto último sea lo más habitual, está lejos de ser lo ideal.
“La respuesta de frecuencia es el aspecto más importante en el rendimiento de cualquier aparato de sonido. Si está mal, nada más importa.” – Floyd Toole.
Los estudios han determinado que los oyentes realmente prefieren algo diferente y más parecido a escuchar un par de altavoces “planos” en una buena sala de audición. Este es el acercamiento por el que hemos optado con los M1 y la respuesta de frecuencia que nos hemos puesto como objetivo se denomina “respuesta de campo semi-difuso modificada”.
Ayudándonos a conseguir la respuesta deseada en la salida del auricular, procesamos digitalmente todas las señales usando aritmética de punto fijo y doble precisión de 64-bit dentro de un procesador XMOS multi-núcleo de alto rendimiento. Es bien sabido en el campo del procesado de audio que la aritmética de punto fijo es la mejor y la de 64-bit usada en el Sonoma M1 excede el rendimiento de la mayoría de estudios profesionales.
Todas las respuestas de filtros dentro del DSP son de fase mínima, de baja inclinación y optimizadas para alcanzar una excelente respuesta en el dominio tiempo.
Sacando aún más partido de la increíble precisión del DSP de 64-bit, hemos sido capaces de implementar en el amplificador un control de volumen interpolado totalmente digital que mejora en rendimiento drásticamente a todos los atenuadores escalonados puramente analógicos que hemos evaluado. Los beneficios incluyen:
1. ninguna pérdida de fidelidad ni de rango dinámico;
2. perfecta adaptación entre los canales izquierdo y derecho;
3. ninguna ausencia de linealidad en potenciómetro/atenuador en el extremo del rango;
4. ningún problema de ruidos como de “cremallera”, clics, chasquidos etc.
Resumiendo… ¡suena mejor!
ADC AKM 32-bit/384kHz de nivel superior
Debido a la necesidad de que el DSP alcance la respuesta de frecuencia que hemos marcado como objetivo, todas las señales analógicas entrantes deben convertirse primero en digitales. Esto se lleva a cabo en un chip ADC AKM 32-bit/384kHz (conversor analógico a digital). Como el amplificador tiene entradas de nivel bajo (3,5mm) y de nivel alto (RCA), se usan canales ADC independientes dependiendo de la entrada seleccionada. Es decir, hay dos caminos de señal totalmente independientes y optimizados, uno para la entrada de nivel bajo y otra para la del nivel alto. De este modo, la capacidad del rango dinámico completo del ADC se consigue independientemente de la entrada seleccionada. La relación señal a ruido medida en las etapas de conversión analógica a digital excede los 120 dB.
Oscilador Crystek de ruido de fase ultra bajo
El mejor rendimiento de cualquier sistema digital viene determinado por la calidad de su reloj maestro. Para garantizar el máximo rendimiento independientemente del formato de la señal de entrada, el Sonoma M1 se construye alrededor de un oscilador de ruido de fase ultra bajo de Crystek. Funcionando a 100 MHz, presenta un ruido de fase de cerrado extremadamente bajo (<90dBc/Hz) y un nivel de jitter de los mejores del ramo de, a 100 Mhz, 82 femtosegundos (82x 10-15s). Todos los relojes usados en el M1 se derivan de este excepcionalmente preciso oscilador maestro a través de un sofisticado esquema de distribución de reloj usando divisores de frecuencia de Texas Instruments.
Diseño óptimo de la placa base
El uso de elementos de nivel superior no garantiza un rendimiento de gran calidad. En el diseño del sistema M1 se ha prestado especial atención al trazado de la placa base para poder asegurar los niveles de distorsión y ruido más bajos posibles. Gracias a la cuidadosa ubicación de cada componente, somos capaces de mantener un ruido de fondo muy bajo, tan solo -129dB.
Chasis del amplificador de aluminio mecanizado por CNC
En contraste con los auriculares M1, en los que todos los esfuerzos han ido orientados a minimizar el peso, el amplificador M1 presenta una masa considerable. Partiendo de una sólida pieza de aluminio 6063 de gran pureza, este material primero se extrude y después se mecaniza para producir una delgada pieza en forma de U que forma la base y las paredes laterales del amplificador. Las paredes metálicas tienen 8 mm de grosor. La plancha superior, del mismo grosor, se fabrica de forma similar, junto con unas placas finales de 1 cm que rematarán el recinto. En la base y en la placa superior se graba un diseño de ondas en 3D que facilita la disipación del calor.
Para obtener el acabado final del metal, las partes mecanizadas son tratadas a presión con unas finas perlas de vidrio antes de recibir un anodizado claro. Finalmente, todos los logos y marcas se graban con láser en el metal, así que no hay forma de borrarlos ni de que se vayan perdiendo con el tiempo.
Este recinto tan bello sería de poca utilidad si no ayudara a mejorar el rendimiento del sistema. El chasis M1 completo conduce la electricidad y actúa como un perfecto blindaje frente a interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia. Se ha prestado especial atención a asegurar una ruta de derivación a tierra de baja impedancia entre cada componente mecánico del chasis y la placa de masa, que se extiende a la fuente de alimentación universal personalizada (ver más abajo) y la conexión a tierra. La tierra de la señal se mantiene aislada de este blindaje protector y todas estas funciones juntas contribuyen a mantener el ruido de fondo muy bajo y libre de interferencias externas.
Cable de datos USB superior
Como el USB es la única conexión que acepta todos los formatos de audio digital de alta resolución que soporta el Sonoma M1 (PCM hasta 32-bit y DSD64/DSD128), era muy importante asegurar que no se comprometía el rendimiento al usar esta conexión. Consecuentemente, en colaboración con Straight Wire Inc., desarrollamos el cable USB suministrado. Con conectores bañados en oro y un trayecto para la señal bañado en plata, es la conexión idónea entre la fuente de música digital y el sistema Sonoma M1.
Fuente de alimentación universal personalizada
Debería ser obvio que se necesita una alimentación eléctrica estable y limpia para el funcionamiento de cualquier circuito de audio. Para el M1 hemos optado por una solución de dos partes para mantener el máximo ruido posible fuera del sensible camino del audio.
La primera etapa incluye una fuente de alimentación externa, conmutada, de voltaje universal diseñada específicamente para nosotros. Aunque tenga un aspecto muy parecido a las unidades proporcionadas con ordenadores portátiles o similares, internamente es muy diferente. Para evitar problemas de límites, nuestro dispositivo es capaz de entregar 3,5 veces la potencia máxima que el amplificador está diseñado para tratar en condiciones de régimen constante. Además, esta unidad usa un conmutador de frecuencia fijo (operando por encima de 85 kHz) para evitar la posibilidad de que la frecuencia de conmutación caiga en la banda de audio a medida que el consumo de potencia cambia (es decir, la frecuencia de conmutación permanece por encima de 85 kHz, pero con un filtro interno mejorado para obtener un ruido y una onda extremadamente bajos (<50mV pico a pico). Se conecta al amplificador mediante un cable blindado de gran calidad (con cubierta trenzada para hacer juego con el cable del auricular) y, para asegurar que la conexión sea perfecta, lleva un conector Switchcraft con auto-bloqueo. Se ha añadido al cable DC un filtro de núcleo de ferrita enorme para reducir las interferencias electromagnéticas.
Dentro de este amplificador, toda la circuitería de audio viene suministrada por varias etapas de reguladores lineales de alta corriente y ruido ultra bajo de Analog Devices. Las etapas de regulación de potencia aisladas se usan en las secciones tanto analógicas como digitales y también en las etapas de los circuitos de nivel alto y nivel bajo.
Esta solución de alimentación en dos partes es cara, pero creemos que es necesaria para cumplir con el objeto de un rendimiento sin compromisos.
