Altavoces
20/1/2014
Altavoces
Podemos repre sentar las ondas sonoras mediante un sistema de ejes cartesianos X-Y donde el eje X representa el tiempo y el eje Y represe nta la amplitud o intensidad de esa onda sonora. En el dibujo representamos una onda senoidal, producida por la vibración en e l aire de una lámina metálica. Como toda función periódica, es decir, que se repite en un mismo intervalo de tiempo, llamamos período T al tiempo empleado por la onda en completar un ciclo completo. A la inversa del período se denomina frecuencia (f = 1/T) y vie ne dado en ciclos/segundo, hercios (Hz) o se ncillamente (s^-1) que son segundos elevado a menos uno. El sonido es un fenómeno físico de naturaleza mecánica. Necesita un medio material para poder propagarse, y lo hace como una vibración en ese me dio. Nosotros percibimos el sonido habitualmente a través del aire, que es nuestro medio natural, pero también se propaga e n el agua, los muros de nuestra casa, los muebles, y cualquier otra cosa que imaginemos. La velocidad de propagación del sonido e s constante para cada medio, y depende de la naturaleza de éste. En el aire a 20ºC la velocidad del sonido es de 343 m/s, y para el agua de mar es de 1504 m/s. Estas velocidades varían con la densidad del medio, y esta propiedad puede variar por la temperatura y pre sión a la que se halle sometida el medio. Para medir el nivel sonoro que nosotros percibimos, se emplea may oritariamente el decibelio (dB) que es una escala logarítmica y es la décima par te del Belio (B). ¿Por qué se utiliza una escala logarítmica? Porque se ha podido comprobar que el oído humano, en cuanto a la forma de percibir un nivel sonoro, su intensidad, corresponde de forma más parecida a una escala logarítmica que a una escala lineal. Por eje mplo, si reprodujéramos un sonido con una potencia de 1w en nuestro equipo hi-fi y asignamos ese nivel sonoro a un número arbitrario, por ejemplo el 1, y a continuación elevamos la potencia a 2w, tendríamos la sensación de que habríamos doblado e l nivel sonoro, que en decibelios ser ía ahora igual a 4; habríamos aumentado en 3 dB el nivel sonoro original. Para vo lver a incrementar en otros tres dB la sensación sonora, a un valor igual a 7 en nuestra escala, necesitaríamos multiplicar por dos la potencia en watios. Por esta misma razón, los potenciómetros de volumen de nuestros amplificadores se ajustan a una escala logarítmica. Para las potencias, la escala logarítmica sigue la expresión dB = 10 log (P2/P1) donde P2 y P1 son las potencias que queremos compar ar. Para las tensiones e intensidades, se utiliza la expresión dB = 20 log (V2/V1) o bien dB = 20 log (I2/I1). Doblar la potencia entregada por un amplificador significa elevar e l nivel sonoro en 3 dB. Según la expresión anterior: dB = 10 log (P2/P1) = 10 log 2 = 3 dB. Si doblamos la tensión entregada por el amplificador obtenemos un increme nto de 6 dB por la expr esión dB = 20 log (V2/V1) = 20 log 2 = 6 dB. Sólo hay que tener claro cuando aplicar el factor 10 ó 20 en la expresión. Recordemos que para potencias el factor es 10 y para tensiones e intensidades el valor es 20. ¿Por qué razón? Muy sencillo, como sabemos, la potencia eléctrica viene dada por la expresión:
Para medir e l nivel de presión sonora, utilizamos la misma escala e n decibelios, tomando como punto de refer encia el nivel de 0 decibelios, que es el nivel de percepción del oido humano. Podemos considerar el nivel de percepción, por ejemplo, en el ruido que hace la hoja de un árbol al caer. Asignamos a este valor 0 decibelios, y vamos midiendo los diferentes valores a los diferentes eventos, y podemos obtener una escala de valores que de nominamos nivel de presión sonora (en inglés SPL, Sound Pressure Level) nivel de presión sonora (SPL) en decibelios (dB)
caída de una hoja (umbral de percepción sonora)
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murmullo de las hojas de un árbol
10
conversación en voz baja
20
radio a nivel moderado en casa
40
coche a marcha moderada
50
conversación ordinaria
65
calle con mucho tráfico
70
martillo neumático
90
umbral de sensación dolorosa
120
El altavoz
El altavoz moderno, tal como lo conocemos, es re lativamente recie nte. El tipo más extendido, y el que má s se utiliza en sistemas hi-fi es el altavoz dinámico.
1.- Cono o diafragma 2.- Campana 3.- Yugo 4.- Imán permanente 5.- Bobina móvil 6.- Araña 7.- Tapa de retención de polvo 8.- Hilos de conexión de la bobina 9.- Bornes de conexión
La impedancia del altavoz habitualmente es de 4 a 8 ohmios. No confundir la impedancia co n la resistencia. La impedancia es la resistencia que ofrece el altavoz al paso de una señal senoidal de 1 kHz, mientras que su resistencia es la que mediríamos mediante un óhmetro entre sus bornas de conexión. El altavoz moderno parte de las investigaciones de Edgar Villchur, que en 1954 preconiza el uso de cajas a cústicas para extender las frecuencias bajas, encerrando el altavoz en un recinto cerrado. Un año después, la empresa Acoustic Research introduce en el mercado el mode lo AR-1W que emplea el principio de suspensión acústica. Posteriormente, a principios de los años 60 Neville Thiele publica "Loudspeakers in Ve nted Boxes", y junto con Richard Small, ambos ingenieros australianos, establecen los métodos de estudio de los altavoces y los re cintos o cajas donde se hallan enclavados. El uso de las ca jas bass-reflex (vented box) se inició a principios de los 70 como consecuencia de la aplicación de las teorías de Thiele-Small. Todos los instrumentos musicales, y la voz humana, se halla dentro del rango audible, y ocupa los r angos o regiones del espectro que le cor responden. De todos los instrumentos musicales, el piano ocupa todo el rango de fre cuencias, y no en vano se toma a menudo como elemento de prueba o muestra de un equipo hi-fi por este motivo.
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Para cubrir todo el espe ctro audible, un sólo altavoz no e s suficiente. Debido a las características de los altavoces, y la tecnología conocida hoy día, se necesitan al menos dos altavoces o drivers para reproducir todo el rango de frecuencias audibles con una fidelidad aceptable, de modo que uno se encargue de las fre cuencias más bajas y el otro de las má s altas. Podemos dividir en may or número de tramos e ste rango en tres, o incluso cuatro tramos, y destinar a cada uno de ellos un tipo de altavoz diferente. A cada uno de estos tramos se denomina vía, y así ex isten altavoces (cajas) de 2, 3 ó 4 vías dependiendo del número de tramos en que se ha dividido el espectro. No tiene por qué coincidir con el número de altavoces que tenga la caja. Podemos poner 2 altavoces para los graves y un altavoz para los agudos, y será un sistema de 2 vías con tres altavoces. Atendiendo a la gama de frecuencias que el altavoz es capaz de reproducir, los altavoces o drivers pueden dividirse en: woofer (graves) midrange (medios) tweeter (agudos) Pero e xisten altavoces de otros tipos, tales como subwoofers, midbass, etc., que cubren otros tramos de frecuencias y que se utilizan en sistemas multivía.
woofer
midbass
midrange
tweeter
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Para poder distribuir correctamente la energía que s e entrega a la caja, hay que dividir la señal que llega a la misma al tipo de señal que cada a ltavoz requiere. De otra forma estaríamos desper diciando la energía, o incluso dañaríamos algún altavoz. Para lograr esto, se recurre a l crossover, que es un filtro que deja pasar cierto rango de frecuencias con más facilidad que otros. La complejidad de estos sistemas, hace necesario el e studio de los mismos en capítulo aparte. No todos los altavoces, dentro de la misma gama de potencia, reproducen una misma señal a un mismo nivel sonoro (SPL). Depende de la sensibilidad del altavoz. La mayoría de los altavoces se mueven e n el rango de los 80-100 dB w/m. La unidad w/m nos indica el nivel sonoro del mismo cuando reproduce 1w de se ñal de entrada a la distancia de 1 metro del oye nte. A mayor se nsibilidad del altavoz, mayor e s la sensación sonora que propor ciona. Esta consideración es de vital importancia a la hora de e legir los altavoces corr ectos para un equipo dado. Un amplificador single-ended a triodo, suele ofrecer una potencia de salida de 5 a 10 watios. Si elegimos unos altavoces con una sensibilidad adecuada, el nivel sonoro puede ser equivalente a un equipo de 60w con altavoces me nos sensibles. Cada 3 dB de aumento en la sensibilidad, exige la mitad de potencia para ofrecer el mismo nivel sonoro. Ofrece el mismo nivel sonoro un amplificador de 5w con altavoces de 100 dB/w/m que otro amplificador de 80w con altavoces de 88 dB/w/m. Por ello es muy importante elegir la se nsibilidad de acuerdo al amplificador. Mi amplificador tiene una potencia de 30w y los altavoces una sensibilidad de 86 dB/w/m. Si quisiera obtener el mismo SPL con un amplificador de 9w, tendría que poner unos altavoces de 91 dB/w/m. El cálculo del incremento en dB es muy sencillo:
esta cantidad la sumamos a los 86 dB/w/m y obtenemos 91 dB/w/m.
Parámetros de Thiele-Small Gracias a los parámetros Thiele-Small de un altavoz, se puede predecir cual será la re spuesta del mismo en varias cajas diferentes. Los parámetros más importantes son los siguientes:
Parámetros de pequeña señal: Frecuencia de resonancia al aire libre del altavoz F(s).- Es la frecuencia del driver cuando está al aire libre, no ubicado en una caja. Es la frecuencia natural que se puede oir cuando se golpea suavemente el cono del altavoz. Una F(s) típica de woofer e stá en torno a los 20-80 Hz, los midranges se muev en hacia los 300 Hz, y los tweeters tienen F(s) alrededor de 1 kHz. Normalmente, F(s) coincide con la frecuencia más baja que el altavoz e s capaz de reproducir. Q total del altavoz Q(ts).- Se calcula mediante la Q(ms) y Q(es) que son las Q me cánica y Q elé ctrica del driver correspondiente. Indica cómo de "aguda" es la gráfica de respuesta de frecuencia del altavoz cuando se sitúa en una caja cerra da. Cuanto mayor e s Q(ts), la gráfica de respuesta presentará un pico mayor que si Q(ts) fuera menor. Volumen equivalente de suspensión del altavoz V(as).- . Indica el volumen de aire que tendría una rigidez equivalente a la de la suspensión del altavoz cuando se comprime con un pistón cuyo tamaño es igual al del cono del altavoz. Parámetros de gran señal: Potencia máxima, térmicamente limitada P(t).- Representa la máxima potencia que se puede aplicar a un altavoz de forma contínua sin que se llegue a deteriorar debido a sobrecalentamiento excesivo. Potencia máx ima, mecánicamente limitada P(er).- Este parámetro no puede determinarse hasta que el altavoz no se ponga en una caja y depende no solamente de la caj a, sino también de la frecuencia de la señal que inyectemos. Un sistema podría manejar pe rfectamente una señal de 300 Hz, pero podría estar muy limitado para manejar otra de 50 Hz, debido a una excesiv a excursión del cono de l altavoz. Límite de excursión lineal X(max).- Indica hasta donde puede desplazarse el cono del altavoz antes de que la bobina salga fuera del entrehierro magnético (magnetic gap). Si el cono se desplaza más de lo debido, se incrementa la distorsión del sistema. área del pistón S(D).- Es el área e fectiva del cono del altavoz, medido desde el diámetro medio (punto medio) del surround, que es ese material muy blando que une el cono con el aro de chapa ex terior del altavoz. Volumen de desplazamiento V(D).- Multiplicando el áre a del pistón S(D) por la excursión máxima X(max) se obtiene el volumen de desplazamiento del altavoz V(D) y es un indicativo de la más baja fre cuencia que el altavoz puede reproducir. BIBLIOGRAFíA "Introduction to Loudspeaker Desing" - John L. Murphy . True Audio, 1998 - USA. "Manual de baffles y altavoces".- Francisco Ruiz Vassallo. Ed. Ceac
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