Un altavoz (comúnmente denominado altavoz o, más completamente, sistema de altavoces ) es una combinación de uno o más controladores de altavoces , un recinto y conexiones eléctricas (que posiblemente incluyan una red de cruce ). El controlador del altavoz es un transductor electroacústico [1] : 597 que convierte una señal de audio eléctrica en un sonido correspondiente . [2]
El controlador puede considerarse como un motor lineal conectado a un diafragma que acopla el movimiento de ese motor al movimiento del aire, es decir, al sonido. Una señal de audio, normalmente procedente de un micrófono, una grabación o una emisión de radio, se amplifica electrónicamente a un nivel de potencia capaz de accionar ese motor para reproducir el sonido correspondiente a la señal electrónica original no amplificada. Por tanto, se trata de la función opuesta a la del micrófono ; de hecho, el controlador de altavoz dinámico , con diferencia el tipo más común, es un motor lineal con la misma configuración básica que el micrófono dinámico , que utiliza dicho motor a la inversa, como generador .
El altavoz dinámico fue inventado en 1925 por Edward W. Kellogg y Chester W. Rice . Cuando la corriente eléctrica de una señal de audio pasa a través de su bobina móvil —una bobina de alambre capaz de moverse axialmente en un espacio cilíndrico que contiene un campo magnético concentrado producido por un imán permanente— la bobina se ve obligada a moverse rápidamente hacia adelante y hacia atrás debido a la ley de inducción de Faraday ; esta se adhiere a un diafragma o cono de altavoz (ya que generalmente tiene forma cónica para mayor robustez) en contacto con el aire, creando así ondas sonoras . Además de los altavoces dinámicos, existen otras tecnologías posibles para crear sonido a partir de una señal eléctrica, algunas de las cuales se utilizan comercialmente.
Para que un altavoz produzca sonido de manera eficiente, especialmente en frecuencias más bajas, el controlador del altavoz debe estar protegido de manera que el sonido que emana de su parte trasera no cancele el sonido (previsto) de la parte delantera; esto generalmente toma la forma de una caja de altavoz o gabinete de altavoz , una caja a menudo rectangular hecha de madera, pero a veces de metal o plástico. El diseño de la caja juega un papel acústico importante, determinando así la calidad del sonido resultante. La mayoría de los sistemas de altavoces de alta fidelidad (imagen de la derecha) incluyen dos o más tipos de controladores de altavoz, cada uno especializado en una parte del rango de frecuencia audible . Los controladores más pequeños capaces de reproducir las frecuencias de audio más altas se denominan tweeters , los de frecuencias medias se denominan controladores de rango medio y los de frecuencias bajas se denominan woofers . A veces, la reproducción de las frecuencias más bajas (20–~50 Hz ) se aumenta con un llamado subwoofer, a menudo en su propia caja (grande). En un sistema de altavoces de dos o tres vías (uno con controladores que cubren dos o tres rangos de frecuencia diferentes) hay una pequeña cantidad de electrónica pasiva llamada red de cruce que ayuda a dirigir los componentes de la señal electrónica a los controladores de los altavoces que mejor pueden reproducir esas frecuencias. En un sistema de altavoces amplificado , el amplificador de potencia que alimenta los controladores de los altavoces está integrado en la propia caja; estos son cada vez más comunes, especialmente en los altavoces de ordenador.
Los altavoces más pequeños se encuentran en dispositivos como radios , televisores , reproductores de audio portátiles , computadoras personales ( altavoces de computadora ), auriculares y audífonos . Los sistemas de altavoces más grandes y potentes se utilizan para sistemas de alta fidelidad domésticos ( equipos estéreo ), instrumentos musicales electrónicos , refuerzo de sonido en teatros y salas de conciertos y en sistemas de megafonía .
Cuando el altavoz está cubierto de suciedad, afecta la calidad del audio y dificulta escuchar a la persona que llama. La limpieza periódica del altavoz ayuda a prevenir este problema. [3]
El término altavoz puede referirse a transductores individuales (también conocidos como controladores ) o a sistemas de altavoces completos que constan de un gabinete y uno o más controladores.
Para reproducir de forma adecuada y precisa una amplia gama de frecuencias con una cobertura uniforme, la mayoría de los sistemas de altavoces emplean más de un controlador, en particular para un nivel de presión sonora (SPL) más alto o una precisión máxima. Se utilizan controladores individuales para reproducir diferentes rangos de frecuencia. Los controladores se denominan subwoofers (para frecuencias muy bajas); woofers (frecuencias bajas); altavoces de rango medio (frecuencias medias); tweeters (frecuencias altas); y, a veces, supertweeters , para las frecuencias audibles más altas y más allá. Los términos para los diferentes controladores de altavoces difieren, según la aplicación. En los sistemas de dos vías no hay un controlador de rango medio, por lo que la tarea de reproducir los sonidos de rango medio se divide entre el woofer y el tweeter. Cuando se utilizan varios controladores en un sistema, una red de filtros, llamada crossover de audio , separa la señal entrante en diferentes rangos de frecuencia y los dirige al controlador apropiado. Un sistema de altavoces con n bandas de frecuencia separadas se describe como altavoces de n vías : un sistema de dos vías tendrá un woofer y un tweeter; Un sistema de tres vías emplea un woofer, un altavoz de rango medio y un tweeter. Los controladores de altavoces del tipo ilustrado se denominan dinámicos (abreviatura de electrodinámico) para distinguirlos de otros tipos, incluidos los altavoces de hierro móvil y los altavoces que utilizan sistemas piezoeléctricos o electrostáticos .
En 1861, Johann Philipp Reis instaló un altavoz eléctrico en su teléfono ; era capaz de reproducir tonos claros, pero revisiones posteriores también podían reproducir un habla apagada . [4] Alexander Graham Bell patentó su primer altavoz eléctrico (un tipo de hierro móvil capaz de reproducir un habla inteligible) como parte de su teléfono en 1876, al que siguió en 1877 una versión mejorada de Ernst Siemens . Durante este tiempo, Thomas Edison obtuvo una patente británica para un sistema que utilizaba aire comprimido como mecanismo de amplificación para sus primeros fonógrafos de cilindro, pero finalmente se conformó con la familiar bocina de metal impulsada por una membrana unida a la aguja. En 1898, Horace Short patentó un diseño para un altavoz impulsado por aire comprimido; luego vendió los derechos a Charles Parsons , a quien se le otorgaron varias patentes británicas adicionales antes de 1910. Unas pocas empresas, incluidas Victor Talking Machine Company y Pathé , produjeron tocadiscos que utilizaban altavoces de aire comprimido. Los diseños de aire comprimido están significativamente limitados por su mala calidad de sonido y su incapacidad para reproducir sonido a bajo volumen. Se utilizaron variantes del diseño para aplicaciones de megafonía y, más recientemente, se han utilizado otras variaciones para probar la resistencia de los equipos espaciales a los niveles muy altos de sonido y vibración que produce el lanzamiento de cohetes. [5]
El primer altavoz experimental de bobina móvil (también llamado dinámico ) fue inventado por Oliver Lodge en 1898. [6] Los primeros altavoces prácticos de bobina móvil fueron fabricados por el ingeniero danés Peter L. Jensen y Edwin Pridham en 1915, en Napa, California . [7] Al igual que los altavoces anteriores, estos usaban bocinas para amplificar el sonido producido por un diafragma pequeño. A Jensen se le negaron las patentes. Al no tener éxito en la venta de su producto a las compañías telefónicas, en 1915 cambiaron su mercado objetivo a radios y sistemas de megafonía , y llamaron a su producto Magnavox . Jensen fue, durante años después de la invención del altavoz, copropietario de The Magnavox Company. [8]
El principio de bobina móvil que se utiliza habitualmente en los altavoces hoy en día fue patentado en 1925 por Edward W. Kellogg y Chester W. Rice . La diferencia clave entre los intentos anteriores y la patente de Rice y Kellogg es el ajuste de los parámetros mecánicos para proporcionar una respuesta de frecuencia razonablemente plana . [9]
Estos primeros altavoces utilizaban electroimanes , porque los imanes permanentes grandes y potentes generalmente no estaban disponibles a un precio razonable. La bobina de un electroimán, llamada bobina de campo, se energizaba mediante una corriente a través de un segundo par de conexiones al controlador. Este devanado generalmente cumplía una doble función, actuando también como una bobina de estrangulamiento , filtrando la fuente de alimentación del amplificador al que estaba conectado el altavoz. [10] La ondulación de CA en la corriente se atenuaba por la acción de pasar a través de la bobina de estrangulamiento. Sin embargo, las frecuencias de línea de CA tendían a modular la señal de audio que iba a la bobina móvil y se sumaban al zumbido audible. En 1930, Jensen presentó el primer altavoz comercial de imán fijo; sin embargo, los imanes de hierro grandes y pesados de la época eran poco prácticos y los altavoces de bobina de campo siguieron siendo predominantes hasta la disponibilidad generalizada de imanes de alnico livianos después de la Segunda Guerra Mundial.
En la década de 1930, los fabricantes de altavoces comenzaron a combinar dos y tres controladores o conjuntos de controladores, cada uno optimizado para un rango de frecuencia diferente, con el fin de mejorar la respuesta de frecuencia y aumentar el nivel de presión sonora. [11] En 1937, Metro-Goldwyn-Mayer introdujo el primer sistema de altavoces estándar de la industria cinematográfica, "The Shearer Horn System for Theatres", [12] un sistema de dos vías. Utilizaba cuatro controladores de baja frecuencia de 15", una red de cruce configurada para 375 Hz y una única bocina multicelular con dos controladores de compresión que proporcionaban las frecuencias altas. John Kenneth Hilliard , James Bullough Lansing y Douglas Shearer desempeñaron papeles en la creación del sistema. En la Feria Mundial de Nueva York de 1939 , se montó un sistema de megafonía bidireccional muy grande en una torre en Flushing Meadows . Los ocho controladores de baja frecuencia de 27" fueron diseñados por Rudy Bozak en su papel de ingeniero jefe de Cinaudagraph. Los controladores de alta frecuencia probablemente fueron fabricados por Western Electric . [13]
Altec Lansing introdujo el 604 , que se convirtió en su controlador coaxial Duplex más famoso , en 1943. Incorporaba una bocina de alta frecuencia que enviaba el sonido a través de un orificio en la pieza polar de un woofer de 15 pulgadas para un rendimiento de fuente puntual cercana. [14] El sistema de altavoces "Voice of the Theatre" de Altec se vendió por primera vez en 1945, ofreciendo una mejor coherencia y claridad en los altos niveles de salida necesarios en las salas de cine. [15] La Academia de Artes y Ciencias Cinematográficas inmediatamente comenzó a probar sus características sonoras; lo convirtieron en el estándar de la industria cinematográfica en 1955. [16]
En 1954, Edgar Villchur desarrolló el principio de suspensión acústica para el diseño de altavoces. Esto permitió una mejor respuesta de graves que la que se podía obtener anteriormente con los altavoces montados en cajas más grandes. [17] Él y su socio Henry Kloss formaron la empresa Acoustic Research para fabricar y comercializar sistemas de altavoces que utilizaban este principio. [18] Posteriormente, los continuos avances en el diseño y los materiales de las cajas acústicas condujeron a importantes mejoras audibles. [19]
Las mejoras más notables hasta la fecha en los controladores dinámicos modernos y los altavoces que los utilizan son las mejoras en los materiales del cono, la introducción de adhesivos de mayor temperatura, materiales de imán permanente mejorados , técnicas de medición mejoradas, diseño asistido por computadora y análisis de elementos finitos. A bajas frecuencias, la teoría de redes eléctricas de parámetros Thiele/Small se ha utilizado para optimizar la sinergia del controlador de graves y el gabinete desde principios de la década de 1970. [20]
El tipo más común de controlador, comúnmente llamado altavoz dinámico, utiliza un diafragma liviano , o cono , conectado a una canasta rígida , o marco , a través de una suspensión flexible, comúnmente llamada araña , que obliga a una bobina móvil a moverse axialmente a través de un espacio magnético cilíndrico. Una tapa protectora pegada en el centro del cono evita que el polvo, y más importante aún, los desechos ferromagnéticos , entren en el espacio.
Cuando se aplica una señal eléctrica a la bobina móvil, se crea un campo magnético por la corriente eléctrica en la bobina móvil, lo que la convierte en un electroimán variable. La bobina y el sistema magnético del controlador interactúan de manera similar a un solenoide , generando una fuerza mecánica que mueve la bobina (y, por lo tanto, el cono conectado). La aplicación de corriente alterna mueve el cono hacia adelante y hacia atrás, acelerando y reproduciendo el sonido bajo el control de la señal eléctrica aplicada que proviene del amplificador.
A continuación se muestra una descripción de los componentes individuales de este tipo de altavoz.
El diafragma se fabrica generalmente con un perfil en forma de cono o cúpula. Se puede utilizar una variedad de materiales diferentes, pero los más comunes son el papel, el plástico y el metal. El material ideal es rígido, para evitar movimientos incontrolados del cono, tiene poca masa para minimizar los requisitos de fuerza de arranque y los problemas de almacenamiento de energía y está bien amortiguado para reducir las vibraciones que continúan después de que la señal se ha detenido con poco o ningún zumbido audible debido a su frecuencia de resonancia determinada por su uso. En la práctica, estos tres criterios no se pueden cumplir simultáneamente utilizando los materiales existentes; por lo tanto, el diseño del controlador implica compensaciones . Por ejemplo, el papel es ligero y normalmente está bien amortiguado, pero no es rígido; el metal puede ser rígido y ligero, pero normalmente tiene una amortiguación deficiente; el plástico puede ser ligero, pero normalmente, cuanto más rígido esté hecho, peor será la amortiguación. Como resultado, muchos conos están hechos de algún tipo de material compuesto. Por ejemplo, un cono podría estar hecho de papel de celulosa, al que se le han añadido fibras de carbono , kevlar , vidrio , cáñamo o bambú ; o podría utilizar una construcción tipo sándwich de panal; o podría aplicársele un recubrimiento para proporcionar rigidez o amortiguación adicional.
El chasis, marco o cesta, está diseñado para ser rígido, evitando la deformación que podría cambiar las alineaciones críticas con el espacio entre imanes, tal vez permitiendo que la bobina móvil roce contra el imán alrededor del espacio. Los chasis suelen estar fundidos a partir de aleación de aluminio, en altavoces con estructura magnética más pesada; o estampados a partir de una lámina fina de acero en los controladores de estructura más ligera. [21] Otros materiales como el plástico moldeado y las cestas compuestas de plástico amortiguado se están volviendo comunes, especialmente para controladores económicos y de baja masa. Un chasis metálico puede desempeñar un papel importante en la conducción del calor fuera de la bobina móvil; el calentamiento durante el funcionamiento cambia la resistencia, causa cambios físicos dimensionales y, si es extremo, quema el barniz de la bobina móvil; incluso puede desmagnetizar los imanes permanentes.
El sistema de suspensión mantiene la bobina centrada en el espacio y proporciona una fuerza de restauración (centrado) que devuelve el cono a una posición neutra después de moverse. Un sistema de suspensión típico consta de dos partes: la araña , que conecta el diafragma o bobina móvil al marco inferior y proporciona la mayor parte de la fuerza de restauración, y el marco , que ayuda a centrar el conjunto bobina/cono y permite un movimiento pistónico libre alineado con el espacio magnético. La araña suele estar hecha de un disco de tela corrugada, impregnado con una resina de refuerzo. El nombre proviene de la forma de las primeras suspensiones, que eran dos anillos concéntricos de material de baquelita , unidos por seis u ocho patas curvas . Las variaciones de esta topología incluían la adición de un disco de fieltro para proporcionar una barrera a las partículas que de otro modo podrían hacer que la bobina móvil se rozara.
El marco del cono puede ser de goma o espuma de poliéster , papel tratado o un anillo de tela corrugada recubierta de resina; se fija tanto a la circunferencia exterior del cono como al marco superior. Estos diversos materiales de marco, su forma y tratamiento pueden afectar drásticamente la salida acústica de un altavoz; cada implementación tiene ventajas y desventajas. La espuma de poliéster, por ejemplo, es liviana y económica, aunque generalmente pierde aire en cierto grado y se degrada con el tiempo, la exposición al ozono, la luz ultravioleta, la humedad y las temperaturas elevadas, lo que limita la vida útil antes de fallar.
El cable de una bobina móvil suele estar hecho de cobre , aunque también se puede utilizar aluminio (y, en raras ocasiones, plata ). La ventaja del aluminio es su peso ligero, que reduce la masa en movimiento en comparación con el cobre. Esto aumenta la frecuencia de resonancia del altavoz y aumenta su eficiencia. Una desventaja del aluminio es que no se suelda fácilmente, por lo que las conexiones deben estar firmemente prensadas y selladas. Las secciones transversales del cable de la bobina móvil pueden ser circulares, rectangulares o hexagonales, lo que proporciona cantidades variables de cobertura de volumen de cable en el espacio de separación magnética. La bobina está orientada coaxialmente dentro de la separación; se mueve hacia adelante y hacia atrás dentro de un pequeño volumen circular (un orificio, ranura o surco) en la estructura magnética. La separación establece un campo magnético concentrado entre los dos polos de un imán permanente; el anillo exterior de la separación es un polo y el poste central (llamado pieza polar) es el otro. La pieza polar y la placa posterior a menudo se fabrican como una sola pieza, llamada placa polar o yugo.
El tamaño y el tipo de imán y los detalles del circuito magnético difieren, dependiendo de los objetivos de diseño. Por ejemplo, la forma de la pieza polar afecta la interacción magnética entre la bobina móvil y el campo magnético, y a veces se utiliza para modificar el comportamiento de un controlador. Se puede incluir un anillo de cortocircuito , o bucle de Faraday , como una tapa de cobre delgada colocada sobre la punta del polo o como un anillo pesado situado dentro de la cavidad del polo magnético. Los beneficios de esta complicación son una impedancia reducida a altas frecuencias, lo que proporciona una salida de agudos extendida, una distorsión armónica reducida y una reducción en la modulación de inductancia que generalmente acompaña a las grandes excursiones de la bobina móvil. Por otro lado, la tapa de cobre requiere un espacio entre la bobina móvil y el campo magnético más amplio, con una reluctancia magnética aumentada; esto reduce el flujo disponible, lo que requiere un imán más grande para un rendimiento equivalente.
Los electroimanes se utilizaron a menudo en los amplificadores de instrumentos musicales hasta bien entrada la década de 1950; se lograron ahorros económicos en aquellos que utilizaban amplificadores de válvulas, ya que la bobina de campo podía cumplir una doble función (y por lo general lo hacía) como estrangulador de la fuente de alimentación. Muy pocos fabricantes siguen produciendo altavoces electrodinámicos con bobinas de campo alimentadas eléctricamente , como era común en los primeros diseños.
El alnico , una aleación de aluminio, níquel y cobalto, se hizo popular después de la Segunda Guerra Mundial, ya que eliminaba los problemas de los controladores de bobina de campo. El alnico se utilizó comúnmente hasta la década de 1960, a pesar del problema de que los imanes de alnico se desmagnetizaban parcialmente . [22] En la década de 1960, la mayoría de los fabricantes de controladores cambiaron de alnico a imanes de ferrita , que están hechos de una mezcla de arcilla cerámica y partículas finas de ferrita de bario o estroncio. Aunque la energía por kilogramo de estos imanes cerámicos es menor que la del alnico, es sustancialmente menos costoso, lo que permite a los diseñadores utilizar imanes más grandes pero más económicos para lograr un rendimiento determinado. Debido al aumento de los costos de transporte y al deseo de dispositivos más pequeños y livianos, existe una tendencia hacia el uso de imanes de tierras raras más compactos hechos de materiales como neodimio y cobalto de samario . [23]El diseño de sistemas de altavoces implica percepciones subjetivas del timbre y la calidad del sonido, mediciones y experimentos. [24] [25] [26] El ajuste de un diseño para mejorar el rendimiento se realiza utilizando una combinación de teorías magnéticas, acústicas, mecánicas, eléctricas y de la ciencia de los materiales , y se rastrea con mediciones de alta precisión y las observaciones de oyentes experimentados. Algunos de los problemas que los diseñadores de altavoces y controladores deben afrontar son la distorsión, el lóbulo acústico , los efectos de fase, la respuesta fuera del eje y los artefactos de cruce. Los diseñadores pueden utilizar una cámara anecoica para garantizar que el altavoz se pueda medir independientemente de los efectos de la sala, o cualquiera de varias técnicas electrónicas que, hasta cierto punto, sustituyen a dichas cámaras. Algunos desarrolladores evitan las cámaras anecoicas a favor de configuraciones de sala estandarizadas específicas destinadas a simular las condiciones de escucha de la vida real.
Los controladores electrodinámicos individuales ofrecen su mejor rendimiento dentro de un rango de frecuencia limitado. Por lo general, se combinan varios controladores (por ejemplo, subwoofers, woofers, controladores de rango medio y tweeters) en un sistema de altavoces completo para ofrecer un rendimiento que va más allá de esa restricción. Los tres sistemas de radiación de sonido más utilizados son los controladores de cono, de cúpula y de bocina.
Un controlador de rango completo o amplio es un controlador de altavoz diseñado para usarse solo para reproducir un canal de audio sin la ayuda de otros controladores y, por lo tanto, debe cubrir el rango de frecuencia de audio requerido por la aplicación. Estos controladores son pequeños, generalmente de 3 a 8 pulgadas (7,6 a 20,3 cm) de diámetro para permitir una respuesta de alta frecuencia razonable, y están diseñados cuidadosamente para brindar una salida de baja distorsión a bajas frecuencias, aunque con un nivel de salida máximo reducido. Los controladores de rango completo se encuentran, por ejemplo, en sistemas de megafonía, televisores, radios pequeñas, intercomunicadores y algunos altavoces de computadora .
En los sistemas de altavoces de alta fidelidad , el uso de controladores de amplio rango puede evitar interacciones no deseadas entre varios controladores causadas por problemas de ubicación no coincidente de los controladores o de la red de cruce, pero también puede limitar la respuesta de frecuencia y las capacidades de salida (especialmente en frecuencias bajas). Los sistemas de altavoces de alta fidelidad construidos con controladores de amplio rango pueden requerir gabinetes grandes, elaborados o costosos para alcanzar un rendimiento óptimo.
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Los parlantes de rango completo a menudo emplean un cono adicional llamado whizzer : un cono pequeño y liviano conectado a la unión entre la bobina móvil y el cono primario. El cono whizzer extiende la respuesta de alta frecuencia del parlante y amplía su directividad de alta frecuencia, que de otra manera se reduciría en gran medida debido a que el material del cono de diámetro exterior no logra seguir el ritmo de la bobina móvil central a frecuencias más altas. El cono principal en un diseño whizzer está fabricado de manera que se flexione más en el diámetro exterior que en el centro. El resultado es que el cono principal ofrece frecuencias bajas y el cono whizzer contribuye con la mayoría de las frecuencias más altas. Dado que el cono whizzer es más pequeño que el diafragma principal, la dispersión de salida a frecuencias altas se mejora en relación con un diafragma único más grande equivalente.
Los controladores de rango limitado, que también se utilizan solos, se encuentran normalmente en computadoras, juguetes y radios despertadores . Estos controladores son menos elaborados y menos costosos que los controladores de rango amplio, y pueden verse seriamente comprometidos para adaptarse a ubicaciones de montaje muy pequeñas. En estas aplicaciones, la calidad del sonido es una prioridad baja.
Un subwoofer es un controlador de woofer que se utiliza solo para la parte más baja del espectro de audio: típicamente por debajo de 200 Hz para sistemas de consumo, [27] por debajo de 100 Hz para sonido en vivo profesional, [28] y por debajo de 80 Hz en sistemas aprobados por THX . [29] Debido a que el rango de frecuencias previsto es limitado, el diseño del sistema de subwoofer suele ser más simple en muchos aspectos que para los altavoces convencionales, y a menudo consta de un solo controlador encerrado en un recinto adecuado. Dado que el sonido en este rango de frecuencia puede doblarse fácilmente alrededor de las esquinas por difracción , la abertura del altavoz no tiene que estar orientada hacia la audiencia y los subwoofers se pueden montar en la parte inferior del recinto, mirando hacia el suelo. Esto se ve facilitado por las limitaciones de la audición humana a bajas frecuencias; dichos sonidos no se pueden localizar en el espacio, debido a sus grandes longitudes de onda en comparación con las frecuencias más altas que producen efectos diferenciales en los oídos debido a las sombras de la cabeza y la difracción a su alrededor, en las que nos basamos para obtener pistas de localización.
Para reproducir con precisión notas graves muy bajas, los sistemas de subwoofer deben estar construidos de manera sólida y correctamente reforzados para evitar sonidos no deseados debido a las vibraciones del gabinete. Como resultado, los buenos subwoofers suelen ser bastante pesados. Muchos sistemas de subwoofer incluyen amplificadores de potencia integrados y filtros subsónicos electrónicos , con controles adicionales relevantes para la reproducción de baja frecuencia (por ejemplo, una perilla de cruce y un interruptor de fase). Estas variantes se conocen como subwoofers activos o autoamplificados . [30] Por el contrario, los subwoofers pasivos requieren amplificación externa.
En instalaciones típicas, los subwoofers están separados físicamente del resto de los gabinetes de altavoces. Debido al retardo de propagación y la posición, su salida puede estar desfasada con respecto al resto del sonido. En consecuencia, el amplificador de potencia de un subwoofer a menudo tiene un ajuste de retardo de fase que se puede utilizar para mejorar el rendimiento del sistema en su conjunto. Los subwoofers se utilizan ampliamente en sistemas de refuerzo de sonido de grandes conciertos y lugares de tamaño medio. Los gabinetes de subwoofer a menudo se construyen con un puerto bass reflex , una característica de diseño que, si se diseña correctamente, mejora el rendimiento de los graves y aumenta la eficiencia.
Un woofer es un controlador que reproduce frecuencias bajas. El controlador trabaja con las características de la caja del altavoz para producir frecuencias bajas adecuadas. Algunos sistemas de altavoces utilizan un woofer para las frecuencias más bajas, a veces lo suficientemente bien como para que no sea necesario un subwoofer. Además, algunos altavoces utilizan el woofer para manejar frecuencias medias, eliminando el controlador de rango medio.
Un altavoz de rango medio es un controlador de altavoz que reproduce una banda de frecuencias generalmente entre 1 y 6 kHz, también conocidas como frecuencias medias (entre el woofer y el tweeter). Los diafragmas de los controladores de rango medio pueden estar hechos de papel o materiales compuestos y pueden ser controladores de radiación directa (como woofers más pequeños) o pueden ser controladores de compresión (como algunos diseños de tweeter). Si el controlador de rango medio es un radiador directo, se puede montar en el deflector frontal de una caja de altavoz o, si es un controlador de compresión, se puede montar en la garganta de una bocina para un nivel de salida adicional y control del patrón de radiación.
Un tweeter es un controlador de alta frecuencia que reproduce las frecuencias más altas en un sistema de altavoces. Un problema importante en el diseño de tweeters es lograr una amplia cobertura angular del sonido (respuesta fuera del eje), ya que el sonido de alta frecuencia tiende a salir del altavoz en haces estrechos. Los tweeters de cúpula blanda se encuentran ampliamente en los sistemas estéreo domésticos, y los controladores de compresión con bocina son comunes en el refuerzo de sonido profesional. Los tweeters de cinta han ganado popularidad a medida que la potencia de salida de algunos diseños se ha incrementado a niveles útiles para el refuerzo de sonido profesional, y su patrón de salida es amplio en el plano horizontal, un patrón que tiene aplicaciones convenientes en el sonido de conciertos. [31]
Un controlador coaxial es un controlador de altavoz con dos o más controladores concéntricos combinados. Los controladores coaxiales han sido producidos por Altec , Tannoy , Pioneer , KEF , SEAS, B&C Speakers, BMS, Cabasse y Genelec . [32]
Utilizado en sistemas de altavoces con varios drivers , el crossover es un conjunto de filtros que separan la señal de entrada en diferentes bandas de frecuencia según los requisitos de cada driver. De esta forma, los drivers reciben potencia solo en el rango de frecuencia de sonido para el que fueron diseñados, reduciendo así la distorsión en los drivers y las interferencias entre ellos. Los crossovers pueden ser pasivos o activos .
Un crossover pasivo es un circuito electrónico que utiliza una combinación de una o más resistencias , inductores y condensadores . Estos componentes se combinan para formar una red de filtros y, por lo general, se colocan entre el amplificador de potencia de rango de frecuencia completo y los controladores de los altavoces para dividir la señal del amplificador en las bandas de frecuencia necesarias antes de enviarla a los controladores individuales. Los circuitos de crossover pasivos no necesitan alimentación externa más allá de la propia señal de audio, pero tienen algunas desventajas: pueden requerir inductores y condensadores más grandes debido a los requisitos de manejo de potencia. A diferencia de los crossovers activos que incluyen un amplificador incorporado, los crossovers pasivos tienen una atenuación inherente dentro de la banda de paso , que generalmente conduce a una reducción del factor de amortiguamiento antes de la bobina móvil. [ cita requerida ]
Un crossover activo es un circuito de filtro electrónico que divide la señal en bandas de frecuencia individuales antes de la amplificación de potencia, por lo que requiere al menos un amplificador de potencia para cada banda. [ cita requerida ] El filtrado pasivo también se puede utilizar de esta manera antes de la amplificación de potencia, pero es una solución poco común, al ser menos flexible que el filtrado activo. Cualquier técnica que utilice el filtrado de crossover seguido de la amplificación se conoce comúnmente como biamplificación, triamplificación, cuádruple amplificación, etc., dependiendo del número mínimo de canales del amplificador. [33]
Algunos diseños de altavoces utilizan una combinación de filtrado pasivo y activo, como un filtro pasivo entre los controladores de frecuencias medias y altas y un filtro activo para el controlador de frecuencias bajas. [34] [35]
Los crossovers pasivos se instalan comúnmente dentro de las cajas de los altavoces y son, con mucho, el tipo más común de crossover para uso doméstico y de baja potencia. En los sistemas de audio de los automóviles, los crossovers pasivos pueden estar en una caja separada, necesaria para acomodar el tamaño de los componentes utilizados. Los crossovers pasivos pueden ser simples para el filtrado de orden bajo o complejos para permitir pendientes pronunciadas como 18 o 24 dB por octava. Los crossovers pasivos también pueden diseñarse para compensar las características no deseadas de las resonancias del controlador, la bocina o el gabinete, y pueden ser difíciles de implementar debido a la interacción de los componentes. Los crossovers pasivos, al igual que las unidades de controlador que alimentan, tienen límites de manejo de potencia, tienen pérdidas de inserción y cambian la carga que ve el amplificador. Los cambios son motivo de preocupación para muchos en el mundo de la alta fidelidad. [ cita requerida ] Cuando se requieren altos niveles de salida, los crossovers activos pueden ser preferibles. Los crossovers activos pueden ser circuitos simples que emulan la respuesta de una red pasiva o pueden ser más complejos, lo que permite amplios ajustes de audio. Algunos crossovers activos, generalmente sistemas de gestión de altavoces digitales, pueden incluir electrónica y controles para la alineación precisa de la fase y el tiempo entre bandas de frecuencia, ecualización, compresión del rango dinámico y limitación . [ cita requerida ]
La mayoría de los sistemas de altavoces constan de controladores montados en un gabinete. La función del gabinete es evitar que las ondas sonoras que emanan de la parte posterior de un controlador interfieran de forma destructiva con las que provienen de la parte frontal. Las ondas sonoras emitidas desde atrás están desfasadas 180° con respecto a las emitidas hacia adelante, por lo que sin un gabinete suelen causar cancelaciones que degradan significativamente el nivel y la calidad del sonido a bajas frecuencias.
El montaje más simple de los controladores es un panel plano ( deflector ) con los controladores montados en agujeros en él. Sin embargo, en este enfoque, las frecuencias de sonido con una longitud de onda más larga que las dimensiones del deflector se cancelan porque la radiación antifase de la parte trasera del cono interfiere con la radiación de la parte delantera. Con un panel infinitamente grande, esta interferencia podría evitarse por completo. Una caja sellada lo suficientemente grande puede acercarse a este comportamiento. [36] [37]
Como los paneles de dimensiones infinitas son imposibles, la mayoría de los gabinetes funcionan conteniendo la radiación trasera del diafragma móvil. Un gabinete sellado evita la transmisión del sonido emitido desde la parte trasera del altavoz al confinar el sonido en una caja rígida y hermética. Las técnicas utilizadas para reducir la transmisión del sonido a través de las paredes del gabinete incluyen paredes de gabinete más gruesas, refuerzos internos y material de pared con pérdidas.
Sin embargo, un recinto rígido refleja el sonido internamente, que luego puede transmitirse a través del diafragma del altavoz, lo que nuevamente produce una degradación de la calidad del sonido. Esto se puede reducir mediante la absorción interna utilizando materiales absorbentes como lana de vidrio , lana o guata de fibra sintética dentro del recinto. La forma interna del recinto también se puede diseñar para reducir esto reflejando los sonidos lejos del diafragma del altavoz, donde pueden ser absorbidos.
Otros tipos de recintos alteran la radiación del sonido posterior para que pueda agregarse de manera constructiva a la salida desde la parte frontal del cono. Los diseños que hacen esto (incluidos los de reflejo de bajos , radiador pasivo , línea de transmisión , etc.) se utilizan a menudo para extender la respuesta efectiva de baja frecuencia y aumentar la salida de baja frecuencia del controlador.
Para que la transición entre los parlantes sea lo más fluida posible, los diseñadores de sistemas han intentado alinear los parlantes moviendo una o más ubicaciones de montaje de parlantes hacia adelante o hacia atrás de modo que el centro acústico de cada parlante esté en el mismo plano vertical. Esto también puede implicar inclinar el parlante hacia atrás, proporcionar un montaje de caja independiente para cada parlante o utilizar técnicas electrónicas para lograr el mismo efecto. Estos intentos han dado como resultado algunos diseños de caja inusuales.
El sistema de montaje de los altavoces (incluidos los gabinetes) también puede provocar difracción, lo que genera picos y caídas en la respuesta de frecuencia. El problema suele ser mayor en frecuencias más altas, donde las longitudes de onda son similares o más pequeñas que las dimensiones del gabinete.
Los altavoces de bocina son la forma más antigua de sistema de altavoces. El uso de bocinas como megáfonos amplificadores de voz data al menos del siglo XVII [38] , y las bocinas se usaban en gramófonos mecánicos ya en 1877. Los altavoces de bocina utilizan una guía de ondas moldeada delante o detrás del controlador para aumentar la directividad del altavoz y transformar una condición de alta presión y diámetro pequeño en la superficie del cono del controlador en una condición de baja presión y diámetro grande en la boca de la bocina. Esto mejora la adaptación de impedancia acústica, electromecánica y mecánica entre el controlador y el aire ambiente, lo que aumenta la eficiencia y enfoca el sonido en un área más estrecha.
El tamaño de la garganta, la boca, la longitud del trombón, así como la tasa de expansión del área a lo largo del mismo deben elegirse cuidadosamente para que coincidan con el controlador para proporcionar adecuadamente esta función de transformación en un rango de frecuencias. [a] La longitud y el área de la boca de la sección transversal requerida para crear un trombón de graves o subgraves dictan un trombón de muchos pies de largo. Los trombón plegados pueden reducir el tamaño total, pero obligan a los diseñadores a hacer concesiones y aceptar mayores costos y complicaciones de construcción. Algunos diseños de trombón no solo pliegan el trombón de baja frecuencia, sino que también usan las paredes en una esquina de la habitación como una extensión de la boca del trombón. A fines de la década de 1940, los trombón cuyas bocas ocupaban gran parte de la pared de una habitación no eran desconocidos entre los fanáticos de la alta fidelidad. Las instalaciones del tamaño de una habitación se volvieron mucho menos aceptables cuando se requirieron dos o más.
Un altavoz con bocina puede tener una sensibilidad de hasta 110 dB a 2,83 voltios (1 vatio a 8 ohmios) a 1 metro. Esto supone un aumento de cien veces en la salida en comparación con un altavoz con una sensibilidad nominal de 90 dB y resulta inestimable en aplicaciones en las que se requieren niveles de sonido elevados o la potencia del amplificador es limitada.
Un altavoz de línea de transmisión es un diseño de caja de altavoz que utiliza una línea de transmisión acústica dentro del gabinete, en comparación con los diseños más simples basados en cajas. En lugar de reverberar en una caja amortiguada bastante simple, el sonido de la parte posterior del altavoz de graves se dirige a una vía amortiguada larga (generalmente plegada) dentro de la caja del altavoz, lo que permite un mayor control y un uso eficiente de la energía del altavoz.
La mayoría de los altavoces de alta fidelidad domésticos utilizan dos puntos de cableado para conectarse a la fuente de la señal (por ejemplo, al amplificador o receptor de audio ). Para aceptar la conexión por cable, la caja del altavoz puede tener postes de conexión , clips de resorte o un conector de montaje en panel. Si los cables de un par de altavoces no están conectados con respecto a la polaridad eléctrica adecuada , [b] se dice que los altavoces están desfasados o, más propiamente, desfasados . [39] [40] Dadas señales idénticas, el movimiento en el cono de un altavoz desfasado es en la dirección opuesta a los demás. Esto normalmente hace que el material monofónico en una grabación estéreo se cancele, se reduzca en nivel y sea más difícil de localizar, todo debido a la interferencia destructiva de las ondas sonoras. El efecto de cancelación es más notorio en frecuencias en las que los altavoces están separados por un cuarto de longitud de onda o menos; las frecuencias bajas son las más afectadas. Este tipo de error de cableado no daña los altavoces, pero no es óptimo para escuchar. [41] [42]
En los sistemas de refuerzo de sonido, los sistemas de megafonía y los altavoces de los amplificadores de instrumentos , se suelen utilizar cables y algún tipo de conector o clavija. Los altavoces de instrumentos y los sistemas de sonido de precio bajo o medio suelen utilizar conectores de 1/4" . Los altavoces de instrumentos y los altavoces de sistemas de sonido de mayor potencia y precio suelen utilizar conectores Speakon . Los conectores Speakon se consideran más seguros para los amplificadores de alto voltaje, porque el conector está diseñado de forma que los usuarios humanos no puedan tocarlo.
Los altavoces inalámbricos son similares a los altavoces con alimentación por cable , pero reciben señales de audio mediante ondas de radiofrecuencia (RF) en lugar de cables de audio. Hay un amplificador integrado en la carcasa del altavoz porque las ondas de RF por sí solas no son suficientes para accionar el altavoz. Los altavoces inalámbricos siguen necesitando alimentación, por lo que requieren una toma de corriente de CA cercana o baterías integradas. Solo se elimina el cable para el audio.
Las especificaciones de los altavoces generalmente incluyen:
y opcionalmente:
Para producir sonido, un altavoz se activa mediante una corriente eléctrica modulada (producida por un amplificador) que pasa a través de una bobina del altavoz que luego (a través de la inductancia ) crea un campo magnético alrededor de la bobina. Las variaciones de corriente eléctrica que pasan a través del altavoz se convierten así en un campo magnético variable, cuya interacción con el campo magnético del controlador mueve el diafragma del altavoz, lo que obliga al controlador a producir un movimiento de aire similar a la señal original del amplificador.
La carga que un driver presenta a un amplificador consiste en una impedancia eléctrica compleja —una combinación de resistencia y reactancia capacitiva e inductiva— que combina propiedades del driver, su movimiento mecánico, los efectos de los componentes de cruce (si hay alguno en la ruta de señal entre el amplificador y el driver) y los efectos de la carga de aire en el driver modificados por el gabinete y su entorno. La mayoría de las especificaciones de salida de los amplificadores se dan a una potencia específica en una carga resistiva ideal ; sin embargo, un altavoz no tiene una impedancia constante en todo su rango de frecuencia. En cambio, la bobina móvil es inductiva, el driver tiene resonancias mecánicas, el gabinete cambia las características eléctricas y mecánicas del driver, y un cruce pasivo entre los drivers y el amplificador contribuye con sus propias variaciones. El resultado es una impedancia de carga que varía ampliamente con la frecuencia, y generalmente también una relación de fase variable entre el voltaje y la corriente, que también cambia con la frecuencia. Algunos amplificadores pueden lidiar con la variación mejor que otros.
Ejemplos de medición típica de altavoces son: características de amplitud y fase vs. frecuencia; respuesta al impulso bajo una o más condiciones (por ejemplo, ondas cuadradas, ráfagas de ondas sinusoidales, etc.); directividad vs. frecuencia (por ejemplo, horizontal, vertical, esférica, etc.); distorsión armónica y de intermodulación vs. nivel de presión sonora (SPL) de salida, utilizando cualquiera de varias señales de prueba; energía almacenada (es decir, timbre) a varias frecuencias; impedancia vs. frecuencia; y rendimiento de señal pequeña vs. rendimiento de señal grande. La mayoría de estas mediciones requieren equipo sofisticado y a menudo costoso para realizarlas. [ cita requerida ] El nivel de presión sonora (SPL) que produce un altavoz se mide en decibeles ( dB spl ).
La eficiencia de un altavoz se define como la potencia de salida del sonido dividida por la potencia eléctrica de entrada. La mayoría de los altavoces son transductores ineficientes; solo alrededor del 1% de la energía eléctrica enviada por un amplificador a un altavoz doméstico típico se convierte en energía acústica. El resto se convierte en calor, principalmente en el conjunto de bobina móvil e imán. La razón principal de esto es la dificultad de lograr una coincidencia de impedancia adecuada entre la impedancia acústica de la unidad de accionamiento y el aire al que irradia. [c] La eficiencia de los controladores de los altavoces también varía con la frecuencia. Por ejemplo, la salida de un controlador de woofer disminuye a medida que disminuye la frecuencia de entrada debido a la coincidencia de impedancia cada vez más deficiente entre el aire y el controlador.
Las clasificaciones de los controladores basadas en el nivel de presión sonora (SPL) para una entrada determinada se denominan clasificaciones de sensibilidad y son, en teoría, similares a la eficiencia. La sensibilidad se define generalmente como el nivel de presión sonora (SPL) en decibeles a una entrada eléctrica de 1 W, medida a 1 metro, [d] a menudo a una sola frecuencia. El voltaje utilizado suele ser 2,83 V RMS , lo que da como resultado 1 vatio en una impedancia nominal de altavoz de 8 Ω. Las mediciones tomadas con esta referencia se expresan como dB con 2,83 V a 1 m. [ cita requerida ]
La salida de presión sonora se mide a (o se escala matemáticamente para que sea equivalente a una medición tomada a) un metro del altavoz y en el eje (directamente frente a él), bajo la condición de que el altavoz esté irradiando hacia un espacio infinitamente grande y montado sobre un deflector infinito . Claramente, entonces, la sensibilidad no se correlaciona precisamente con la eficiencia, ya que también depende de la directividad del controlador que se está probando y del entorno acústico frente al altavoz real. Por ejemplo, la bocina de una animadora produce más salida de sonido en la dirección en la que apunta al concentrar las ondas sonoras de la animadora en una dirección, enfocándolas así . La bocina también mejora la adaptación de impedancia entre la voz y el aire, lo que produce más potencia acústica para una potencia de altavoz dada. En algunos casos, la adaptación de impedancia mejorada (a través de un diseño cuidadoso de la carcasa) permite que el altavoz produzca más potencia acústica.
Los altavoces domésticos típicos tienen sensibilidades de aproximadamente 85 a 95 dB para 1 W a 1 m, lo que representa una eficiencia del 0,5 al 4 %. Los altavoces de refuerzo de sonido y de megafonía tienen sensibilidades de quizás 95 a 102 dB para 1 W a 1 m, lo que representa una eficiencia del 4 al 10 %. Los altavoces para conciertos de rock, PA de estadios, locuciones marítimas, etc., generalmente tienen sensibilidades más altas de 103 a 110 dB para 1 W a 1 m, lo que representa una eficiencia del 10 al 20 %. [ cita requerida ]
Dado que la sensibilidad y la capacidad de manejo de potencia son propiedades en gran medida independientes, un controlador con una potencia máxima más alta no necesariamente puede funcionar a niveles más altos que uno con una potencia más baja. En el ejemplo que sigue, supongamos (para simplificar) que los controladores que se comparan tienen la misma impedancia eléctrica, funcionan a la misma frecuencia dentro de las respectivas bandas de paso de ambos controladores y que la compresión de potencia y la distorsión son insignificantes. Un altavoz 3 dB más sensible que otro produce el doble de potencia de sonido (es 3 dB más fuerte) para la misma entrada de potencia eléctrica. Por lo tanto, un controlador de 100 W (A) con una potencia nominal de 92 dB para una sensibilidad de 1 W a 1 m emite el doble de potencia acústica que un controlador de 200 W (B) con una potencia nominal de 89 dB para 1 W a 1 m cuando ambos se activan con 100 W de potencia eléctrica. En este ejemplo, cuando se activa a 100 W, el altavoz A produce el mismo SPL o volumen que el altavoz B produciría con una entrada de 200 W. Por lo tanto, un aumento de 3 dB en la sensibilidad del altavoz significa que necesita la mitad de potencia del amplificador para alcanzar un nivel de presión sonora determinado. Esto se traduce en un amplificador de potencia más pequeño y menos complejo y, a menudo, en un menor coste general del sistema.
Normalmente no es posible combinar una alta eficiencia (especialmente a bajas frecuencias) con un tamaño de caja compacto y una respuesta de baja frecuencia adecuada. En la mayoría de los casos, se pueden elegir solo dos de los tres parámetros al diseñar un sistema de altavoces. Por ejemplo, si el rendimiento extendido a bajas frecuencias y un tamaño de caja pequeño son importantes, se debe aceptar una baja eficiencia. Esta regla general a veces se denomina Ley de hierro de Hofmann (en honor a JA Hofmann , la H en KLH ). [46] [47]
La interacción de un sistema de altavoces con su entorno es compleja y está en gran medida fuera del control del diseñador de altavoces. La mayoría de las salas de escucha presentan un entorno más o menos reflectante, dependiendo del tamaño, la forma, el volumen y el mobiliario. Esto significa que el sonido que llega a los oídos de un oyente no solo consiste en sonido directamente desde el sistema de altavoces, sino también en el mismo sonido retrasado al viajar hacia y desde (y ser modificado por) una o más superficies. Estas ondas sonoras reflejadas, cuando se suman al sonido directo, causan cancelación y adición en diversas frecuencias (por ejemplo, de modos de sala resonantes ), cambiando así el timbre y el carácter del sonido en los oídos del oyente. El cerebro humano es sensible a pequeñas variaciones en el sonido reflejado, y esta es parte de la razón por la que un sistema de altavoces suena diferente en diferentes posiciones de escucha o en diferentes habitaciones.
Un factor importante en el sonido de un sistema de altavoces es la cantidad de absorción y difusión presente en el entorno. Al dar palmas en una habitación vacía, sin cortinas ni alfombras, se produce un eco vibrante y vibrante debido tanto a la falta de absorción como a la reverberación (es decir, ecos repetidos) de las paredes, el suelo y el techo planos y reflectantes. La adición de muebles de superficie dura, adornos de pared, estanterías e incluso una decoración barroca de yeso en el techo cambia los ecos, principalmente debido a la difusión causada por objetos reflectantes con formas y superficies que tienen tamaños del orden de las longitudes de onda del sonido. Esto rompe un poco las reflexiones simples que de otro modo causarían las superficies planas y desnudas, y extiende la energía reflejada de una onda incidente sobre un ángulo mayor en la reflexión.
En una sala de escucha rectangular típica, las superficies duras y paralelas de las paredes, el piso y el techo causan nodos de resonancia acústica primaria en cada una de las tres dimensiones: izquierda-derecha, arriba-abajo y adelante-atrás. [48] Además, hay modos de resonancia más complejos que involucran tres, cuatro, cinco e incluso las seis superficies límite que se combinan para crear ondas estacionarias . Esto se llama respuesta de interferencia de límite de altavoz (SBIR). [49] Las frecuencias bajas excitan más estos modos, ya que las longitudes de onda largas no se ven muy afectadas por las composiciones o la colocación de los muebles. El espaciado de modos es crítico, especialmente en habitaciones pequeñas y medianas como estudios de grabación, cines en casa y estudios de transmisión. La proximidad de los altavoces a los límites de la sala afecta la intensidad con la que se excitan las resonancias, así como la fuerza relativa en cada frecuencia. La ubicación del oyente también es crítica, ya que una posición cerca de un límite puede tener un gran efecto en el equilibrio percibido de frecuencias. Esto se debe a que los patrones de ondas estacionarias se escuchan más fácilmente en estos lugares y a frecuencias más bajas, por debajo de la frecuencia de Schröder , generalmente alrededor de 200–300 Hz, dependiendo del tamaño de la habitación. [ cita requerida ]
Los acústicos, al estudiar la radiación de las fuentes de sonido, han desarrollado algunos conceptos importantes para comprender cómo se perciben los altavoces. La fuente de radiación más simple posible es una fuente puntual, a veces llamada fuente simple. Una fuente puntual ideal es un punto infinitesimalmente pequeño que irradia sonido. Puede resultar más fácil imaginar una esfera diminuta que pulsa, cuyo diámetro aumenta y disminuye uniformemente, y que envía ondas sonoras en todas direcciones por igual, independientemente de la frecuencia.
Cualquier objeto que emita sonido, incluido un sistema de altavoces, puede considerarse compuesto por combinaciones de estas fuentes puntuales simples. El patrón de radiación de una combinación de fuentes puntuales no es el mismo que el de una fuente única, sino que depende de la distancia y la orientación entre las fuentes, la posición relativa a ellas desde la que el oyente escucha la combinación y la frecuencia del sonido en cuestión. Utilizando geometría y cálculo, algunas combinaciones simples de fuentes se pueden resolver fácilmente; otras, no.
Una combinación sencilla consiste en dos fuentes simples separadas por una distancia y vibrando desfasadas, una esfera en miniatura que se expande mientras que la otra se contrae. El par se conoce como doblete o dipolo, y la radiación de esta combinación es similar a la de un altavoz dinámico muy pequeño que funciona sin deflector. La directividad de un dipolo tiene forma de 8 con una salida máxima a lo largo de un vector que conecta las dos fuentes y mínimas a los lados cuando el punto de observación es equidistante de las dos fuentes, donde la suma de las ondas positivas y negativas se cancelan entre sí. Si bien la mayoría de los controladores son dipolos, según el gabinete al que estén conectados, pueden radiar como monopolos, dipolos (o bipolares). Si se montan en un deflector finito y se permite que estas ondas desfasadas interactúen, se producen picos y nulos dipolares en la respuesta de frecuencia. Cuando la radiación trasera se absorbe o atrapa en una caja, el diafragma se convierte en un radiador monopolar. Los altavoces bipolares, fabricados mediante el montaje de monopolos en fase (ambos moviéndose hacia afuera o hacia adentro de la caja al unísono) en lados opuestos de una caja, son un método para abordar patrones de radiación omnidireccional.
En la vida real, los parlantes individuales son formas tridimensionales complejas, como conos y domos, y se colocan en un deflector por diversas razones. Normalmente no es posible obtener una expresión matemática para la directividad de una forma compleja, basada en combinaciones de modelos de fuentes puntuales, pero en el campo lejano, la directividad de un altavoz con un diafragma circular es cercana a la de un pistón circular plano, por lo que se puede utilizar como una simplificación ilustrativa para la discusión. Como ejemplo simple de la física matemática involucrada, considere lo siguiente: la fórmula para la directividad de campo lejano de un pistón circular plano en un deflector infinito es donde , es la presión en el eje, es el radio del pistón, es la longitud de onda (es decir , ) es el ángulo fuera del eje y es la función de Bessel de primer tipo.
Una fuente plana irradia el sonido de manera uniforme para longitudes de onda de frecuencias bajas mayores que las dimensiones de la fuente plana y, a medida que aumenta la frecuencia, el sonido de dicha fuente se enfoca en un ángulo cada vez más estrecho. Cuanto más pequeño sea el controlador, más alta será la frecuencia en la que se produce este estrechamiento de la directividad. Incluso si el diafragma no es perfectamente circular, este efecto se produce de tal manera que las fuentes más grandes son más directivas. Varios diseños de altavoces se aproximan a este comportamiento. La mayoría son diseños electrostáticos o magnéticos planares.
Varios fabricantes utilizan diferentes disposiciones de montaje de controladores para crear un tipo específico de campo de sonido en el espacio para el que están diseñados. Los patrones de radiación resultantes pueden estar destinados a simular más de cerca la forma en que el sonido es producido por instrumentos reales, o simplemente crear una distribución de energía controlada a partir de la señal de entrada (algunos que utilizan este enfoque se denominan monitores , ya que son útiles para verificar la señal recién grabada en un estudio). Un ejemplo del primero es un sistema de esquina de una habitación con muchos controladores pequeños en la superficie de una esfera de 1/8. Un diseño de sistema de este tipo fue patentado y producido comercialmente por el profesor Amar Bose: el 2201. Los modelos posteriores de Bose han enfatizado deliberadamente la producción de sonido directo y reflejado por el propio altavoz, independientemente de su entorno. Los diseños son controvertidos en los círculos de alta fidelidad , pero han demostrado ser comercialmente exitosos. Los diseños de varios otros fabricantes siguen principios similares.
La directividad es un tema importante porque afecta el balance de frecuencia del sonido que escucha un oyente, y también la interacción del sistema de altavoces con la sala y su contenido. Un altavoz muy directivo (a veces llamado "con forma de haz") (es decir, en un eje perpendicular a la cara del altavoz) puede dar como resultado un campo reverberante carente de frecuencias altas, dando la impresión de que el altavoz es deficiente en agudos a pesar de que mide bien en el eje (por ejemplo, plano en todo el rango de frecuencia). Los altavoces con una directividad muy amplia o que aumenta rápidamente en las frecuencias altas pueden dar la impresión de que hay demasiados agudos (si el oyente está en el eje) o muy pocos (si el oyente está fuera del eje). Esta es parte de la razón por la que la medición de la respuesta de frecuencia en el eje no es una caracterización completa del sonido de un altavoz determinado.
Si bien los altavoces de cono dinámico siguen siendo la opción más popular, existen muchas otras tecnologías de altavoces. [1] : 705–714
El diseño original de los altavoces era de hierro móvil. A diferencia del diseño dinámico (bobina móvil) más reciente, un altavoz de hierro móvil utiliza una bobina estacionaria para hacer vibrar una pieza de metal magnetizada (llamada hierro, lengüeta o armadura). El metal está unido al diafragma o es el propio diafragma. Este diseño apareció originalmente en los primeros teléfonos.
Los impulsores de hierro en movimiento son ineficientes y solo pueden producir una pequeña banda de sonido. Requieren imanes y bobinas grandes para aumentar la fuerza. [51]
Los controladores de armadura balanceada (un tipo de controlador de hierro móvil) utilizan una armadura que se mueve como un balancín o un trampolín. Como no están amortiguados, son muy eficientes, pero también producen fuertes resonancias. Todavía se utilizan hoy en día para auriculares y audífonos de alta gama, donde el tamaño pequeño y la alta eficiencia son importantes. [52]
Los altavoces piezoeléctricos se utilizan con frecuencia como avisadores acústicos en relojes y otros dispositivos electrónicos, y a veces se utilizan como tweeters en sistemas de altavoces menos costosos, como altavoces de ordenador y radios portátiles. Los altavoces piezoeléctricos tienen varias ventajas sobre los altavoces convencionales: son resistentes a las sobrecargas que normalmente destruirían la mayoría de los controladores de alta frecuencia, y se pueden utilizar sin un filtro divisor de frecuencias debido a sus propiedades eléctricas. También existen desventajas: algunos amplificadores pueden oscilar al accionar cargas capacitivas como la mayoría de los piezoeléctricos, lo que da lugar a distorsión o daños en el amplificador. Además, su respuesta de frecuencia, en la mayoría de los casos, es inferior a la de otras tecnologías. Por eso se utilizan generalmente en aplicaciones de frecuencia única (avisadores acústicos) o no críticas.
Los altavoces piezoeléctricos pueden tener una salida de alta frecuencia extendida, lo que resulta útil en algunas circunstancias especiales; por ejemplo, aplicaciones de sonar en las que se utilizan variantes piezoeléctricas como dispositivos de salida (que generan sonido submarino) y como dispositivos de entrada (que actúan como componentes de detección de micrófonos submarinos ). Tienen ventajas en estas aplicaciones, y una de las más importantes es su construcción simple y de estado sólido que resiste el agua de mar mejor que un dispositivo basado en cinta o cono.
En 2013, Kyocera introdujo altavoces piezoeléctricos ultrafinos de tamaño mediano con un grosor de tan solo 1 milímetro y un peso de 7 gramos para sus televisores OLED de 55" y esperan que estos altavoces también se utilicen en PC y tabletas. Además de los de tamaño mediano, también hay altavoces de tamaño grande y pequeño que pueden producir relativamente la misma calidad de sonido y volumen en un rango de 180 grados. El material de los altavoces, de gran capacidad de respuesta, proporciona una mejor claridad que los altavoces de los televisores tradicionales. [53]
En lugar de una bobina móvil que acciona el cono del altavoz, un altavoz magnetostático utiliza una serie de tiras de metal unidas a una gran membrana de película. El campo magnético producido por la corriente de señal que fluye a través de las tiras interactúa con el campo de los imanes de barra permanentes montados detrás de ellas. La fuerza producida mueve la membrana y, por lo tanto, el aire que se encuentra frente a ella. Por lo general, estos diseños son menos eficientes que los altavoces de bobina móvil convencionales.
Los transductores magnetoestrictivos, basados en la magnetostricción , se han utilizado predominantemente como radiadores de ondas de sonido ultrasónicos de sonar , pero su uso se ha extendido también a los sistemas de altavoces de audio. Los controladores de altavoces magnetoestrictivos tienen algunas ventajas especiales: pueden proporcionar una mayor fuerza (con excursiones más pequeñas) que otras tecnologías; la baja excursión puede evitar distorsiones de grandes excursiones como en otros diseños; la bobina magnetizadora es estacionaria y, por lo tanto, se enfría más fácilmente; son robustos porque no se requieren suspensiones delicadas ni bobinas móviles. Fostex [54] [55] [56] y FeONIC [57] [58] [59] [60] han producido módulos de altavoces magnetoestrictivos y también se han producido controladores de subwoofer. [61]
Los altavoces electrostáticos utilizan un campo eléctrico de alto voltaje (en lugar de un campo magnético) para accionar una membrana delgada cargada estáticamente. Como funcionan sobre toda la superficie de la membrana en lugar de hacerlo desde una pequeña bobina móvil, normalmente proporcionan un movimiento más lineal y con menor distorsión que los altavoces dinámicos. También tienen un patrón de dispersión relativamente estrecho que puede permitir un posicionamiento preciso del campo sonoro. Sin embargo, su área de escucha óptima es pequeña y no son altavoces muy eficientes. Tienen la desventaja de que la excursión del diafragma está muy limitada debido a limitaciones prácticas de construcción: cuanto más separados estén los estatores, más alto debe ser el voltaje para lograr una eficiencia aceptable. Esto aumenta la tendencia a los arcos eléctricos, así como la atracción de partículas de polvo por parte del altavoz. La formación de arcos sigue siendo un problema potencial con las tecnologías actuales, especialmente cuando se permite que los paneles acumulen polvo o suciedad y se accionan con niveles de señal altos.
Los altavoces electrostáticos son inherentemente radiadores dipolares y, debido a la membrana delgada y flexible, son menos adecuados para su uso en recintos cerrados para reducir la cancelación de baja frecuencia, como sucede con los altavoces de cono comunes. Debido a esto y a la baja capacidad de excursión, los altavoces electrostáticos de rango completo son grandes por naturaleza y los graves se reducen a una frecuencia correspondiente a un cuarto de la longitud de onda de la dimensión más estrecha del panel. Para reducir el tamaño de los productos comerciales, a veces se utilizan como un altavoz de alta frecuencia en combinación con un altavoz dinámico convencional que maneja las frecuencias graves de manera eficaz.
La electrostática suele funcionar a través de un transformador elevador que multiplica las oscilaciones de tensión producidas por el amplificador de potencia. Este transformador también multiplica la carga capacitiva inherente a los transductores electrostáticos, lo que significa que la impedancia efectiva presentada a los amplificadores de potencia varía ampliamente según la frecuencia. Un altavoz que tiene una potencia nominal de 8 ohmios puede presentar en realidad una carga de 1 ohmio a frecuencias más altas, lo que supone un desafío para algunos diseños de amplificadores.
Un altavoz de cinta consiste en una fina cinta de película metálica suspendida en un campo magnético. La señal eléctrica se aplica a la cinta, que se mueve con ella para crear el sonido. La ventaja de un controlador de cinta es que la cinta tiene muy poca masa ; por lo tanto, puede acelerar muy rápidamente, produciendo una muy buena respuesta de alta frecuencia. Los altavoces de cinta suelen ser muy frágiles. La mayoría de los tweeters de cinta emiten sonido en un patrón dipolar. Algunos tienen respaldos que limitan el patrón de radiación dipolar. Por encima y por debajo de los extremos de la cinta más o menos rectangular, hay menos salida audible debido a la cancelación de fase, pero la cantidad precisa de directividad depende de la longitud de la cinta. Los diseños de cinta generalmente requieren imanes excepcionalmente potentes, lo que los hace costosos de fabricar. Las cintas tienen una resistencia muy baja que la mayoría de los amplificadores no pueden controlar directamente. Como resultado, generalmente se utiliza un transformador reductor para aumentar la corriente a través de la cinta. El amplificador ve una carga que es la resistencia de la cinta multiplicada por la relación de vueltas del transformador al cuadrado. El transformador debe diseñarse cuidadosamente para que su respuesta de frecuencia y sus pérdidas parásitas no degraden el sonido, aumentando aún más el costo y la complicación en relación con los diseños convencionales.
Los altavoces magnéticos planos (que tienen conductores impresos o incrustados en un diafragma plano) a veces se describen como cintas, pero no son realmente altavoces de cinta. El término plano generalmente se reserva para altavoces con superficies planas aproximadamente rectangulares que irradian de manera bipolar (es decir, adelante y atrás). Los altavoces magnéticos planos consisten en una membrana flexible con una bobina móvil impresa o montada en ella. La corriente que fluye a través de la bobina interactúa con el campo magnético de imanes cuidadosamente colocados a cada lado del diafragma, lo que hace que la membrana vibre de manera más o menos uniforme y sin doblarse ni arrugarse demasiado. La fuerza impulsora cubre un gran porcentaje de la superficie de la membrana y reduce los problemas de resonancia inherentes a los diafragmas planos accionados por bobina.
Los transductores de ondas de flexión utilizan un diafragma que es intencionalmente flexible. La rigidez del material aumenta desde el centro hacia el exterior. Las longitudes de onda cortas irradian principalmente desde el área interior, mientras que las ondas más largas alcanzan el borde del altavoz. Para evitar que las reflexiones desde el exterior vuelvan al centro, las ondas largas son absorbidas por un amortiguador circundante. Estos transductores pueden cubrir un amplio rango de frecuencias (80 Hz a 35.000 Hz) y se han promocionado como fuentes de sonido cercanas a las ideales. [62] Este enfoque poco común lo están adoptando solo unos pocos fabricantes, en disposiciones muy diferentes.
Los altavoces Ohm Walsh utilizan un controlador único diseñado por Lincoln Walsh , que había sido ingeniero de desarrollo de radares en la Segunda Guerra Mundial. Se interesó en el diseño de equipos de audio y su último proyecto fue un altavoz único, unidireccional, que utilizaba un solo controlador. El cono estaba orientado hacia abajo dentro de un recinto hermético y sellado. En lugar de moverse hacia adelante y hacia atrás como lo hacen los altavoces convencionales, el cono se ondulaba y creaba sonido de una manera conocida en electrónica de RF como una "línea de transmisión". El nuevo altavoz creaba un campo de sonido cilíndrico. Lincoln Walsh murió antes de que su altavoz fuera lanzado al público. La firma Ohm Acoustics ha producido varios modelos de altavoces utilizando el diseño del controlador Walsh desde entonces. German Physiks, una empresa de equipos de audio en Alemania, también produce altavoces que utilizan este enfoque.
La firma alemana Manger ha diseñado y producido un controlador de ondas de flexión que a primera vista parece convencional. De hecho, el panel redondo unido a la bobina móvil se dobla de una manera cuidadosamente controlada para producir un sonido de rango completo. [63] Josef W. Manger fue galardonado con la Medalla Rudolf-Diesel por desarrollos e inventos extraordinarios por el Instituto Alemán de Invenciones.
Ha habido muchos intentos de reducir el tamaño de los sistemas de altavoces, o alternativamente de hacerlos menos obvios. Uno de esos intentos fue el desarrollo de bobinas de transductores de excitación montadas en paneles planos para actuar como fuentes de sonido, más precisamente llamados controladores de excitador/panel. [64] Estos pueden entonces fabricarse en un color neutro y colgarse en las paredes donde son menos visibles que muchos altavoces, o pueden pintarse deliberadamente con patrones, en cuyo caso pueden funcionar decorativamente. Hay dos problemas relacionados con las técnicas de panel plano: primero, un panel plano es necesariamente más flexible que una forma de cono en el mismo material, y por lo tanto se mueve como una sola unidad aún menos, y segundo, las resonancias en el panel son difíciles de controlar, lo que lleva a distorsiones considerables. Se han logrado algunos avances utilizando materiales livianos y rígidos como el poliestireno , y ha habido varios sistemas de panel plano producidos comercialmente en los últimos años. [65]
Oskar Heil inventó el transductor de movimiento de aire en la década de 1960. En este enfoque, se monta un diafragma plisado en un campo magnético y se lo obliga a cerrarse y abrirse bajo el control de una señal musical. El aire se fuerza a salir de entre los pliegues de acuerdo con la señal impuesta, generando sonido. Los controladores son menos frágiles que las cintas y considerablemente más eficientes (y capaces de producir niveles de salida absolutos más altos) que los diseños de tweeter de cinta, electrostáticos o magnéticos planares. ESS, un fabricante de California, obtuvo la licencia del diseño, empleó a Heil y produjo una gama de sistemas de altavoces utilizando sus tweeters durante las décadas de 1970 y 1980. Lafayette Radio , una gran cadena de tiendas minoristas de EE. UU., también vendió sistemas de altavoces que usaban tales tweeters durante un tiempo. Hay varios fabricantes de estos controladores (al menos dos en Alemania, uno de los cuales produce una gama de altavoces profesionales de alta gama que usan tweeters y controladores de rango medio basados en la tecnología) y los controladores se utilizan cada vez más en audio profesional. Martin Logan produce varios altavoces AMT en EE. UU. y GoldenEar Technologies los incorpora en toda su línea de altavoces.
En 2013, un equipo de investigación presentó un altavoz de conducción iónica transparente que tiene dos láminas de gel conductor transparente y una capa de goma transparente en el medio para hacer que el alto voltaje y la alta actuación funcionen para reproducir una buena calidad de sonido. El altavoz es adecuado para los campos de la robótica, la informática móvil y la óptica adaptativa. [66]
Los altavoces digitales han sido objeto de experimentos realizados por Bell Labs desde la década de 1920. [67] El diseño es simple: cada bit controla un controlador, que está completamente "encendido" o "apagado". Los problemas con este diseño han llevado a los fabricantes a abandonarlo por considerarlo poco práctico por el momento. En primer lugar, para una cantidad razonable de bits (necesaria para una calidad de reproducción de sonido adecuada ), el tamaño físico de un sistema de altavoces se vuelve muy grande. En segundo lugar, debido a los problemas inherentes de conversión de analógico a digital , el efecto de aliasing es inevitable, de modo que la salida de audio se refleja con la misma amplitud en el dominio de frecuencia, en el otro lado del límite de Nyquist (la mitad de la frecuencia de muestreo), lo que provoca que un nivel inaceptablemente alto de ultrasonidos acompañe a la salida deseada. No se ha encontrado ningún esquema viable para abordar esto adecuadamente.
Los altavoces de arco de plasma utilizan plasma eléctrico como elemento radiante. Dado que el plasma tiene una masa mínima, pero está cargado y, por lo tanto, puede manipularse mediante un campo eléctrico , el resultado es una salida muy lineal a frecuencias mucho más altas que el rango audible. Los problemas de mantenimiento y confiabilidad de este enfoque tienden a hacerlo inadecuado para su uso en el mercado masivo. En 1978, Alan E. Hill, del Laboratorio de Armas de la Fuerza Aérea en Albuquerque, Nuevo México, diseñó el Plasmatronics Hill Type I, un tweeter cuyo plasma se generaba a partir de gas helio . [68] Esto evitaba el ozono y el NOx [69] producidos por la descomposición de aire por RF en una generación anterior de tweeters de plasma fabricados por la pionera DuKane Corporation, que produjo el Ionovac (comercializado como Ionofane en el Reino Unido) durante la década de 1950. [70]
Una variación menos costosa de este tema es el uso de una llama como conductor, ya que las llamas contienen gases ionizados (cargados eléctricamente). [71]
En 2008, investigadores de la Universidad de Tsinghua demostraron un altavoz termoacústico (o termófono ) de película delgada de nanotubos de carbono , [72] cuyo mecanismo de funcionamiento es un efecto termoacústico. Se utilizan corrientes eléctricas de frecuencia de sonido para calentar periódicamente el CNT y, por lo tanto, generar sonido en el aire circundante. El altavoz de película delgada de CNT es transparente, estirable y flexible. En 2013, investigadores de la Universidad de Tsinghua presentaron además un auricular termoacústico de hilo delgado de nanotubos de carbono y un dispositivo termoacústico montado en superficie. [73] Ambos son dispositivos completamente integrados y compatibles con la tecnología de semiconductores basada en Si.
Un woofer rotatorio es esencialmente un ventilador con aspas que cambian constantemente su tono, lo que les permite empujar el aire hacia adelante y hacia atrás con facilidad. Los woofers rotatorios pueden reproducir de manera eficiente frecuencias subsónicas , que son difíciles o imposibles de lograr en un altavoz tradicional con diafragma. A menudo se emplean en salas de cine para recrear efectos de graves retumbantes, como explosiones. [74] [75]
{{cite web}}: Enlace externo en |website=La diferencia clave en el diseño de Rice y Kellogg fue el ajuste de los parámetros mecánicos de modo que la resonancia fundamental del sistema en movimiento tuviera lugar a una frecuencia más baja que aquella en la que la impedancia de radiación del cono se había vuelto uniforme. En este rango, el movimiento del cono estaba controlado por la masa y el cono miraba hacia una impedancia de radiación creciente. Esto, en efecto, proporcionó una región de frecuencia significativa de respuesta de potencia plana para el diseño.
{{cite magazine}}: Falta o está vacío |title=( ayuda ) [ título faltante ]{{cite magazine}}: Requiere citar revista |magazine=( ayuda )A menudo alabamos de palabra el hecho de que el audio permite a quienes lo practican dedicarse tanto al arte como a la ciencia.
El sistema de altavoces en forma de cono tiene 95 mm de diámetro y 90 mm de alto. Cuenta con un actuador que utiliza un magnetostrictor que se extiende y se contrae en línea con los cambios del campo magnético. El actuador convierte el sonido de entrada en vibración y lo transmite a la mesa, reproduciendo así el sonido.
Un altavoz magnetostrictivo gigante que presenta buenas características acústicas cuando se utiliza colocado sobre una superficie horizontal.
El D2 es diferente a la tecnología de altavoces tradicional porque utiliza un material inteligente magnetoestrictivo de muy alta potencia como controlador en lugar de una bobina móvil. El material fue desarrollado originalmente por el ejército de los EE. UU. para aplicaciones de sonar y ahora no tiene restricciones para uso comercial.
