Un altavoz (comúnmente denominado altavoz o controlador de altavoz ) es un transductor electroacústico [1] que convierte una señal de audio eléctrica en un sonido correspondiente . [2] Un sistema de altavoces , también denominado a menudo simplemente altavoz o altavoz , comprende uno o más controladores de altavoces , una carcasa y conexiones eléctricas que posiblemente incluyan una red cruzada . El controlador del altavoz puede verse como un motor lineal unido 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 hasta un nivel de potencia capaz de accionar ese motor para reproducir el sonido correspondiente a la señal electrónica original no amplificada. Se trata pues 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 fuerza de Faraday. ley de inducción ; esto se adhiere a un diafragma o cono de altavoz (como suele tener 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 desconcertado para que el sonido que emana de su parte posterior no cancele el sonido (intencionado) del frente; 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 de ellos 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 ve reforzada por un llamado subwoofer , que a menudo se encuentra en su propia (grande) carcasa. 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 cruzada que ayuda a dirigir los componentes de la señal electrónica a los controladores de altavoz más capaces de reproducir esas frecuencias. En el llamado sistema de altavoces autoamplificados , el amplificador de potencia que realmente alimenta a los controladores de los altavoces está integrado en la propia carcasa; Estos se han vuelto cada vez más comunes, especialmente como parlantes de computadora.
Los parlantes más pequeños se encuentran en dispositivos como radios , televisores , reproductores de audio portátiles , computadoras personales ( altavoces para computadora ), audífonos y audífonos . Los sistemas de altavoces más grandes y potentes se utilizan para sistemas de alta fidelidad domésticos ( estéreo ), instrumentos musicales electrónicos , refuerzo de sonido en teatros y salas de conciertos y en sistemas de megafonía .
El término altavoz puede referirse a transductores individuales (también conocidos como controladores ) o a sistemas de altavoces completos que constan de una caja 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, especialmente para niveles de presión sonora más altos o máxima precisión. Se utilizan controladores individuales para reproducir diferentes rangos de frecuencia. Los controladores se denominan subwoofers (para frecuencias muy bajas); woofers (bajas frecuencias); altavoces de rango medio (frecuencias medias); tweeters (altas frecuencias); y algunas 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 existe un controlador de medios, por lo que la tarea de reproducir los sonidos de medios se divide entre el woofer y el tweeter. Los equipos de música domésticos utilizan la designación tweeter para el controlador de alta frecuencia, mientras que los sistemas de concierto profesionales pueden designarlos como HF o agudos . [ cita necesaria ] Cuando se utilizan varios controladores en un sistema, una red de filtro, llamada cruce de audio , separa la señal entrante en diferentes rangos de frecuencia y las enruta 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 medios y un tweeter. Los controladores de altavoz del tipo que se muestra en la imagen se denominan dinámicos (abreviatura de electrodinámico) para distinguirlos de otros tipos, incluidos los altavoces de hierro móviles y los altavoces que utilizan sistemas piezoeléctricos o electrostáticos .
Johann Philipp Reis instaló en 1861 un altavoz eléctrico en su teléfono ; era capaz de reproducir tonos claros, pero revisiones posteriores también podían reproducir el habla apagada . [3] 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 recibió una patente británica para un sistema que utilizaba aire comprimido como mecanismo amplificador para sus primeros fonógrafos cilíndricos, pero finalmente se conformó con la familiar bocina de metal impulsada por una membrana unida al lápiz. En 1898, Horace Short patentó un diseño para un altavoz accionado por aire comprimido; luego vendió los derechos a Charles Parsons , a quien se le concedieron varias patentes británicas adicionales antes de 1910. Algunas empresas, incluidas Victor Talking Machine Company y Pathé , producían tocadiscos utilizando 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. [4]
El primer altavoz experimental de bobina móvil (también llamado dinámico ) fue inventado por Oliver Lodge en 1898. [5] Los primeros altavoces prácticos de bobina móvil fueron fabricados por el ingeniero danés Peter L. Jensen y Edwin Pridham en 1915, en Napa, California . [6] Al igual que los altavoces anteriores, estos utilizaban bocinas para amplificar el sonido producido por un pequeño diafragma. A Jensen se le negaron las patentes. Al no tener éxito en vender su producto a 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. [7]
El principio de bobina móvil que se utiliza habitualmente hoy en día en los altavoces 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 . [8]
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 normalmente cumplía una doble función, actuando también como bobina de estrangulación , filtrando la fuente de alimentación del amplificador al que estaba conectado el altavoz. [9] La ondulación de CA en la corriente fue atenuada por la acción de pasar a través de la bobina de estrangulación. Sin embargo, las frecuencias de la línea de CA tendían a modular la señal de audio que iba a la bobina móvil y aumentaban el 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 no eran 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 de ellos optimizado para un rango de frecuencia diferente, con el fin de mejorar la respuesta de frecuencia y aumentar el nivel de presión sonora. [10] En 1937, Metro-Goldwyn-Mayer introdujo el primer sistema de altavoces estándar de la industria cinematográfica, "The Shearer Horn System for Theatres", [11] un sistema de dos vías . Utilizó 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 un papel en la creación. 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 parlantes 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 . [12]
Altec Lansing presentó el 604 , que se convirtió en su controlador dúplex coaxial 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 cercana. [13] El sistema de altavoces "Voice of the Theatre" de Altec se vendió por primera vez en 1945 y ofrecía mejor coherencia y claridad en los altos niveles de salida necesarios en las salas de cine. [14] 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. [15]
En 1954, Edgar Villchur desarrolló el principio de suspensión acústica del diseño de altavoces. Esto permitió una mejor respuesta de graves que la que se obtenía anteriormente con controladores montados en gabinetes más grandes. [16] Él y su socio Henry Kloss formaron la empresa Acoustic Research para fabricar y comercializar sistemas de altavoces utilizando este principio. [17] Posteriormente, los continuos avances en el diseño y los materiales de los recintos condujeron a importantes mejoras audibles. [18]
Las mejoras más notables hasta la fecha en los controladores dinámicos modernos, y los altavoces que los emplean, son mejoras en los materiales de los conos, la introducción de adhesivos de mayor temperatura, materiales de imanes permanentes mejorados , técnicas de medición mejoradas, diseño asistido por computadora y análisis de elementos finitos. . En bajas frecuencias, la teoría de redes eléctricas de parámetros de Thiele/Small se ha utilizado para optimizar la sinergia del altavoz de graves y la caja desde principios de los años 1970. [19]
El tipo más común de controlador, comúnmente llamado altavoz dinámico , utiliza un diafragma o cono liviano , conectado a una canasta o marco rígido , 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 contra el polvo pegada en el centro del cono evita que el polvo, principalmente residuos ferromagnéticos , entre en el espacio.
Cuando se aplica una señal eléctrica a la bobina móvil, la corriente eléctrica crea un campo magnético en la bobina móvil, lo que la convierte en un electroimán variable. La bobina y el sistema magnético del conductor interactúan de manera similar a un solenoide , generando una fuerza mecánica que mueve la bobina (y por lo tanto, el cono adjunto). 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 proveniente del amplificador.
La siguiente es una descripción de los componentes individuales de este tipo de altavoz.
La membrana suele estar fabricada con un perfil en forma de cono o cúpula. Se pueden utilizar diversos materiales, 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 timbre audible debido a su frecuencia de resonancia según lo determinado. por su uso. En la práctica, estos tres criterios no pueden cumplirse simultáneamente utilizando materiales existentes; por lo tanto, el diseño del controlador implica compensaciones . Por ejemplo, el papel es liviano y normalmente está bien humedecido, pero no rígido; el metal puede ser rígido y liviano, pero generalmente tiene poca amortiguación; El plástico puede ser liviano, pero normalmente, cuanto más rígido esté, 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 alveolar; o se le podría aplicar un revestimiento para proporcionar rigidez o amortiguación adicional.
El chasis, marco o canasta está diseñado para ser rígido, evitando deformaciones que podrían cambiar alineaciones críticas con el espacio del imán, permitiendo tal vez que la bobina móvil roce contra el imán alrededor del espacio. Los chasis suelen ser de aleación de aluminio, con altavoces con estructura magnética más pesados; o estampados en chapa de acero delgada en controladores de estructura más liviana. [20] Otros materiales, como el plástico moldeado y las cestas compuestas de plástico amortiguado, se están volviendo comunes, especialmente para conductores económicos y de poca masa. Un chasis metálico puede desempeñar un papel importante a la hora de alejar el calor de la bobina móvil; el calentamiento durante el funcionamiento cambia la resistencia, provoca 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 neutral después de moverse. Un sistema de suspensión típico consta de dos partes: la araña , que conecta el diafragma o la bobina móvil al marco inferior y proporciona la mayor parte de la fuerza de restauración, y el marco , que ayuda a centrar el conjunto de bobina/cono y permite el libre movimiento del pistón alineado. con la brecha magnética. La araña suele estar hecha de un disco de tela ondulada impregnado con una resina endurecedora. El nombre proviene de la forma de las primeras suspensiones, que eran dos anillos concéntricos de material baquelita , unidos por seis u ocho patas curvas . Las variaciones de esta topología incluyeron la adición de un disco de fieltro para proporcionar una barrera a las partículas que, de otro modo, podrían provocar el roce de la bobina móvil.
El contorno del cono puede ser de caucho o espuma de poliéster , papel tratado o un anillo de tejido corrugado recubierto de resina; está unido tanto a la circunferencia exterior del cono como al marco superior. Estos diversos materiales envolventes, su forma y tratamiento pueden afectar dramáticamente la salida acústica de un conductor; Cada implementación tiene ventajas y desventajas. La espuma de poliéster, por ejemplo, es liviana y económica, aunque generalmente pierde aire en cierta medida 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 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 eleva 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 engarzarse y sellarse de manera robusta. Las secciones transversales de los cables de las bobinas móviles pueden ser circulares, rectangulares o hexagonales, lo que proporciona cantidades variables de cobertura del volumen del cable en el espacio magnético. La bobina está orientada coaxialmente dentro del espacio; se mueve hacia adelante y hacia atrás dentro de un pequeño volumen circular (un agujero, ranura o ranura) en la estructura magnética. La brecha establece un campo magnético concentrado entre los dos polos de un imán permanente; el anillo exterior del espacio es un poste 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 tipo de imán y los detalles del circuito magnético difieren según los objetivos del diseño. Por ejemplo, la forma de la pieza polar afecta la interacción magnética entre la bobina móvil y el campo magnético y, en ocasiones, se utiliza para modificar el comportamiento del conductor. Se puede incluir un anillo de cortocircuito , o bucle de Faraday , como una fina tapa de cobre 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 en las frecuencias altas, lo que proporciona una salida de agudos extendida, una distorsión armónica reducida y una reducción en la modulación de inductancia que normalmente acompaña a las grandes excursiones de la bobina móvil. Por otro lado, la tapa de cobre requiere una separación más amplia entre la bobina móvil y una mayor reluctancia magnética; esto reduce el flujo disponible, lo que requiere un imán más grande para un rendimiento equivalente.
Los electroimanes se utilizaban a menudo en las cajas de los amplificadores de instrumentos musicales hasta bien entrada la década de 1950; hubo ahorros económicos para aquellos que usaban amplificadores de válvulas, ya que la bobina de campo podía cumplir, y generalmente hacía, una doble función como estrangulador de la fuente de alimentación. Muy pocos fabricantes todavía producen altavoces electrodinámicos con bobinas de campo alimentadas eléctricamente , como era común en los primeros diseños.
Alnico , una aleación de aluminio, níquel y cobalto se hizo popular después de la Segunda Guerra Mundial, ya que prescindió de los problemas de los controladores de bobina de campo. Alnico se usó casi exclusivamente hasta aproximadamente 1980, [ cita necesaria ] a pesar del problema de que los imanes de alnico se desmagnetizaban parcialmente por chasquidos o clics accidentales causados por conexiones sueltas, especialmente si se usaban con un amplificador de alta potencia. Después de 1980, la mayoría de los fabricantes de controladores cambiaron de imanes 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 samario cobalto .
El diseño de sistemas de altavoces implica percepciones subjetivas del timbre y la calidad del sonido, mediciones y experimentos. [21] [22] [23] El ajuste de un diseño para mejorar el rendimiento se realiza utilizando una combinación de teoría científica magnética, acústica, mecánica, eléctrica y de materiales , y se realiza un seguimiento con mediciones de alta precisión y observaciones de oyentes experimentados. Algunos de los problemas que deben afrontar los diseñadores de altavoces y controladores son la distorsión, los lóbulos acústicos , 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 pueda medirse 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 en favor de configuraciones de sala estandarizadas específicas destinadas a simular condiciones de escucha de la vida real.
Los controladores electrodinámicos individuales proporcionan su mejor rendimiento dentro de un rango de frecuencia limitado. Generalmente se combinan múltiples controladores (por ejemplo, subwoofers, woofers, controladores de rango medio y tweeters) en un sistema de altavoces completo para proporcionar un rendimiento más allá de esa limitación. Los tres sistemas de radiación de sonido más utilizados son los controladores de tipo cono, cúpula y 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, normalmente de 3 a 8 pulgadas (7,6 a 20,3 cm) de diámetro para permitir una respuesta razonable de alta frecuencia, y están cuidadosamente diseñados para brindar una salida de baja distorsión en 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 parlantes de computadora .
En los sistemas de altavoces de alta fidelidad , el uso de controladores de amplio rango puede evitar interacciones no deseadas entre múltiples controladores causadas por una ubicación no coincidente del controlador o problemas de red cruzada, pero también puede limitar la respuesta de frecuencia y las capacidades de salida (especialmente en bajas frecuencias). Los sistemas de altavoces de alta fidelidad construidos con controladores de amplio rango pueden requerir gabinetes grandes, elaborados o costosos para lograr un rendimiento óptimo.
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Los parlantes de rango completo a menudo emplean un cono adicional llamado whizzer : un pequeño cono de luz unido a la unión entre la bobina móvil y el cono primario. El cono de zumbido extiende la respuesta de alta frecuencia del controlador y amplía su directividad de alta frecuencia, que de otro modo se reduciría considerablemente debido a que el material del cono de diámetro exterior no logra mantener el ritmo de la bobina móvil central en frecuencias más altas. El cono principal en un diseño de zumbido está fabricado para flexionarse más en el diámetro exterior que en el centro. El resultado es que el cono principal emite frecuencias bajas y el cono del zumbido aporta la mayor parte de las frecuencias más altas. Dado que el cono del zumbido es más pequeño que el diafragma principal, la dispersión de salida en altas frecuencias mejora en relación con un diafragma único equivalente de mayor tamaño.
Los controladores de alcance 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 amplio rango, y pueden verse seriamente comprometidos para caber en lugares de montaje muy pequeños. 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: normalmente por debajo de 200 Hz para sistemas de consumo, [24] por debajo de 100 Hz para sonido profesional en vivo, [25] y por debajo de 80 Hz en sistemas aprobados por THX . . [26] Debido a que el rango de frecuencias previsto es limitado, el diseño del sistema de subwoofer suele ser más simple en muchos aspectos que el de los altavoces convencionales, y a menudo consta de un solo controlador encerrado en una caja adecuada. Dado que el sonido en este rango de frecuencia puede doblarse fácilmente en las esquinas por difracción , la apertura del altavoz no tiene que mirar hacia el público y los subwoofers se pueden montar en la parte inferior del gabinete, mirando hacia el piso. Esto se ve facilitado por las limitaciones de la audición humana en bajas frecuencias; Dichos sonidos no pueden ubicarse en el espacio debido a sus grandes longitudes de onda en comparación con frecuencias más altas que producen efectos diferenciales en los oídos debido a la sombra de la cabeza y la difracción a su alrededor, en los cuales confiamos para obtener pistas de localización.
Para reproducir con precisión notas graves muy bajas, los sistemas de subwoofer deben estar construidos sólidamente y reforzados adecuadamente 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 . [27] Por el contrario, los subwoofers pasivos requieren amplificación externa.
En instalaciones típicas, los subwoofers están físicamente separados del resto de los gabinetes de los altavoces. Debido al retraso de propagación y al posicionamiento, su salida puede estar desfasada con el resto del sonido. En consecuencia, el amplificador de potencia de un subwoofer suele tener un ajuste de retardo de fase que puede utilizarse para mejorar el rendimiento del sistema en su conjunto. Los subwoofers se utilizan ampliamente en sistemas de refuerzo de sonido para salas de conciertos grandes y de tamaño mediano . Los gabinetes de subwoofer a menudo se construyen con un puerto bass reflex , una característica de diseño que, si se diseña adecuadamente, mejora el rendimiento de los graves y aumenta la eficiencia.
Un woofer es un controlador que reproduce bajas frecuencias. El controlador trabaja con las características de la caja del altavoz para producir bajas frecuencias adecuadas. Algunos sistemas de altavoces utilizan un woofer para las frecuencias más bajas, a veces tan bien que no se necesita un subwoofer. Además, algunos altavoces utilizan el woofer para manejar las 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 del controlador de rango medio pueden estar hechos de papel o materiales compuestos y pueden ser controladores de radiación directa (algo así como woofers más pequeños) o pueden ser controladores de compresión (algo así 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 aumentar el nivel de salida y controlar el patrón de radiación.
Un tweeter es un controlador de alta frecuencia que reproduce las frecuencias más altas de un sistema de altavoces. Un problema importante en el diseño de tweeters es lograr una amplia cobertura de sonido angular (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. [28]
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 . [29]
Utilizado en sistemas de altavoces multi-driver , el crossover es un conjunto de filtros que separan la señal de entrada en diferentes bandas de frecuencia según los requerimientos de cada driver. Por lo tanto, los parlantes reciben energía solo en el rango de frecuencia de sonido para el que fueron diseñados, lo que reduce la distorsión en los parlantes y la interferencia entre ellos. Los cruces 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 generalmente se colocan entre el amplificador de potencia de rango de frecuencia completo y los controladores de altavoz para dividir la señal del amplificador en las bandas de frecuencia necesarias antes de ser entregada a los controladores individuales. Los circuitos cruzados 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 energía. A diferencia de los crossovers activos que incluyen un amplificador incorporado, los crossovers pasivos tienen una atenuación inherente dentro de la banda de paso, lo que generalmente conduce a una reducción en el factor de amortiguación antes de la bobina móvil [30].
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. [30] El filtrado pasivo también se puede utilizar de esta manera antes de la amplificación de potencia, pero es una solución poco común, ya que es menos flexible que el filtrado activo. Cualquier técnica que utilice filtrado cruzado seguido de amplificación se conoce comúnmente como biamplificación, triamplificación, cuádruple amplificación, etc., dependiendo del número mínimo de canales del amplificador. [31]
Algunos diseños de altavoces utilizan una combinación de filtrado de cruce pasivo y activo, como un cruce pasivo entre los controladores de frecuencia media y alta y un cruce activo para el controlador de baja frecuencia. [32] [33]
Los crossovers pasivos se instalan comúnmente dentro de cajas de altavoces y son, con diferencia, el tipo de crossover más común para uso doméstico y de bajo consumo. En los sistemas de audio del automóvil, los crossovers pasivos pueden estar en una caja separada, necesaria para adaptarse al tamaño de los componentes utilizados. Los cruces pasivos pueden ser simples para 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 características no deseadas de las resonancias del controlador, la bocina o el recinto [34] 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, pérdidas de inserción y cambian la carga vista por el amplificador. Los cambios son motivo de preocupación para muchos en el mundo de la alta fidelidad. [34] Cuando se requieren altos niveles de salida, pueden ser preferibles los cruces activos. Los crossovers activos pueden ser circuitos simples que emulan la respuesta de una red pasiva o pueden ser más complejos, permitiendo amplios ajustes de audio. Algunos crossovers activos, generalmente sistemas de gestión de altavoces digitales, pueden incluir componentes electrónicos y controles para una alineación precisa de fase y tiempo entre bandas de frecuencia, ecualización, compresión y limitación del rango dinámico . [30]
La mayoría de los sistemas de altavoces constan de controladores montados en una caja o gabinete. La función del recinto es evitar que las ondas sonoras que emanan de la parte posterior del conductor interfieran destructivamente con las del frente. Las ondas sonoras emitidas desde atrás están desfasadas 180° con las emitidas hacia adelante, por lo que sin una carcasa suelen provocar cancelaciones que degradan significativamente el nivel y la calidad del sonido en bajas frecuencias.
El soporte de controlador más simple es un panel plano ( deflector ) con los controladores montados en orificios. Sin embargo, en este enfoque, las frecuencias de sonido con una longitud de onda mayor que las dimensiones del deflector se cancelan porque la radiación antifase de la parte posterior del cono interfiere con la radiación del frente. Con un panel infinitamente grande, esta interferencia podría evitarse por completo. Una caja sellada suficientemente grande puede aproximarse a este comportamiento. [35] [36]
Dado que los paneles de dimensiones infinitas son imposibles, la mayoría de los recintos funcionan conteniendo la radiación trasera del diafragma en movimiento. Una carcasa sellada evita la transmisión del sonido emitido desde la parte posterior 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, una carcasa rígida refleja el sonido internamente, que luego puede transmitirse de regreso a través del diafragma del altavoz, lo que nuevamente resulta en 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 de la caja también se puede diseñar para reducir esto reflejando los sonidos lejos del diafragma del altavoz, donde luego pueden ser absorbidos.
Otros tipos de recintos alteran la radiación del sonido trasero para que pueda sumarse constructivamente a la salida desde el frente del cono. Los diseños que hacen esto (incluidos bass reflex , radiador pasivo , línea de transmisión , etc.) se utilizan a menudo para ampliar la respuesta efectiva de baja frecuencia y aumentar la salida de baja frecuencia del controlador.
Para que la transición entre parlantes sea lo más fluida posible, los diseñadores de sistemas han intentado alinear los parlantes moviendo una o más ubicaciones de montaje de los parlantes hacia adelante o hacia atrás para que el centro acústico de cada parlante esté en el mismo plano vertical. Esto también puede implicar inclinar el conductor hacia atrás, proporcionar un montaje de gabinete separado para cada conductor o utilizar técnicas electrónicas para lograr el mismo efecto. Estos intentos han dado como resultado algunos diseños de gabinetes inusuales.
El esquema de montaje de los altavoces (incluidos los gabinetes) también puede causar difracción, lo que resulta en 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 se remonta al menos al siglo XVII, [37] y las bocinas se utilizaban en gramófonos mecánicos ya en 1877. Los altavoces de bocina utilizan una guía de ondas con forma delante o detrás del altavoz para aumentar la directividad de el altavoz y transformar una condición de diámetro pequeño y alta presión en la superficie del cono del altavoz a una condición de diámetro grande y baja presión en la boca de la bocina. Esto mejora la coincidencia de impedancia acústica-electro-mecánica entre el conductor y el aire ambiente, aumentando la eficiencia y enfocando el sonido en un área más estrecha.
El tamaño de la garganta, la boca, la longitud de la bocina, así como la tasa de expansión del área a lo largo de ella, deben elegirse cuidadosamente para que coincida con el controlador para proporcionar adecuadamente esta función transformadora en un rango de frecuencias. [a] La longitud y el área de la sección transversal de la boca necesarios para crear una bocina de bajo o subgrave dictan una bocina de muchos pies de largo. Los cuernos 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 bocinas no sólo doblan la bocina de baja frecuencia, sino que también utilizan las paredes de un rincón de la habitación como una extensión de la boca de la bocina. A finales de la década de 1940, las bocinas cuyas bocas ocupaban gran parte de la pared de una habitación no eran desconocidas entre los aficionados a la alta fidelidad. Las instalaciones del tamaño de una habitación se volvieron mucho menos aceptables cuando se requerían 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 de 90 dB y es invaluable en aplicaciones donde se requieren altos niveles de sonido 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 caja. En lugar de reverberar en un recinto amortiguado bastante simple, el sonido procedente de la parte posterior del altavoz de graves se dirige a un camino amortiguado largo (generalmente plegado) dentro del recinto 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 señal (por ejemplo, al amplificador o receptor de audio ). Para aceptar la conexión de cables, la caja del altavoz puede tener postes de sujeción , 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, despolarizados . [38] [39] Dadas señales idénticas, el movimiento en el cono de un altavoz sin polaridad es en la dirección opuesta a la de los demás. Esto normalmente hace que el material monofónico en una grabación estéreo se cancele, se reduzca su nivel y se haga más difícil de localizar, todo debido a la interferencia destructiva de las ondas sonoras. El efecto de cancelación es más notable 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. [40] [41]
Con el sistema de refuerzo de sonido, el sistema de megafonía y los recintos de los altavoces del amplificador de instrumentos se suelen utilizar cables y algún tipo de conector o jack. Los gabinetes de altavoces para instrumentos y sistemas de sonido de precio bajo y medio a menudo usan conectores de 1/4" . Los gabinetes de altavoces para instrumentos y sistemas de sonido de mayor precio y potencia a menudo usan conectores Speakon . Los conectores Speakon se consideran más seguros para alto voltaje. amplificadores, porque el conector está diseñado para que los usuarios humanos no puedan tocar los conectores.
Los parlantes inalámbricos son similares a los parlantes con cable , pero reciben señales de audio mediante ondas de radiofrecuencia (RF) en lugar de cables de audio. Hay un amplificador integrado en la caja del altavoz porque las ondas de RF por sí solas no son suficientes para accionar el altavoz. Los parlantes inalámbricos aún necesitan energía, por lo que requieren una toma de corriente de CA cercana o baterías integradas. Sólo se elimina el cable para el audio.
Las especificaciones de los altavoces generalmente incluyen:
y opcionalmente:
La carga que un controlador presenta a un amplificador consiste en una impedancia eléctrica compleja , una combinación de resistencia y reactancia tanto capacitiva como inductiva , que combina las propiedades del controlador, su movimiento mecánico, los efectos de los componentes cruzados (si los hay en la señal). camino entre el amplificador y el controlador), y los efectos de la carga de aire en el controlador modificados por el recinto y su entorno. Las especificaciones de salida de la mayoría 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 parlante tiene resonancias mecánicas, el gabinete cambia las características eléctricas y mecánicas del parlante y un cruce pasivo entre los parlantes y el amplificador aporta sus propias variaciones. El resultado es una impedancia de carga que varía ampliamente con la frecuencia y, por lo general, también una relación de fase variable entre el voltaje y la corriente, que también cambia con la frecuencia. Algunos amplificadores pueden hacer frente a la variación mejor que otros.
Para emitir sonido, un altavoz es impulsado por una corriente eléctrica modulada (producida por un amplificador) que pasa a través de una bobina de altavoz que luego (a través de una inductancia ) crea un campo magnético alrededor de la bobina. Las variaciones de la corriente eléctrica que pasan a través del altavoz se convierten así en un campo magnético variable, cuya interacción con el campo magnético del altavoz mueve el diafragma del altavoz, lo que obliga al altavoz a producir un movimiento de aire similar a la señal original del amplificador.
Ejemplos de mediciones típicas de altavoces son: características de amplitud y fase versus frecuencia; respuesta al impulso bajo una o más condiciones (por ejemplo, ondas cuadradas, ráfagas de ondas sinusoidales, etc.); directividad versus frecuencia (por ejemplo, horizontal, vertical, esférica, etc.); distorsión armónica y de intermodulación frente a la salida del nivel de presión sonora (SPL), utilizando cualquiera de varias señales de prueba; energía almacenada (es decir, timbre) en varias frecuencias; impedancia versus frecuencia; y rendimiento de señal pequeña frente a señal grande. La mayoría de estas mediciones requieren equipos sofisticados y a menudo costosos [47] para su realización, y también un buen criterio por parte del operador, pero la salida del nivel de presión sonora bruta es bastante más fácil de informar y, por lo tanto, a menudo es el único valor especificado, a veces en términos engañosamente exactos. . El nivel de presión sonora (SPL) que produce un altavoz se mide en decibelios ( dB spl ).
La eficiencia de un altavoz se define como la potencia sonora de salida dividida por la entrada de energía eléctrica. La mayoría de los altavoces son transductores ineficientes; Sólo 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 y imán. La razón principal de esto es la dificultad de lograr una adaptación adecuada de la impedancia acústica de la unidad de accionamiento y el aire al que irradia. (En bajas frecuencias, mejorar esta coincidencia es el objetivo principal de los diseños de cajas de altavoces). 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 cada vez peor coincidencia entre el aire y el controlador.
Las calificaciones de los conductores basadas en el SPL para una entrada determinada se denominan calificaciones de sensibilidad y son teóricamente similares a la eficiencia. La sensibilidad generalmente se define como tantos decibelios a una entrada eléctrica de 1 W, medidos a 1 metro (excepto en los auriculares ), a menudo a una sola frecuencia. El voltaje utilizado suele ser 2,83 V RMS , que equivale a 1 vatio con una impedancia de altavoz de 8 Ω (nominal) (aproximadamente cierto para muchos sistemas de altavoces). Las medidas tomadas con esta referencia se expresan en dB con 2,83 V a 1 m.
La salida de presión sonora se mide (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 en un espacio infinitamente grande. y montado sobre un deflector infinito . Es evidente entonces que 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 a la que apunta al concentrar las ondas sonoras de la animadora en una dirección, centrándolas 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 determinada. En algunos casos, una mejor adaptación de impedancia (mediante un cuidadoso diseño de la carcasa) permite que el altavoz produzca más potencia acústica.
Un conductor con una potencia máxima más alta no necesariamente puede ser conducido a niveles más altos que uno con una potencia más baja, ya que la sensibilidad y el manejo de la potencia son propiedades en gran medida independientes. En los ejemplos siguientes, supongamos (para simplificar) que los parlantes que se comparan tienen la misma impedancia eléctrica, funcionan a la misma frecuencia dentro de las respectivas bandas de paso de ambos parlantes y que la compresión y la distorsión de potencia son bajas. Para el primer ejemplo, un altavoz 3 dB más sensible que otro produce el doble de potencia sonora (es 3 dB más fuerte) para la misma entrada de potencia. 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 una sensibilidad de 1 W a 1 m cuando ambos funcionan con 100 W de potencia de entrada. En este ejemplo particular, cuando se alimenta a 100 W, el altavoz A produce el mismo SPL o volumen que el altavoz B produciría con una entrada de 200 W. Por tanto, un aumento de 3 dB en la sensibilidad del altavoz significa que necesita la mitad de la potencia del amplificador para alcanzar un SPL determinado. Esto se traduce en un amplificador de potencia más pequeño y menos complejo y, a menudo, en una reducción del 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 adecuada en bajas frecuencias. En la mayoría de los casos, sólo se pueden elegir dos de los tres parámetros al diseñar un sistema de altavoces. Así, por ejemplo, si son importantes un rendimiento extendido de baja frecuencia y un tamaño de caja pequeño, hay que aceptar una baja eficiencia. [48] Esta regla general a veces se llama Ley de Hierro de Hofmann (en honor a JA Hofmann , la H en KLH ). [49] [50]
La interacción de un sistema de altavoces con su entorno es compleja y en gran medida está fuera del control del diseñador de altavoces. La mayoría de las salas de escucha presentan un entorno más o menos reflectante, según el tamaño, la forma, el volumen y el mobiliario. Esto significa que el sonido que llega a los oídos del oyente no sólo consiste en sonido directamente procedente del sistema de altavoces, sino también en el mismo sonido retardado al viajar hacia y desde (y ser modificado por) una o más superficies. Estas ondas sonoras reflejadas, cuando se añaden al sonido directo, provocan cancelación y adición en diversas frecuencias (por ejemplo, de los modos de sala resonante ), cambiando así el timbre y el carácter del sonido en los oídos del oyente. El cerebro humano es muy sensible a pequeñas variaciones, incluidas algunas de ellas, y esto 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 ambiente. Aplaudir en una típica habitación vacía, sin cortinas ni alfombras, 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, tapices de pared, estanterías e incluso 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 los reflejos simples causados por superficies planas desnudas y distribuye la energía reflejada de una onda incidente en un ángulo mayor durante la reflexión.
En una típica sala de escucha rectangular, las superficies duras y paralelas de las paredes, el suelo y el techo provocan nodos de resonancia acústica primaria en cada una de las tres dimensiones: izquierda-derecha, arriba-abajo y adelante-atrás. [51] Además, existen 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 a la interferencia de los límites del altavoz (SBIR). [52] Las bajas frecuencias excitan más estos modos, ya que las longitudes de onda largas no se ven muy afectadas por la composición o la ubicación de los muebles. El espacio entre modos es fundamental, especialmente en salas 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 fuerza con la que se excitan las resonancias, además de afectar 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 de frecuencias percibido. Esto se debe a que los patrones de ondas estacionarias se escuchan más fácilmente en estos lugares y en frecuencias más bajas, por debajo de la frecuencia de Schroeder (normalmente entre 200 y 300 Hz, dependiendo del tamaño de la habitación).
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 radiante más simple posible es una fuente puntual, a veces llamada fuente simple. Una fuente puntual ideal es un punto infinitamente pequeño que irradia sonido. Puede ser más fácil imaginar una pequeña esfera pulsante, que aumenta y disminuye uniformemente en diámetro, enviando ondas sonoras en todas direcciones por igual, independientemente de la frecuencia.
Se puede considerar que cualquier objeto que irradie sonido, incluido un sistema de altavoces, está compuesto por combinaciones de fuentes puntuales tan simples. El patrón de radiación de una combinación de fuentes puntuales no es el mismo que el de una sola fuente, sino que depende de la distancia y orientación entre las fuentes, la posición relativa a ellas desde la cual el oyente escucha la combinación y la frecuencia del sonido involucrado. . Utilizando geometría y cálculo, algunas combinaciones simples de fuentes se resuelven fácilmente; otros no lo son.
Una combinación simple son dos fuentes simples separadas por una distancia y que vibran fuera de fase, una esfera en miniatura se expande mientras 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 es una forma de figura de 8 con 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 conductores son dipolos, dependiendo del recinto al que están conectados, pueden irradiar como monopolos, dipolos (o bipolos). Si se monta en un deflector finito, y se permite que estas ondas desfasadas interactúen, se producen picos dipolares y nulos en la respuesta de frecuencia. Cuando la radiación trasera es absorbida o atrapada en una caja, el diafragma se convierte en un radiador monopolo. Los parlantes bipolares, fabricados montando monopolos en fase (que se mueven hacia afuera o hacia adentro de la caja al unísono) en lados opuestos de una caja, son un método para aproximarse a patrones de radiación omnidireccionales.
En la vida real, los conductores individuales son formas tridimensionales complejas, como conos y cúpulas, y se colocan en un deflector por varias razones. Generalmente no es posible 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 del campo lejano de un pistón circular plano en un deflector infinito es donde , es la presión sobre 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 sonido uniformemente para longitudes de onda de bajas frecuencias más largas 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, mayor 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 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 planos.
Varios fabricantes utilizan diferentes disposiciones de montaje de controladores para crear un tipo específico de campo sonoro en el espacio para el que están diseñados. Los patrones de radiación resultantes pueden tener como objetivo simular más fielmente la forma en que se produce el sonido con 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 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 Bose posteriores han enfatizado deliberadamente la producción de sonido tanto directo como reflejado por el propio altavoz, independientemente de su entorno. Los diseños son controvertidos en los círculos de la alta fidelidad , pero han demostrado ser un éxito comercial. Los diseños de varios otros fabricantes siguen principios similares.
La directividad es una cuestión importante porque afecta el equilibrio de frecuencia del sonido que escucha el oyente y también la interacción del sistema de altavoces con la habitación y su contenido. Un altavoz muy directivo (a veces denominado "hazoso") (es decir, en un eje perpendicular a la cara del altavoz) puede dar lugar a un campo reverberante carente de altas frecuencias, dando la impresión de que el altavoz tiene deficiencias en los agudos aunque mida 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 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 cual 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.
El diseño original del altavoz era el hierro móvil. A diferencia del nuevo diseño dinámico (bobina móvil), 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 diafragma mismo. Este diseño apareció originalmente en los primeros teléfonos.
Los controladores de hierro en movimiento son ineficaces y sólo pueden producir una pequeña banda de sonido. Requieren grandes imanes y bobinas para aumentar la fuerza. [54]
Los conductores de armadura equilibrada (un tipo de conductor 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. [55]
Los parlantes piezoeléctricos se usan con frecuencia como buscapersonas en relojes y otros dispositivos electrónicos y, a veces, como tweeters en sistemas de parlantes menos costosos, como parlantes de computadora y radios portátiles. Los altavoces piezoeléctricos tienen varias ventajas sobre los altavoces convencionales: son resistentes a sobrecargas que normalmente destruirían la mayoría de los controladores de alta frecuencia y pueden usarse sin crossover debido a sus propiedades eléctricas. También existen desventajas: algunos amplificadores pueden oscilar cuando accionan cargas capacitivas como la mayoría de los piezoeléctricos, lo que provoca distorsión o daños al amplificador. Además, su respuesta en frecuencia, en la mayoría de los casos, es inferior a la de otras tecnologías. Es por eso que generalmente se utilizan en aplicaciones de una sola frecuencia (biper) o no críticas.
Los parlantes piezoeléctricos pueden tener una salida de alta frecuencia extendida, lo que resulta útil en algunas circunstancias especializadas; por ejemplo, aplicaciones de sonar en las que se utilizan variantes piezoeléctricas como dispositivos de salida (que generan sonido bajo el agua) y como dispositivos de entrada (que actúan como componentes sensores de micrófonos submarinos ). Tienen ventajas en estas aplicaciones, una de las cuales es una construcción simple y de estado sólido que resiste el agua de mar mejor que un dispositivo basado en una cinta o un cono.
En 2013, Kyocera introdujo parlantes piezoeléctricos ultrafinos de película de tamaño mediano con solo 1 milímetro de espesor y 7 gramos de peso para sus televisores OLED de 55" y esperan que los parlantes también se utilicen en PC y tabletas. Además de los de tamaño mediano, También hay tamaños grandes y pequeños que pueden producir relativamente la misma calidad de sonido y volumen dentro de los 180 grados. El material de los altavoces altamente sensible proporciona una mayor claridad que los altavoces de TV tradicionales. [56]
En lugar de una bobina móvil que impulsa un cono de altavoz, un altavoz magnetostático utiliza una serie de tiras de metal unidas a una gran membrana de película. El campo magnético generado por la corriente de señal que fluye a través de las tiras interactúa con el campo de las barras magnéticas permanentes montadas detrás de ellas. La fuerza producida mueve la membrana y, por tanto, el aire que se encuentra delante de ella. Normalmente, estos diseños son menos eficientes que los altavoces convencionales de bobina móvil.
Los transductores magnetoestrictivos, basados en la magnetoestricción , se han utilizado predominantemente como radiadores de ondas sonoras ultrasónicas de sonar , pero su uso se ha extendido también a los sistemas de altavoces de audio. Los controladores de altavoz magnetoestrictivos tienen algunas ventajas especiales: pueden proporcionar mayor fuerza (con excursiones más pequeñas) que otras tecnologías; una excursión baja puede evitar distorsiones debido a una excursión grande como en otros diseños; la bobina magnetizante es estacionaria y, por tanto, se enfría más fácilmente; son robustos porque no requieren suspensiones delicadas ni bobinas móviles. Fostex [57] [58] [59] y FeONIC [60] [61] [62] [63] han producido módulos de altavoces magnetoestrictivos y también se han producido controladores de subwoofer. [64]
Los altavoces electrostáticos utilizan un campo eléctrico de alto voltaje (en lugar de un campo magnético) para impulsar una membrana delgada cargada estáticamente. Debido a que se accionan 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 controladores dinámicos. También tienen un patrón de dispersión relativamente estrecho que puede permitir un posicionamiento preciso del campo sonoro. Sin embargo, su área óptima de escucha 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, mayor debe ser el voltaje para lograr una eficiencia aceptable. Esto aumenta la tendencia a la formación de arcos eléctricos y aumenta 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 funcionan con altos niveles de señal.
Los electrostáticos son inherentemente radiadores dipolo y, debido a la delgada membrana flexible, son menos adecuados para su uso en recintos para reducir la cancelación de baja frecuencia como ocurre con los controladores 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 reproducen a una frecuencia correspondiente a un cuarto de longitud de onda de la dimensión más estrecha del panel. Para reducir el tamaño de los productos comerciales, a veces se utilizan como controlador de alta frecuencia en combinación con un controlador dinámico convencional que maneja las frecuencias graves de manera efectiva.
La electrostática generalmente se acciona a través de un transformador elevador que multiplica las oscilaciones de voltaje 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 nominalmente tiene 8 ohmios puede presentar en realidad una carga de 1 ohmio en frecuencias más altas, lo que supone un desafío para algunos diseños de amplificadores.
Un altavoz de cinta consta de 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 conductor de cinta es que la cinta tiene muy poca masa ; por tanto, puede acelerar muy rápidamente, produciendo una muy buena respuesta de alta frecuencia. Los altavoces de cinta suelen ser muy frágiles; algunos pueden romperse con una fuerte ráfaga de aire. 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 hace que su fabricación sea costosa. Las cintas tienen una resistencia muy baja que la mayoría de los amplificadores no pueden controlar directamente. Como resultado, normalmente 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 constan de una membrana flexible con una bobina móvil impresa o montada sobre 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 mucho. 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 llegan al borde del altavoz. Para evitar reflejos desde el exterior hacia el centro, un amortiguador circundante absorbe las ondas largas. Estos transductores pueden cubrir una amplia gama de frecuencias (80 Hz a 35.000 Hz) y se han promocionado como cercanos a una fuente de sonido puntual ideal. [65] Este enfoque poco común lo están adoptando sólo unos pocos fabricantes, en acuerdos muy diferentes.
Los altavoces Ohm Walsh utilizan un controlador exclusivo diseñado por Lincoln Walsh , quien había sido ingeniero de desarrollo de radares en la Segunda Guerra Mundial. Se interesó por el diseño de equipos de audio y su último proyecto fue un altavoz unidireccional único que utiliza un solo controlador. El cono miraba hacia abajo, hacia un recinto sellado y hermético. En lugar de moverse hacia adelante y hacia atrás como lo hacen los parlantes convencionales, el cono se ondulaba y creaba sonido de una manera conocida en electrónica de RF como "línea de transmisión". El nuevo altavoz creó un campo sonoro cilíndrico. Lincoln Walsh murió antes de que su orador fuera presentado al público. Desde entonces, la firma Ohm Acoustics ha producido varios modelos de altavoces utilizando el diseño del controlador Walsh. German Physiks, una empresa de equipos de audio de Alemania, también produce altavoces utilizando este enfoque.
La empresa alemana Manger ha diseñado y fabricado un controlador de ondas flexibles que a primera vista parece convencional. De hecho, el panel redondo unido a la bobina móvil se dobla de forma cuidadosamente controlada para producir un sonido de rango completo. [66] Josef W. Manger recibió la medalla Rudolf-Diesel-Medaille del Instituto Alemán de Invenciones por sus extraordinarios desarrollos e 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 transductoras excitadoras montadas en paneles planos para actuar como fuentes de sonido, llamadas con mayor precisión controladores de excitación/panel. [67] Estos pueden luego fabricarse en un color neutro y colgarse en las paredes donde sean menos visibles que muchos parlantes, o pueden pintarse deliberadamente con patrones, en cuyo caso pueden funcionar decorativamente. Hay dos problemas relacionados con las técnicas de paneles planos: en primer lugar, un panel plano es necesariamente más flexible que un cono del mismo material y, por lo tanto, se mueve aún menos como una sola unidad, y en segundo lugar, las resonancias en el panel son difíciles de controlar. dando lugar a distorsiones considerables. Se han logrado algunos avances utilizando materiales rígidos y livianos como la espuma de poliestireno , y en los últimos años se han producido comercialmente varios sistemas de paneles planos. [68]
Oskar Heil inventó el transductor de movimiento del aire en los años 60. 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 sale 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 planos. 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 durante un tiempo sistemas de altavoces que utilizaban este tipo de tweeters. 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 utilizan tweeters y controladores de rango medio basados en esta 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 consta de dos capas de gel conductor transparente y una capa de caucho 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. [69]
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 tanto, puede ser manipulado por un campo eléctrico , el resultado es una salida muy lineal a frecuencias muy superiores al 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 Tipo I, un tweeter cuyo plasma se generaba a partir de gas helio . [70] Esto evitó el ozono y los NOx [71] producidos por la descomposición del aire por radiofrecuencia 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. [72] Actualmente, quedan algunos fabricantes en Alemania que utilizan este diseño, [73] y se ha publicado un diseño de "hágalo usted mismo" que está disponible en Internet.
Una variación menos costosa de este tema es el uso de una llama para el conductor, ya que las llamas contienen gases ionizados (cargados eléctricamente). [74] [75] [ cita necesaria ]
En 2008, investigadores de la Universidad de Tsinghua demostraron un altavoz termoacústico de película delgada de nanotubos de carbono , [76] 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 CNT es transparente, estirable y flexible. En 2013, investigadores de la Universidad de Tsinghua presentaron además un auricular termoacústico hecho de hilo fino de nanotubos de carbono y un dispositivo termoacústico montado en superficie. [77] Ambos son dispositivos totalmente integrados y compatibles con la tecnología semiconductora basada en Si.
Un woofer giratorio es esencialmente un ventilador con aspas que cambian constantemente su tono, lo que les permite empujar fácilmente el aire hacia adelante y hacia atrás. Los woofers giratorios 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. [78] [79]
Los altavoces digitales han sido objeto de experimentos realizados por los laboratorios Bell ya en la década de 1920. [ cita necesaria ] 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 un número razonable de bits (necesarios 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 igual amplitud en el dominio de la frecuencia, al otro lado del límite de Nyquist (la mitad de la frecuencia de muestreo). provocando que un nivel inaceptablemente alto de ultrasonidos acompañe la salida deseada. No se ha encontrado ningún plan viable para abordar adecuadamente esto.
El término digital o preparado para lo digital se utiliza a menudo con fines de marketing en altavoces o auriculares, pero estos sistemas no son digitales en el sentido descrito anteriormente. Más bien, son parlantes convencionales que pueden usarse con fuentes de sonido digitales (por ejemplo, medios ópticos , reproductores MP3 , etc.), al igual que cualquier parlante convencional.
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 a la que la impedancia de radiación del cono se había vuelto uniforme.
En este rango, el movimiento del cono estaba controlado en masa y el cono miraba hacia una impedancia de radiación creciente.
En efecto, esto proporcionó una región de frecuencia significativa de respuesta de potencia plana para el diseño.
A menudo hablamos de labios para afuera sobre el hecho de que el audio permite a quienes lo practican participar tanto en el arte como en 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 contrae según los cambios del campo magnético.
El actuador convierte el sonido de entrada en vibración y lo transmite a la mesa, generando así sonido.
Un altavoz magnetoestrictivo gigante que presenta buenas características acústicas cuando se utiliza colocado sobre una superficie horizontal.
El D2 se diferencia de 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 estadounidense para aplicaciones de sonar y ahora no está restringido para uso comercial.
