Un woofer o altavoz de graves es un término técnico para un controlador de altavoz diseñado para producir sonidos de baja frecuencia , normalmente desde 20 Hz hasta unos pocos cientos de Hz. Un subwoofer puede ocupar la parte inferior de este rango, normalmente hasta 80 Hz. El nombre proviene de la palabra onomatopéyica inglesa que designa el ladrido profundo de un perro, " woof " [1] (a diferencia de tweeter , nombre utilizado para los altavoces diseñados para reproducir sonidos de alta frecuencia, derivados de los estridentes cantos de los pájaros, " tweets "). El diseño más común de un woofer es el controlador electrodinámico , que normalmente utiliza un cono de papel rígido , impulsado por una bobina móvil rodeada por un campo magnético .
La bobina móvil está unida mediante adhesivos a la parte posterior del cono del altavoz. La bobina móvil y el imán forman un motor eléctrico lineal . Cuando la corriente fluye a través de la bobina móvil, la bobina se mueve en relación con el marco de acuerdo con la regla de la mano izquierda de Fleming para motores , lo que hace que la bobina empuje o tire del cono del controlador en forma de pistón. El movimiento resultante del cono crea ondas sonoras a medida que entra y sale.
A niveles de presión sonora (SPL) ordinarios , la mayoría de los humanos pueden oír hasta aproximadamente 20 Hz. [2] Los woofers se utilizan generalmente para cubrir las octavas más bajas del rango de frecuencia de un altavoz. En los sistemas de altavoces de dos vías, los parlantes que manejan las frecuencias más bajas también están obligados a cubrir una parte sustancial del rango medio, a menudo tan alto como 800 a 1000 Hz; Estos controladores se denominan comúnmente woofers medios . Desde la década de 1990, un tipo de woofer diseñado únicamente para frecuencias muy bajas, el subwoofer , se ha utilizado comúnmente en sistemas de cine en casa y sistemas de megafonía para aumentar la respuesta de graves ; Los subwoofers normalmente manejan las dos o tres octavas más bajas (es decir, desde tan solo 20 a 80 o 120 Hz).
Un buen diseño de woofer requiere convertir efectivamente una señal de amplificador de baja frecuencia en movimiento mecánico de aire con alta fidelidad y eficiencia aceptable, y se ve facilitado y complicado por la necesidad de utilizar una caja de altavoz para acoplar el movimiento del cono al aire. Si se hace bien, se reducen muchos de los otros problemas del diseño del woofer (por ejemplo, los requisitos de excursión lineal).
En la mayoría de los casos, el woofer y su caja deben diseñarse para funcionar juntos. Normalmente, la caja está diseñada para adaptarse a las características del altavoz o altavoces utilizados. El tamaño de la caja es función de las longitudes de onda más largas (frecuencias más bajas) que se van a reproducir, y la caja del woofer es mucho más grande de lo necesario para las frecuencias medias y altas .
Una red cruzada , ya sea pasiva o activa, filtra la banda de frecuencias que manejará el woofer y otros altavoces. Normalmente, se espera que el crossover y el sistema de altavoces, incluido el woofer, conviertan la señal eléctrica suministrada por el amplificador en una señal acústica de forma de onda idéntica sin otra interacción entre el amplificador y los altavoces, aunque a veces el amplificador y los altavoces se diseñan junto con los altavoces. suministrando distorsión - corrigiendo la retroalimentación negativa al amplificador.
Existen muchos desafíos en el diseño y fabricación de woofers. La mayoría tiene que ver con controlar el movimiento del cono para que la señal eléctrica enviada a la bobina móvil del woofer sea reproducida fielmente por las ondas sonoras producidas por el movimiento del cono. Los problemas incluyen amortiguar el cono limpiamente sin distorsión audible para que no continúe moviéndose, causando zumbidos , cuando la señal de entrada instantánea cae a cero en cada ciclo, y manejando altas excursiones (generalmente necesarias para reproducir sonidos fuertes) con baja distorsión. También existen desafíos a la hora de presentar al amplificador una impedancia eléctrica que no esté muy lejos de ser constante en todas las frecuencias.
Albert L. Thuras de Bell Laboratories patentó una primera versión del diseño de caja bass-reflex, ahora ampliamente utilizado, en 1932. [3]
En 1965, Sennheiser Electronics introdujo el sistema de sonido Filarmónico, que utilizaba la electrónica para superar algunos de los problemas que enfrentan los subsistemas de woofer ordinarios. Agregaron un sensor de movimiento al woofer y utilizaron la señal correspondiente a su movimiento real para retroalimentación como entrada de control a un amplificador especialmente diseñado. Si se hace con cuidado, esto puede mejorar considerablemente el rendimiento (tanto en la "estrechez" como en la extensión del rendimiento de las bajas frecuencias) a expensas de la flexibilidad (el amplificador y el altavoz están unidos permanentemente) y el costo. En Estados Unidos, LW Erath, un ingeniero de la industria petrolera, presentó una línea de altavoces de alta gama muy similar.
A medida que los costos de la electrónica han disminuido, se ha vuelto común tener woofers equipados con sensores en 'sistemas de música' económicos, equipos de sonido o incluso sistemas de audio para automóviles. Esto generalmente se hace en un intento de obtener un mejor rendimiento con controladores económicos o de tamaño insuficiente en gabinetes livianos o mal diseñados. Este enfoque presenta dificultades ya que no toda la distorsión puede eliminarse utilizando técnicas servo , y una carcasa mal diseñada puede anular los beneficios de cualquier intento de corrección electrónica.
Como las características de un altavoz pueden medirse y, en gran medida, predecirse, es posible diseñar circuitos especiales que compensen en cierta medida las deficiencias de un sistema de altavoces.
Las técnicas de ecualización se utilizan en la mayoría de las aplicaciones de megafonía y refuerzo de sonido . En este caso, el problema no es principalmente la reproducción de alta fidelidad, sino la gestión del entorno acústico. En este caso, la ecualización debe ajustarse individualmente para que coincida con las características particulares de los sistemas de altavoces utilizados y la sala en la que se utilizan.
Las técnicas informáticas, en particular el procesamiento de señales digitales (DSP), hacen posible un cruce de mayor precisión. Mediante el uso de respuesta de impulso finito (FIR) y otras técnicas digitales, los cruces para un sistema biamplificado o triamplificado se pueden lograr con una precisión que no es posible con filtros analógicos, ya sean pasivos o activos. Además, muchas peculiaridades del conductor (incluidas las variaciones individuales) se pueden solucionar al mismo tiempo, como en los diseños recientes de Klein y Hummel. Este enfoque es complejo y, por lo tanto, no es probable que se utilice en equipos de menor costo.
Todos los materiales de los conos tienen ventajas y desventajas. Las tres principales propiedades que los diseñadores buscan en los conos son peso ligero, rigidez y falta de coloración (debido a la ausencia de zumbidos ). Los materiales exóticos como el Kevlar y el magnesio son ligeros y rígidos, pero pueden tener problemas de ruido, dependiendo de su fabricación y diseño. Materiales como el papel (incluidos los conos de papel revestido) y diversos polímeros generalmente suenan menos que los diafragmas metálicos, pero pueden ser más pesados y no tan rígidos. Ha habido woofers buenos y malos fabricados con todo tipo de material de cono. Se han utilizado casi todos los tipos de materiales para los conos, desde fibra de vidrio y fibra de bambú hasta sándwiches de panal de aluminio expandido y conos de plástico cargados de mica .
El marco, o canasta, es la estructura que mantiene el cono, la bobina móvil y el imán en la alineación adecuada. Dado que la separación de la bobina móvil es bastante estrecha (las holguras suelen ser de unas milésimas de pulgada), la rigidez es importante para evitar el roce de la bobina móvil contra la estructura del imán en la separación y también evitar movimientos extraños. Hay dos tipos principales de estructuras metálicas, estampadas y fundidas. Las cestas estampadas (generalmente de acero) son una opción de menor costo. La desventaja de este tipo de marco es que la cesta puede flexionarse si el altavoz se mueve a un volumen elevado, existiendo resistencia a la flexión sólo en determinadas direcciones. Las cestas fundidas son más caras, pero suelen ser más rígidas en todas las direcciones, tienen mejor amortiguación (reduciendo su propia resonancia), pueden tener formas más complejas y, por lo tanto, suelen ser las preferidas para los parlantes de mayor calidad.
Una especificación importante del woofer es su potencia nominal, la cantidad de potencia que el woofer puede manejar sin sufrir daños. La clasificación de potencia eléctrica no se caracteriza fácilmente y muchos fabricantes citan clasificaciones máximas que se pueden alcanzar sólo durante momentos muy breves sin sufrir daños. Las clasificaciones de potencia del woofer se vuelven importantes cuando el altavoz se lleva a extremos: aplicaciones que requieren alto rendimiento, condiciones de sobrecarga del amplificador, señales inusuales (es decir, no musicales), frecuencias muy bajas en las que el gabinete proporciona poca o ninguna carga acústica (y por lo tanto hay será la excursión máxima del cono) o falla del amplificador. En situaciones de alto volumen, la bobina móvil de un woofer se calentará, aumentará su resistencia y provocará una "compresión de potencia", una condición en la que el nivel de potencia del sonido de salida disminuye después de una actividad prolongada de alta potencia. Un calentamiento adicional puede distorsionar físicamente la bobina móvil, provocando raspaduras, cortocircuitos debido al deterioro del aislamiento del cable u otros daños eléctricos o mecánicos. La energía de impulso repentino puede derretir una sección del cable de la bobina móvil, provocando un circuito abierto y un woofer muerto; el nivel necesario variará según las características del conductor. En aplicaciones de música con niveles de escucha normales, la potencia eléctrica nominal de los woofers generalmente no es importante; sigue siendo importante para los controladores de frecuencias más altas.
Hay tres tipos de manejo de potencia en los controladores de altavoces, incluidos los woofers: térmica (calor), eléctrica (ambas mencionadas anteriormente) y mecánica. El límite de manejo de potencia mecánica se alcanza cuando la excursión del cono se extiende hasta su límite máximo. Los límites de manejo de potencia térmica pueden alcanzarse cuando se alimentan niveles de potencia bastante altos a un woofer durante demasiado tiempo, incluso si no se exceden los límites mecánicos en ningún momento. La mayor parte de la energía aplicada a la bobina móvil se convierte en calor, no en sonido; En última instancia, todo el calor pasa a la pieza polar, al resto de la estructura del imán y al marco. Desde la estructura del woofer, el calor finalmente se disipa al aire circundante. Algunos controladores incluyen disposiciones para una mejor refrigeración (p. ej., piezas polares magnéticas ventiladas, estructuras de conducción de calor dedicadas) para reducir el aumento de las temperaturas de la bobina/imán/marco durante el funcionamiento, especialmente en condiciones de alto nivel de potencia. Si se aplica demasiada potencia a la bobina móvil en comparación con su capacidad para eliminar calor, eventualmente excederá una temperatura máxima segura. Los adhesivos pueden derretirse, el formador de la bobina móvil puede derretirse o distorsionarse, o el aislamiento que separa los devanados de la bobina móvil puede fallar. Cada uno de estos eventos dañará el woofer, tal vez más allá de su utilidad.
Los woofers diseñados para sistemas de megafonía (PA) y aplicaciones de amplificador de instrumentos son similares en composición a los woofers de audio domésticos, excepto que generalmente están diseñados de manera más resistente. Por lo general, las variaciones de diseño incluyen: gabinetes construidos para envíos y manipulaciones repetidos, conos de woofer más grandes para permitir niveles de presión sonora más altos, bobinas móviles más robustas para soportar mayor potencia y mayor rigidez de la suspensión. Generalmente, se puede esperar que un woofer doméstico utilizado en una aplicación de PA/instrumento falle más rápidamente que un woofer de PA/instrumento. Por otro lado, un woofer de PA/instrumento en una aplicación de audio doméstica no tendrá la misma calidad de rendimiento, especialmente a volúmenes bajos. Un woofer PA no producirá la misma alta fidelidad audible que es el objetivo del audio doméstico de alta calidad debido a esas diferencias. [ cita necesaria ]
Los woofers de los sistemas de megafonía suelen tener una alta eficiencia y una gran capacidad de manejo de potencia. La compensación por una alta eficiencia a un costo razonable suele ser una capacidad de excursión relativamente baja (es decir, la incapacidad de moverse "dentro y afuera" tanto como pueden hacerlo muchos woofers domésticos), ya que están destinados a bocinas o grandes recintos réflex. También suelen ser inadecuados para una respuesta prolongada de graves graves, ya que la última octava de la respuesta de baja frecuencia aumenta considerablemente el tamaño y el coste, y resulta cada vez más antieconómico intentarlo a niveles altos como en una aplicación de megafonía. Un woofer estéreo doméstico, debido a que se usa a volúmenes relativamente bajos, puede ser capaz de manejar frecuencias muy bajas. Debido a esto, la mayoría de los woofers de megafonía no son adecuados para su uso en aplicaciones domésticas de alta fidelidad y alta calidad, y viceversa.
A niveles de presión sonora normales , [2] la mayoría de los humanos pueden oír hasta unos 20 Hz. Para reproducir con precisión los tonos más bajos, un woofer, o un grupo de woofers, debe mover un volumen de aire adecuadamente grande, una tarea que se vuelve más difícil en frecuencias más bajas. Cuanto más grande sea la habitación, más aire tendrá que desplazar el movimiento del woofer para producir la potencia sonora necesaria en bajas frecuencias.
