Un sistema bass reflex (también conocido como caja con puerto , ventilada o puerto reflex ) es un tipo de caja de altavoz que utiliza un puerto (agujero) o ventilación cortado en el gabinete y una sección de tubo o tubería fijada al puerto. [1] [2] Este puerto permite que el sonido desde la parte posterior del diafragma aumente la eficiencia del sistema en bajas frecuencias en comparación con un altavoz típico sellado o de caja cerrada o un montaje de deflector infinito.
Un puerto réflex es la característica distintiva de este popular tipo de caja . El enfoque de diseño mejora la reproducción de las frecuencias más bajas generadas por el woofer o subwoofer . El puerto generalmente consta de uno o más tubos o tuberías montados en la cara frontal ( deflector ) o trasera del recinto. Dependiendo de la relación exacta entre los parámetros del controlador , el volumen del gabinete (y el llenado, si lo hay), y la sección transversal y la longitud del tubo, la eficiencia se puede mejorar sustancialmente con respecto al rendimiento de un gabinete de caja sellada de tamaño similar.
A diferencia de los altavoces de caja cerrada, que son casi herméticos, un sistema bass reflex tiene una abertura llamada puerto o ventilación cortada en el gabinete, que generalmente consiste en un tubo o conducto (generalmente de sección transversal circular o rectangular). [3] [4] La masa de aire en esta abertura resuena con la "elasticidad" del aire dentro del recinto exactamente de la misma manera que el aire en una botella resuena cuando una corriente de aire se dirige a través de la abertura. Otra metáfora que se utiliza a menudo es pensar en el aire como un resorte o una banda elástica. La frecuencia a la que resuena el sistema caja/puerto, conocida como resonancia de Helmholtz , depende de la longitud efectiva y el área de la sección transversal del conducto, el volumen interno del recinto y la velocidad del sonido en el aire. En los primeros años de los altavoces portados, los diseñadores de altavoces tenían que realizar una extensa experimentación para determinar el diámetro ideal del puerto y la longitud del tubo o tubería del puerto; sin embargo, más recientemente, existen numerosas tablas y programas informáticos que calculan, para un tamaño determinado de gabinete, qué tamaño debe tener el puerto y qué longitud debe tener el tubo. Sin embargo, incluso con estos programas, todavía es necesario experimentar con prototipos para determinar si el recinto suena bien.
Si esta resonancia de la masa de aire de ventilación/la elasticidad del aire de la caja se elige de manera que tenga una frecuencia más baja que la frecuencia de resonancia natural del altavoz de graves, ocurre un fenómeno interesante: la onda de retorno de la emisión de sonido del altavoz de bajos se invierte en polaridad para el rango de frecuencia. entre las dos resonancias. [3] Dado que la onda inversa ya está en polaridad opuesta a la onda frontal, esta inversión pone las dos emisiones en fase (aunque la emisión del respiradero está retrasada por un período de onda) y, por lo tanto, se refuerzan entre sí. Esto tiene el útil propósito de producir una salida más alta (para cualquier excursión dada del conductor en comparación con una caja cerrada) o, por el contrario, una salida similar con una excursión más pequeña (lo que significa menos distorsión del conductor). La penalización incurrida por este refuerzo es la pérdida de tiempo: en esencia, la resonancia del respiradero aumenta la salida del conductor principal al imponerle una "cola resonante". Para frecuencias superiores a la resonancia natural del driver, la alineación refleja no tiene influencia. Para frecuencias por debajo de la resonancia de ventilación, no se logra la inversión de polaridad y se produce la cancelación de la onda de retorno. Además, el conductor se comporta como si estuviera suspendido en el aire, ya que falta la suspensión neumática del habitáculo.
Cuando los parlantes están diseñados para uso doméstico o para presentaciones en vivo de alto volumen (por ejemplo, con gabinetes de parlantes con amplificador de bajos y parlantes y subwoofers de sistemas de megafonía ), los fabricantes a menudo consideran las ventajas de la portabilidad (mayor respuesta de bajos, respuesta de bajos más baja, eficiencia mejorada). para compensar las desventajas (ruido del puerto, problemas de resonancia). El diseño es popular entre los consumidores y los fabricantes (las cajas de los altavoces pueden ser más pequeñas y ligeras, para un rendimiento más o menos equivalente), pero el aumento de la salida de graves requiere una estrecha combinación entre el controlador, la caja y el puerto. Los diseños réflex mal adaptados pueden tener características o inconvenientes desafortunados, lo que a veces los hace inadecuados para entornos que requieren alta precisión y neutralidad del sonido, por ejemplo, parlantes de monitor de estudio para uso de ingenieros de audio en instalaciones de monitoreo, estudios de grabación, etc. Sin embargo, es posible diseñar un bajo. sistema reflejo que en su mayoría supera estos inconvenientes; y los diseños bass reflex de calidad se encuentran comúnmente en entornos exigentes en todo el mundo.
Los radiadores pasivos tienen un funcionamiento similar a los sistemas bass reflex con puerto, y ambos métodos se utilizan por la misma razón: ampliar la respuesta de baja frecuencia del sistema. [5] [6] Un radiador pasivo es el uso de uno o más conos (diafragmas) adicionales en un gabinete en lugar de puertos. Estos diafragmas pasivos no tienen imán ni bobina móvil y no están conectados a un amplificador de potencia . Acústicamente, se comportan prácticamente igual en cuanto a su frecuencia de sintonización como puerto, ya que también actúan como un resonador de Helmholtz excitado por la parte posterior del diafragma del altavoz de graves. Los radiadores pasivos se pueden ajustar independientemente de sus dimensiones agregando o quitando masa del diafragma del radiador pasivo. Esto los hace útiles para gabinetes más pequeños con la misma sintonización de caja donde un puerto sintonizado de manera equivalente no sería práctico. También evitan las resonancias de tubería de rango medio que pueden ser un problema en gabinetes con puertos en sistemas de rango completo. [7] Sin embargo, para ser efectivos, requieren una superficie mucho mayor en el exterior del gabinete que un puerto. También son considerablemente más caros que un tubo de puerto, ya que son efectivamente un controlador de altavoz menos su bobina móvil y su imán de motor.
El efecto de los distintos parámetros de los altavoces, los tamaños de las cajas y las dimensiones de los puertos (y conductos) en el rendimiento de los sistemas bass reflex no se entendió bien hasta principios de los años 1960. Posteriormente, los análisis pioneros de AN Thiele, [8] [9] [10] JE Benson [11] [12] y Richard H. Small [4] [13] [14] [15] presentaron los fundamentos teóricos para la síntesis de Los sistemas de altavoces bass reflex para cumplir con criterios de rendimiento de baja frecuencia específicos se desarrollaron en una serie de "alineaciones" ( conjuntos de parámetros relevantes de los altavoces ) que permitieron a los diseñadores producir respuestas útiles y predecibles. Keele [16] amplió las opciones de diseño presentando un nuevo conjunto de alineaciones de sistemas de altavoces con caja ventilada de sexto orden. Todos estos resultados hicieron posible que los fabricantes de altavoces diseñaran altavoces bass reflex para adaptarse a varios tamaños de cajas y combinar cajas con altavoces determinados con gran previsibilidad. Debido a las limitaciones físicas electromecánicas, no es posible tener un altavoz pequeño en un recinto pequeño que produzca una respuesta de graves extendida con alta eficiencia (es decir, requiriendo sólo un amplificador de baja potencia). Es posible tener dos de estos atributos, pero no todos; esto se ha denominado Ley de Hierro de Hofmann en honor al resumen de J. Anton Hofmann de KLH (con Henry Kloss ) del trabajo de Edgar Villchur años antes. La presión sonora producida depende de la eficiencia del altavoz, el manejo de energía mecánica o térmica del controlador, la entrada de energía y el tamaño del controlador.
Novak [2] concluyó que una caja bass reflex puede tener una mayor salida acústica para una determinada cantidad de distorsión, una menor intermodulación armónica total y una distorsión transitoria que una caja completamente cerrada de tamaño similar. Un sistema resonante de este tipo aumenta la respuesta de graves del controlador y, si se diseña adecuadamente, puede extender la respuesta de frecuencia de la combinación controlador/caja por debajo del rango que el controlador reproduciría en una caja sellada de tamaño similar. La resonancia del recinto tiene un beneficio secundario porque limita el movimiento del cono en una banda de frecuencias centrada alrededor de la frecuencia de sintonización, reduciendo la distorsión en ese rango de frecuencia. Los sistemas de gabinetes con puertos son más baratos que un altavoz con radiador pasivo con el mismo rendimiento; Mientras que un sistema de radiador pasivo requiere uno o dos parlantes de "cono de drone", un sistema con puerto requiere solo un orificio o puerto y un tramo de tubo.
En comparación con los altavoces de caja cerrada, los gabinetes bass reflex tienen una respuesta transitoria más pobre , lo que resulta en tiempos de caída más prolongados asociados con las notas graves. [4] En la figura correspondiente se muestran algunos ejemplos de respuestas escalonadas para varias funciones de filtro de paso alto, donde cada filtro tiene una frecuencia de corte idéntica de −3 dB de 50 Hz. En esa figura, (a) representa la respuesta al paso de una alineación de caja ventilada B4 convencional, mientras que (b) representa la respuesta al paso de una alineación de caja cerrada B2 con Q = 0,7071. La respuesta transitoria de un altavoz con caja ventilada se puede mejorar eligiendo una alineación QB3 similar a (c), lo que da como resultado una respuesta transitoria mejor amortiguada que la producida por la alineación B4. Sin embargo, una alineación de caja ventilada C4 similar a (e) da como resultado una respuesta transitoria peor amortiguada.
Para lograr su salida de graves, los recintos de altavoces con puertos escalonan dos resonancias: una del controlador y el aire en caja, y otra del aire en caja y el puerto. En la frecuencia de sintonización de ventilación, la salida del puerto es la fuente principal de salida de sonido, ya que el desplazamiento del woofer es mínimo. Se trata de un sistema más complejo y de orden superior que una caja de altavoz de caja cerrada equivalente. La interacción entre las dos resonancias da como resultado un sistema que posee menos amortiguación y mayor retardo de tiempo (mayor retardo de grupo ). Debido a esto último, no se produce una respuesta de graves plana y estable al mismo tiempo que el resto de la salida sonora a frecuencias más altas en la región operativa. En cambio, comienza más tarde (retrasos) y el retraso aumenta, acumulándose con el tiempo como una "cola" resonante más bien alargada que llega detrás del "cuerpo" principal de la señal acústica. Como resultado de sus características electrodinámicas, los recintos con puertos, que se aproximan a los sistemas de filtro de paso alto de cuarto orden, generalmente dan como resultado una respuesta transitoria más pobre en bajas frecuencias que los sistemas de altavoces de caja cerrada, que son de paso alto de segundo orden. sistemas de filtrado.
Otra desventaja de este aumento es que, en frecuencias por debajo de la frecuencia de sintonización de ventilación, el puerto descarga el cono y le permite moverse con desplazamientos muy grandes. Esto significa que el altavoz puede superar sus límites de funcionamiento mecánico seguro en frecuencias inferiores a la frecuencia de sintonización con mucha menos energía que en una caja sellada de tamaño equivalente. Por esta razón, los sistemas de alta potencia que utilizan un diseño bass reflex suelen estar protegidos por un filtro de paso alto que elimina las señales por debajo de la frecuencia de sintonización del respiradero. Desafortunadamente, el filtrado eléctrico añade un retraso de grupo adicional dependiente de la frecuencia. Incluso si dicho filtrado se puede ajustar para no eliminar contenido musical, puede interferir con la información sonora relacionada con el tamaño y el ambiente del lugar o lugar de grabación, información que a menudo existe en el espectro de graves bajos. [17] [18]
Si los efectos de estos en un sistema diseñado adecuadamente son audibles o no sigue siendo un tema de debate. Un sistema bass reflex mal diseñado, generalmente uno cuyo respiradero está incorrectamente sintonizado en una frecuencia demasiado alta o demasiado baja, tiende a producir una salida excesiva en la frecuencia de sintonización en relación con el resto de la banda de paso del sistema de altavoces. Este comportamiento puede añadir una calidad de nota única "en auge" a la reproducción de las frecuencias graves. Aunque algunos pueden considerar que esto se debe a que la resonancia del puerto impone sus características a la nota que se toca, es simplemente el resultado de una función de respuesta de frecuencia no máximamente plana. Si tal pico en la respuesta de graves de un recinto bass reflex coincide con uno de los modos resonantes de la sala, algo que no es inusual, los efectos se exacerbarán aún más. En general, cuanto más baja sea la frecuencia que se sintonice un puerto, menos objetables serán estos problemas.
Los puertos a menudo se colocan en el deflector frontal y, por lo tanto, pueden permitir la transmisión de frecuencias medias no deseadas reflejadas desde el interior de la caja al entorno de escucha. Si es de tamaño insuficiente, un puerto también puede generar "ruido del viento" o "resoplidos", debido a la turbulencia alrededor de las aberturas del puerto a altas velocidades del aire. [19] Los gabinetes con un puerto orientado hacia atrás enmascaran estos efectos hasta cierto punto, pero no se pueden colocar directamente contra una pared sin causar problemas audibles. Requieren algo de espacio libre alrededor del puerto para poder funcionar según lo previsto. Algunos fabricantes incorporan un puerto orientado al suelo dentro del soporte o la base del altavoz, lo que ofrece un rendimiento del puerto predecible y repetible dentro de las limitaciones de diseño.
La compresión del puerto es una reducción en la efectividad del puerto a medida que aumentan los niveles de presión sonora. A medida que un sistema portado suena más fuerte, la eficiencia del puerto se reduce y la distorsión emitida por el puerto aumenta. Esto puede reducirse mediante el diseño del puerto, pero no eliminarse por completo. La carga asimétrica del cono del controlador durante el uso de alto nivel se puede reducir colocando un deflector en el extremo interior del tubo del puerto. Este deflector también puede servir como elemento estructural de refuerzo del cerramiento.
Los gabinetes de subwoofer utilizados en sistemas de cine en casa y de refuerzo de sonido suelen estar equipados con puertos o rejillas de ventilación. Los gabinetes de altavoces para amplificadores de bajo y amplificadores de teclado , que tienen que reproducir sonidos de baja frecuencia de hasta 41 Hz o menos, a menudo están construidos con puertos o rejillas de ventilación, que normalmente se encuentran en la parte frontal del gabinete (aunque también se colocan en el trasero). Incluso algunos altavoces de alta fidelidad caros tienen puertos cuidadosamente diseñados.