Un altavoz de bocina es un altavoz o elemento de altavoz que utiliza una bocina acústica para aumentar la eficiencia general del elemento o elementos de accionamiento. Una forma común (derecha) consiste en un controlador de compresión que produce ondas sonoras con un pequeño diafragma de metal vibrado por un electroimán , unido a una bocina, un conducto ensanchado para conducir las ondas sonoras al aire libre. Otro tipo es un controlador de woofer montado en una caja de altavoz que está dividida por particiones internas para formar un conducto ensanchado en zigzag que funciona como una bocina; este tipo se llama altavoz de bocina plegada . La bocina sirve para mejorar la eficiencia de acoplamiento entre el controlador del altavoz y el aire. La bocina puede considerarse como un " transformador acústico " que proporciona una adaptación de impedancia entre el material relativamente denso del diafragma y el aire menos denso. El resultado es una mayor potencia de salida acústica de un controlador determinado. [1]
La parte estrecha de la bocina junto al parlante se llama "garganta" y la parte grande más alejada del parlante se llama "boca". [1] La cobertura angular ( patrón de radiación ) de la bocina está determinada por la forma y el ensanchamiento de la boca. Un problema importante de los altavoces de bocina es que el patrón de radiación varía con la frecuencia; el sonido de alta frecuencia tiende a emitirse en haces estrechos con un rendimiento deficiente fuera del eje. [2] Se han realizado mejoras significativas, comenzando con la bocina de "directividad constante" inventada en 1975 por Don Keele .
La principal ventaja de los altavoces de bocina es que son más eficientes; por lo general, pueden producir aproximadamente 10 veces [3] : p.30 (10 dB ) [4] [5] [6] más potencia de sonido que un altavoz de cono a partir de una salida de amplificador determinada. Por lo tanto, las bocinas se utilizan ampliamente en sistemas de megafonía , megáfonos y sistemas de sonido para lugares grandes como teatros, auditorios y estadios deportivos. Su desventaja es que su respuesta de frecuencia es más desigual debido a los picos de resonancia , y las bocinas tienen una frecuencia de corte por debajo de la cual su respuesta cae. (La frecuencia de corte corresponde a la longitud de onda igual a la circunferencia de la boca de la bocina. [7] ) Para lograr una respuesta adecuada en frecuencias bajas, los altavoces de bocina deben ser muy grandes y engorrosos, por lo que se utilizan más a menudo para frecuencias medias y altas. Los primeros altavoces prácticos, introducidos a principios del siglo XX, fueron los altavoces de bocina. Debido al desarrollo en las últimas décadas de altavoces de cono, que a veces tienen una respuesta de frecuencia más plana, y a la disponibilidad de amplificadores de bajo costo, el uso de altavoces de bocina en sistemas de audio de alta fidelidad ha disminuido en las últimas décadas.
Una bocina acústica convierte grandes variaciones de presión con un área de desplazamiento pequeña en una variación de presión baja con un área de desplazamiento grande y viceversa. Esto se logra mediante el aumento gradual, a menudo exponencial , del área de la sección transversal de la bocina. La pequeña área de la sección transversal de la garganta restringe el paso del aire, presentando así una alta impedancia acústica al conductor. Esto le permite al conductor desarrollar una alta presión para un desplazamiento dado. Por lo tanto, las ondas sonoras en la garganta son de alta presión y bajo desplazamiento. La forma cónica de la bocina permite que las ondas sonoras se descompriman gradualmente y aumenten el desplazamiento hasta que llegan a la boca, donde son de baja presión pero de gran desplazamiento. [8]
La física (y las matemáticas) del funcionamiento de las bocinas se fueron desarrollando durante muchos años, alcanzando una considerable sofisticación antes de la Segunda Guerra Mundial. Los primeros altavoces de bocina más conocidos fueron los de los fonógrafos mecánicos , en los que el disco movía una pesada aguja de metal que excitaba vibraciones en un pequeño diafragma metálico que actuaba como controlador de una bocina. Un ejemplo famoso fue la bocina a través de la cual Nipper, el perro de la RCA, escuchó "la voz de su amo". La bocina mejora la carga y, por lo tanto, consigue un mejor "acoplamiento" de la energía del diafragma al aire, y las variaciones de presión, por lo tanto, se hacen más pequeñas a medida que el volumen se expande y el sonido viaja por la bocina. Este tipo de adaptación de impedancia mecánica era absolutamente necesaria en los días de la reproducción de sonido preeléctrica para lograr un nivel de sonido utilizable. [9]
El megáfono , un simple cono hecho de papel u otro material flexible, es el instrumento acústico más antiguo y simple, utilizado antes de los altavoces como amplificador acústico pasivo para fonógrafos mecánicos y para la voz humana; todavía lo utilizan las animadoras y los salvavidas. Debido a que la forma de la sección cónica describe una porción de una esfera perfecta de sonido radiado, los conos no tienen distorsión de fase o amplitud del frente de onda. [2] Los pequeños megáfonos utilizados en fonógrafos y como megáfonos no eran lo suficientemente largos para reproducir las frecuencias bajas de la música; tenían una frecuencia de corte alta que atenuaba las dos octavas inferiores del espectro sonoro, lo que le daba al megáfono un sonido metálico característico. [2]
La bocina exponencial tiene una propiedad de carga acústica que permite que el controlador del altavoz permanezca equilibrado uniformemente en el nivel de salida en su rango de frecuencia. Los beneficios del diseño fueron publicados por primera vez por CR Hanna y J. Slepian en 1924 para el Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos (AIEE). [11] Una desventaja importante es que la bocina exponencial permite un estrechamiento del patrón de radiación a medida que aumenta la frecuencia, lo que produce una "emisividad" de alta frecuencia en el eje y un sonido apagado fuera del eje. [2] Otra preocupación es que se necesita una garganta de diámetro pequeño para una alta eficiencia en frecuencias altas, pero una garganta más grande es mejor para frecuencias bajas. Una solución común es usar dos o más bocinas, cada una con el tamaño de garganta, tamaño de boca y tasa de expansión adecuados para un mejor rendimiento en un rango de frecuencia seleccionado, con suficiente superposición entre los rangos de frecuencia para proporcionar una transición suave entre bocinas. Otra solución probada a fines de la década de 1930 por Harry F. Olson de RCA fue usar múltiples tasas de expansión exponencial, ya sea conectando bocinas cada vez más grandes en serie o subdividiendo el interior de una sola bocina. [12] Algunos diseñadores y algunas aplicaciones siguen utilizando bocinas exponenciales. [13]
Se pueden combinar varias bocinas simétricas, de dispersión estrecha, generalmente exponenciales, en una matriz accionada por un solo controlador para producir bocinas multicelda. Patentadas en 1936 por Edward C. Wente de Western Electric , [14] las bocinas multicelda se han utilizado en altavoces desde 1933 para abordar el problema de la directividad a frecuencias más altas, y proporcionan una excelente carga de baja frecuencia. Su control direccional comienza a emitirse tanto vertical como horizontalmente en el medio de su rango de frecuencia objetivo, estrechándose aún más en frecuencias altas [2] con cambios de nivel de hasta 10 dB entre lóbulos. [15] Las bocinas multicelda son complejas y difíciles de fabricar y, por lo tanto, tienen un mayor gasto asociado. Persistieron en aplicaciones de megafonía durante muchos años porque, incluso con sus defectos, sonaban muy bien, y todavía lo hacen con un diseño competente. [16] El revolucionario controlador coaxial Altec Lansing Duplex 601 y 604 utilizó una bocina multicelda para su componente de alta frecuencia desde 1943 hasta 1998. [17]
Las bocinas radiales tienen dos superficies basadas en una tasa de destello exponencial y dos paredes rectas que determinan el patrón de salida. La bocina radial exhibe algo del haz de la bocina exponencial. [2] Las bocinas sectoriales de Altec eran bocinas radiales con paletas colocadas en la boca de la bocina con el propósito declarado de control de patrón. Para facilitar el montaje en gabinetes de altavoces, se han utilizado bocinas radiales frontales planas, por ejemplo, por Community en su bocina de alta frecuencia SQ 90. [18] La bocina de difracción o "Smith" de JBL era una variación del diseño radial, que usaba una dimensión vertical muy pequeña en la boca como método para evitar el haz horizontal de rango medio de las bocinas radiales que tienen una dimensión vertical más grande en la boca.
El cuerno de difracción ha sido popular en diseños de monitores y para aplicaciones de megafonía de campo cercano que se benefician de su amplio patrón de dispersión horizontal. [15] Contrariamente a la intuición, la estrecha dimensión vertical proporcionó un patrón de salida vertical expansivo que se acercaba a los 90° para frecuencias de una longitud de onda igual a la estrecha dimensión vertical. [16] Una versión muy pequeña del cuerno de difracción fue diseñada en 1991 en el transductor de frecuencia ultra alta modelo 2405H de JBL, produciendo un patrón de salida de 90° x 35° a 20 kHz . [19]
La bocina tractrix es muy similar en muchos aspectos a la bocina exponencial y ha ganado adeptos entre los entusiastas de las bocinas DIY , los consumidores audiófilos y algunos fabricantes. [20] Utiliza una fórmula de curva derivada al suponer que una tangente a cualquier punto de la curva interna de la bocina alcanzará el eje central de la bocina con un segmento de línea de longitud establecida. En la boca, el segmento de línea tangente se vuelve perpendicular al eje y describe el radio de la boca. Este concepto de bocina fue estudiado por Paul GAH Voigt a mediados de la década de 1920 y patentado en 1927. [21] El tamaño de la bocina tractrix se genera especificando el "corte" o límite de baja frecuencia deseado que determinará el diámetro de la boca. [20] Dos mejoras incrementales sobre la bocina exponencial incluyen un soporte ligeramente mejor para la extensión de baja frecuencia y un patrón de cobertura de alta frecuencia algo más amplio. [20]
En mayo de 1975, [22] para abordar los problemas de cambio de ancho de haz a diferentes frecuencias, D. Broadus "Don" Keele, Jr. de Electro-Voice introdujo una bocina híbrida con una tasa de expansión exponencial cerca de la garganta seguida de una sección de expansión cónica y terminando con un reborde que se ensancha rápidamente en la boca. [23] El reborde en la boca resolvió algunos problemas restantes con el lóbulo a frecuencias más altas. [16] Don Keele especificó en una versión de su diseño un ensanchamiento horizontal más amplio para el control del patrón apropiado para propósitos de megafonía. El artículo de Keele [24] estableció las relaciones entre el tamaño de la boca, la frecuencia y el ángulo de cobertura, proporcionando una base para muchos desarrollos futuros del diseño de bocinas. [16] Un problema encontrado con las bocinas de directividad constante es que el patrón de cobertura horizontal no se puede estrechar sin hacer que el patrón de cobertura vertical sea demasiado pequeño para ser útil. [2]
Posteriormente al trabajo de Keele y utilizando sus principios, Clifford A. Henricksen y Mark S. Ureda de Altec diseñaron una bocina híbrida sorprendentemente diferente que muestra rasgos de directividad constante, la bocina de difracción horizontal o "Mantaray". [25] [26] La bocina Mantaray separa el patrón de cobertura vertical deseado del horizontal, lo que hace posible diseñar bocinas para una variedad de patrones de cobertura. La forma Mantaray comienza con una bocina de difracción de estilo JBL orientada verticalmente, que conduce a una guía de onda cónica (diseños más tempranos), o una bocina cuadrada o rectangular con cuatro lados planos. [27] Para el control de la emisión de rango medio, la boca exterior se expande aún más con una brida corta y ensanchada al estilo Keele, o con lados planos agregados de un ángulo de ensanchamiento mayor. La eficiencia de baja frecuencia no es tan pronunciada como el diseño de directividad constante. [25] A diferencia de los diseños anteriores, el vértice aparente, [28] que es el punto focal de la dispersión del patrón, no es el mismo para cada frecuencia, lo que da como resultado un frente de onda elipsoidal en lugar de esférico. Debido a esto, el Mantaray solo se puede disponer satisfactoriamente en un plano (en lugar de en varios planos). Sus abruptas interrupciones en la tasa de destellos causan componentes de difracción, reflexión y distorsión. [2]
En 1980, Keele ya estaba en JBL, donde llevó sus diseños y los de Altec un paso más allá. Unió una bocina de difracción estilo JBL a una bocina secundaria que constaba de lados exponencialmente curvados obtenidos mediante el uso de dos fórmulas radiales. Esto dio como resultado una bocina híbrida de directividad constante que estaba libre de los componentes de distorsión asociados con los cambios abruptos de ángulo. [25] El mercado respondió bien al diseño en productos como el monitor de estudio JBL modelo 4430 con su bocina de alta frecuencia Bi-Radial modelo 2344 de 100° × 100° a menudo llamada "nalgas". [30] El diseño Bi-Radial tenía problemas con el ápice aparente y la capacidad de montaje en matriz de la misma manera que el Mantaray. [2]
Ramsa, la división de audio profesional de Panasonic Corporation , introdujo una bocina de directividad constante de Bessel doble poco después de que apareciera el Mantaray. El diseño era muy similar al del Mantaray y al Bi-Radial, pero utilizaba una fórmula de expansión de Bessel en serie dual para determinar la tasa de expansión de la sección de bocina secundaria. [31]
Las bocinas de directividad constante más populares (también conocidas como bocinas CD) sufren frentes de onda no esféricos, limitaciones en la capacidad de agrupamiento y distorsión a altos niveles de presión sonora , así como reflexiones y distorsiones relacionadas con la transición de la ranura de difracción a la bocina secundaria. [2] Tienden a un estrechamiento del patrón de dispersión en las frecuencias más altas cuyas longitudes de onda se acercan al ancho de la garganta o al ancho de la ranura de difracción. [15]
Debido a que las frecuencias altas de la bocina CD están más distribuidas en su patrón de cobertura, parecen atenuadas en relación con otras bocinas. La bocina CD requiere un aumento de ecualización de aproximadamente 6 dB por octava [32] con un codo de filtro centrado entre 2 y 4 kHz [33] (según el diseño de la bocina) para sonar neutral y balanceada. La mayoría de los fabricantes de crossovers de audio electrónicos activos respondieron a este requisito agregando un filtro de refuerzo de ecualización de CD opcional o un filtro de estante de alta frecuencia. Por ejemplo, BSS proporcionó este tipo de circuitos a través de enlaces de puente internos en su crossover FDS-310 [34] y Rane en sus crossovers AC 22S [35] y AC 23B [36] . Rane permitió un mayor control del panel frontal de dos bandas de paso ("altas-medias" y "altas") utilizando la ecualización de la bocina CD que incluye un rango de frecuencia barrible en su crossover AC 24. [37] Hay disponibles refinamientos adicionales del proceso de filtrado en los crossovers basados en DSP .
Publicado por primera vez en diciembre de 2019 en un artículo de Voice Coil [38] y luego en la 148.ª Convención AES [39] en junio de 2020, Dario Cinanni presentó una nueva familia de bocinas.
El algoritmo HCD, ya utilizado por el software SpeakerLAB Horn.ell.a [40] desde 2006, transforma cualquier bocina de expansión (exponencial, seno hiperbólico, coseno hiperbólico, catenoidal, tractriz, esférica o una nueva expansión) en una bocina de directividad constante.
El HCD permite mantener la misma carga acústica de la expansión original. El algoritmo HCD reduce las reflexiones en comparación con una bocina CD, o en general con una bocina multiflare, proporcionando baja distorsión a altos niveles de presión sonora.
Similar al HCD radial, ofrece una directividad constante en un plano, para ser más específicos, una directividad constante progresiva en el plano a lo largo del eje mayor de la boca del instrumento. La progresión depende de la relación de la boca seleccionada. Mientras que en el plano a lo largo del eje menor de la boca tendremos un contorno de directividad equivalente a un instrumento de boca circular (usando la misma expansión).
En 1996, Ralph D. Heinz de Renkus-Heinz recibió una patente para una bocina de entrada múltiple que incorporaba múltiples controladores para dos bandas de paso, alta y media, cuyas ondas de sonido salían todas hacia una sola bocina pero a diferentes distancias dependiendo de la banda de paso. Se comercializó como la bocina "CoEntrant". [41] Los controladores de frecuencia media y alta en la línea de productos ST/STX de Renkus-Heinz salían a través de una guía de ondas "cónica compleja". [42] A fines de la década de 1990, Thomas J. "Tom" Danley de Sound Physics Labs comenzó a trabajar en una bocina de entrada múltiple de tres vías, y lanzó al mercado el SPL-td1 en 2000. [43] El diseño usaba siete controladores, con un controlador de alta frecuencia en la garganta de la bocina, cuatro controladores de frecuencia media cerca de la garganta y dos controladores de baja frecuencia ubicados más cerca de la boca de la bocina. En 2001, Tom Danley comenzó a desarrollar la bocina "Unity" para Yorkville Sound , patentando la mejora en 2002. [44] Tras el lanzamiento en 2003 de la línea Unity de Yorkville, [45] Danley formó Danley Sound Labs y desarrolló una mejora significativa sobre la SPL-td1 llamada bocina "Synergy", que produce una respuesta de fase y magnitud sustancialmente mejor junto con un patrón polar más suave. El diseño de la bocina Synergy ofrece una mayor potencia de salida desde un recinto de altavoz más pequeño . [46] Debido a que el diseño conserva el control del patrón a través de sus regiones de cruce y en un amplio rango de su ancho de banda total, y debido a que el centro acústico del diseño está cerca de la parte trasera del recinto, se combina más fácilmente en conjuntos para aplicaciones de megafonía. [47]
El término "guía de ondas" se utiliza para describir las bocinas con baja carga acústica, como las cónicas, cuadráticas, esferoidales achatadas o cilíndricas elípticas. Estas están diseñadas más para controlar el patrón de radiación que para ganar eficiencia a través de una carga acústica mejorada. Todas las bocinas tienen algún control del patrón y todas las guías de ondas proporcionan un grado de carga acústica, por lo que la diferencia entre una guía de ondas y una bocina es una cuestión de criterio. [48]
En 1999, Charlie Hughes de Peavey Electronics solicitó una patente para una bocina híbrida que llamó Quadratic-Throat Waveguide. [49] La bocina era básicamente una sección cónica simple pero su garganta estaba curvada en un arco circular para que coincidiera con el tamaño de garganta deseado para un acoplamiento adecuado al controlador del altavoz. En lugar de aumentar el tamaño de la boca de la bocina con un reborde para controlar la emisión de rango medio, se encontró que una capa relativamente delgada de espuma que cubría el borde de la boca era adecuada para el mismo extremo. La guía de ondas QT, en comparación con las bocinas CD populares, produjo niveles de distorsión armónica de segundo orden entre 3 y 4 dB más bajos en todas las frecuencias y un promedio de niveles de distorsión armónica de tercer orden más molestos de 9 dB más bajos. Al no tener una ranura de difracción, la guía de ondas QT estaba libre de problemas con el vértice aparente, lo que la hacía adaptable a las necesidades para fines de megafonía. [2]
Los diseños de bocinas con guía de ondas esferoidales achatadas (OSWG) mejoran el control del patrón de directividad por encima de 1 kHz, proporcionan una frecuencia de directividad más baja para adaptarse mejor al controlador de rango medio y, como afirma el inventor Dr. Earl Geddes, mitigan los modos de orden superior, una forma de distorsión de fase y amplitud. La teoría de OSWG no aborda explícitamente la limitación práctica de la longitud de la bocina. [50]
Los altavoces de bocina se utilizan en muchas aplicaciones de audio. Los controladores de los altavoces de bocina pueden ser muy pequeños, incluso para frecuencias bajas , en las que los altavoces convencionales tendrían que ser muy grandes para obtener un rendimiento equivalente. Los altavoces de bocina se pueden diseñar para reproducir una amplia gama de frecuencias utilizando un único controlador pequeño; hasta cierto punto, se pueden diseñar sin necesidad de un filtro divisor de frecuencias .
Los altavoces de bocina también se pueden utilizar para proporcionar los niveles de presión sonora muy altos necesarios para aplicaciones de refuerzo de sonido y de megafonía, aunque en estas aplicaciones de alta presión sonora, la alta fidelidad a veces se ve comprometida en aras de la eficiencia necesaria y también de las características de dispersión controlada que generalmente se requieren en la mayoría de los espacios de gran volumen. Dave Gunness, mientras trabajaba en Eastern Acoustic Works (EAW), fue pionero en el "enfoque Gunness", un nuevo método para contrarrestar algunas de las distorsiones de las bocinas, especialmente en el dominio del tiempo. Los altavoces con bocina EAW que se han procesado con este sistema patentado muestran una distorsión de tiempo reducida en el diafragma del controlador de compresión/ bloqueo de fase , al tiempo que conservan una alta potencia de salida y una dispersión controlada. [51] [52] [53] [54] [55]
Los lugares de conciertos suelen utilizar grandes conjuntos de altavoces de bocina para la reproducción de graves a gran volumen ("bastidores de graves" o subwoofers ), con el fin de proporcionar unos graves que los asistentes al concierto no solo puedan oír, sino también sentir. La combinación de varios altavoces de bocina en un conjunto ofrece los mismos beneficios que tener un solo altavoz de bocina con una mayor superficie de la boca: el corte de baja frecuencia se extiende más abajo a medida que la boca de la bocina se hace más grande, y el conjunto tiene la mayor potencia de salida de varios controladores.
Los cines comerciales suelen utilizar altavoces con bocina para controlar los patrones y aumentar la sensibilidad necesaria para llenar una sala grande.
El audio de consumo utiliza altavoces de bocina para lograr una directividad controlada (para limitar los reflejos de audio de las superficies de la habitación, como paredes, piso y techo) y para lograr una mayor sensibilidad de los altavoces .
Los altavoces de bocina pueden ofrecer eficiencias muy altas, lo que los convierte en una buena opción para amplificadores de muy baja potencia , como los amplificadores de triodo de un solo extremo u otros amplificadores de válvulas . Después de la Segunda Guerra Mundial, algunos de los primeros fanáticos de la alta fidelidad llegaron al extremo de construir bocinas de baja frecuencia cuyas bocas ocupaban gran parte de una pared de la sala de escucha. Las gargantas a veces estaban afuera, en el césped o en el sótano. Con la llegada del estéreo en la década de 1960, este enfoque rara vez se vio. Muchos compradores de altavoces y fanáticos de los altavoces de bricolaje buscaron diseños más pequeños por razones estéticas.
Algunos audiófilos utilizan altavoces de bocina para la reproducción de audio, mientras que otros evitan los sistemas de bocina por sus resonancias armónicas, encontrando en ellos una forma desagradable de distorsión . Dado que existe una variedad de diseños de bocina (de diferente longitud, material y conicidad), así como diferentes controladores, es, hasta cierto punto, imposible dar tales caracterizaciones generales a los altavoces de bocina. Los audiófilos que utilizan amplificadores de baja potencia, a veces en el rango de 5 a 25 vatios, pueden encontrar la alta eficiencia de los altavoces de bocina como una característica especialmente atractiva. Por el contrario, la alta sensibilidad también puede hacer que cualquier ruido de fondo presente en las salidas del amplificador sea notablemente peor.
Las bandas sonoras de películas tienen un gran rango dinámico en el que los niveles máximos son 20 dB superiores a los niveles promedio. La alta sensibilidad de los altavoces de bocina ayuda a lograr niveles de sonido de cine en la posición de escucha con los receptores/amplificadores típicos de ~100 vatios por canal que se utilizan en el cine en casa . [56]
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