Un altavoz de bocina es un altavoz o elemento de altavoz que utiliza una bocina acústica para aumentar la eficiencia general de los elementos impulsores. Una forma común (derecha) consiste en un motor de compresión que produce ondas sonoras con un pequeño diafragma metálico hecho vibrar por un electroimán , unido a una bocina, un conducto abocinado 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 del acoplamiento entre el altavoz y el aire. Se puede considerar la bocina 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 al lado del conductor se llama "garganta" y la parte más alejada del conductor se llama "boca". [1] La cobertura angular ( patrón de radiación ) del cuerno 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; normalmente pueden producir aproximadamente 10 veces [3] : p.30 (10 dB ) [4] [5] [6] más potencia de sonido que un altavoz cónico con una salida de amplificador determinada. Por lo tanto, las bocinas se utilizan ampliamente en sistemas de megafonía , megáfonos y sistemas de sonido para grandes espacios 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 las frecuencias bajas, los parlantes de bocina deben ser muy grandes y voluminosos, por lo que se usan más a menudo para frecuencias medias y altas. Los primeros altavoces prácticos, introducidos a principios del siglo XX, fueron 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 potencia de amplificador económica, 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. Lo hace mediante el aumento gradual, a menudo exponencial, del área de la sección transversal del cuerno. La pequeña sección transversal de la garganta restringe el paso del aire, presentando así una alta impedancia acústica para el conductor. Esto permite al conductor desarrollar una presión alta para un desplazamiento determinado. Por tanto, las ondas sonoras en la garganta son de alta presión y bajo desplazamiento. La forma cónica del cuerno permite que las ondas sonoras se descompriman gradualmente y aumenten en desplazamiento hasta llegar a la boca donde son de baja presión pero de gran desplazamiento. [8]
La física (y las matemáticas) del funcionamiento de la bocina se desarrollaron durante muchos años y alcanzaron una sofisticación considerable antes de la Segunda Guerra Mundial. Los primeros altavoces de bocina más conocidos eran los de los fonógrafos mecánicos , donde el disco movía una aguja de metal pesado que excitaba vibraciones en un pequeño diafragma de metal que actuaba como controlador de una bocina. Un ejemplo famoso fue el cuerno a través del cual Nipper , el perro RCA , escuchó "La voz de su amo". La bocina mejora la carga y, por lo tanto, obtiene un mejor "acoplamiento" de la energía del diafragma al aire y, por lo tanto, las variaciones de presión se hacen más pequeñas a medida que el volumen se expande y el sonido sube por la bocina. Este tipo de adaptación de impedancia mecánica era absolutamente necesaria en la época 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 la bocina acústica más antigua y sencilla, utilizada antes de los altavoces como amplificador acústico pasivo para fonógrafos mecánicos y para la voz humana; todavía lo utilizan porristas y socorristas. Debido a que la forma de la sección cónica describe una porción de una esfera perfecta de sonido irradiado, los conos no tienen distorsión de fase o amplitud del frente de onda. [2] Los pequeños megáfonos utilizados en fonógrafos y como altavoces no eran lo suficientemente largos para reproducir las bajas frecuencias de la música; tenían una frecuencia de corte alta que atenuaba las dos octavas inferiores del espectro sonoro, dando 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] Un inconveniente importante es que la bocina exponencial permite un estrechamiento del patrón de radiación a medida que aumenta la frecuencia, lo que genera una "radiación" 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 altas frecuencias, pero una garganta más grande es mejor para bajas frecuencias. Una solución común es utilizar dos o más bocinas, cada una con el tamaño de garganta, tamaño de boca y velocidad de ensanchamiento apropiados para obtener el mejor rendimiento en un rango de frecuencia seleccionado, con suficiente superposición entre los rangos de frecuencia para proporcionar una transición suave entre las bocinas. Otra solución probada a finales de la década de 1930 por Harry F. Olson de RCA fue utilizar múltiples velocidades de destello exponenciales, ya sea conectando bocinas cada vez más grandes en serie o subdividiendo el interior de una sola bocina. [12] Algunos diseñadores siguen utilizando bocinas exponenciales y en algunas aplicaciones. [13]
Se pueden combinar varias bocinas simétricas, de dispersión estrecha, generalmente exponenciales, en una matriz impulsada por un solo controlador para producir bocinas multicelulares. Patentadas en 1936 por Edward C. Wente de Western Electric , [14] las bocinas multicelulares se han utilizado en altavoces desde 1933 para abordar el problema de la directividad en frecuencias más altas y proporcionan una excelente carga de baja frecuencia. Su control direccional comienza a emitir 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] Los cuernos multicelulares son complejos y difíciles de fabricar y, por lo tanto, tienen un mayor gasto asociado. Persistieron en las aplicaciones de megafonía durante muchos años porque, incluso con sus fallos, sonaban muy bien y todavía lo hacen con un diseño competente. [16] El revolucionario controlador coaxial, el Altec Lansing Duplex 601 y 604, utilizó una bocina multicelular para su componente de alta frecuencia desde 1943 hasta 1998. [17]
Las bocinas radiales tienen dos superficies basadas en una tasa de ensanchamiento exponencial y dos paredes rectas que determinan el patrón de salida. La bocina radial exhibe algo de la radiación de la bocina exponencial. [2] Los cuernos sectoriales de Altec eran cuernos radiales con paletas colocadas en la boca del cuerno con el propósito declarado de controlar el patrón. Para facilitar el montaje en cajas de altavoces, se han utilizado bocinas radiales frontales planas, por ejemplo, Community en su bocina de alta frecuencia SQ 90. [18] La difracción de JBL o bocina "Smith" era una variación del diseño radial, utilizando una dimensión vertical muy pequeña en la boca como método para evitar el haz horizontal de rango medio de bocinas radiales que tienen una dimensión vertical más grande en la boca.
La bocina 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 90° para frecuencias de una longitud de onda igual a la estrecha dimensión vertical. [16] En 1991 se diseñó una versión muy pequeña de la bocina de difracción en el transductor de frecuencia ultraalta JBL modelo 2405H, que produce un patrón de salida de 90° x 35° a 20 kHz . [19]
La bocina tractix es muy similar en muchos aspectos a la bocina exponencial y ha ganado adeptos entre los entusiastas de las bocinas de bricolaje , los consumidores audiófilos y algunos fabricantes. [20] Utiliza una fórmula de curva derivada asumiendo que una tangente a cualquier punto de la curva interior de la bocina alcanzará el eje central de la bocina con un segmento de línea de longitud determinada. 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 tractriz se genera especificando el "corte" o límite de baja frecuencia deseado que determinará el diámetro de la boca. [20] Dos mejoras incrementales con respecto a la bocina exponencial incluyen un soporte ligeramente mejor para la extensión de bajas frecuencias y un patrón de cobertura de altas frecuencias algo más amplio. [20]
En mayo de 1975, [22] para abordar los problemas del cambio del ancho del haz en 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 los lóbulos en 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 fines de megafonía. El artículo de Keele [24] establece las relaciones entre el tamaño de la boca, la frecuencia y el ángulo de cobertura, proporcionando una base para muchos desarrollos futuros en el 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 permite diseñar bocinas para una variedad de patrones de cobertura. La forma del Mantaray comienza con una bocina de difracción estilo JBL orientada verticalmente, que conduce a una guía de ondas cónica (diseños más antiguos) 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 diseños anteriores, el vértice aparente, [28] que es el punto focal de dispersión del patrón, no es el mismo para todas las frecuencias, lo que genera un frente de onda elipsoidal en lugar de esférico. Debido a esto, el Mantaray sólo puede disponerse satisfactoriamente en un plano (en lugar de en varios planos). Sus abruptas interrupciones en la tasa de llamarada provocan componentes de difracción, reflexión y distorsión. [2]
En 1980, Keele 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 consta de lados curvados exponencialmente derivados del 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 cambios abruptos de ángulo. [25] El mercado respondió bien al diseño de productos como el monitor de estudio JBL modelo 4430 con su bocina de alta frecuencia birradial modelo 2344 de 100 ° × 100 °, a menudo llamada "nalgas". [30] El diseño Bi-Radial tuvo problemas con el ápice aparente y la capacidad de disposición de la misma manera que el Mantaray. [2]
Ramsa, la división de audio profesional de Panasonic Corporation , introdujo una bocina gemela de directividad constante Bessel poco después de que apareciera el Mantaray. El diseño era muy similar al Mantaray y al Bi-Radial, pero utilizaba una fórmula de expansión de Bessel de serie dual para determinar la tasa de ensanchamiento de la sección del cuerno secundario. [31]
Las bocinas de directividad constante más populares (también conocidas como bocinas de CD) sufren de frentes de onda no esféricos, limitaciones en la capacidad de disposición y distorsión a niveles altos 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 altas frecuencias de la bocina de CD están más distribuidas en su patrón de cobertura, aparecen atenuadas en relación con otras bocinas. La bocina de CD requiere un refuerzo de ecualización de aproximadamente 6 dB por octava [32] con un filtro de rodilla centrado entre 2 y 4 kHz [33] (dependiendo del diseño de la bocina) para sonar neutral y equilibrado. La mayoría de los fabricantes de crossovers de audio electrónicos activos respondieron a este requisito agregando un filtro de refuerzo de CD EQ opcional o un filtro de estante de alta frecuencia. Por ejemplo, BSS proporcionó dichos circuitos a través de puentes internos en su crossover FDS-310 [34] y Rane en sus crossovers AC 22S [35] y AC 23B [36] . Rane permitió un mayor control en el panel frontal de dos pasos de banda ("alto-medio" y "alto") utilizando la ecualización de bocina de CD que incluía un rango de frecuencia de barrido en su crossover AC 24. [37] Se encuentran disponibles más mejoras 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 cuernos.
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 ampliación original. El algoritmo HCD reduce los reflejos en comparación con una bocina de CD o, en general, con una bocina multiflare, proporcionando una baja distorsión a altos niveles de presión sonora.
Similar a la bocina radial, HCD 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 de la bocina. La progresión depende de la proporción de boca seleccionada. Mientras que en el plano a lo largo del eje menor de la boca tendremos un contorno de directividad equivalente a un cuerno bucal 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 pasos de banda, alto y medio, cuyas ondas sonoras salían todas en una sola bocina pero a diferentes distancias según el paso de banda. Se comercializó como la bocina "CoEntrant". [41] Los controladores de frecuencia media y alta de la línea de productos Renkus-Heinz ST/STX salían a través de una guía de ondas "Complex Conic". [42] A finales 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 utilizaba 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 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 con respecto al SPL. -td1 llamado bocina "Synergy", que produce una respuesta de fase y magnitud sustancialmente mejor junto con un patrón polar más suave. El diseño de bocina sinérgica entregó una mayor potencia de salida desde una caja de altavoz más pequeña . [46] Debido a que el diseño retiene 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 gabinete, se combina más fácilmente en arreglos para aplicaciones de megafonía. . [47]
El término "guía de ondas" se utiliza para describir bocinas con baja carga acústica, como bocinas cilíndricas cónicas, cuadráticas, esferoidales achatadas o elípticas. Estos están diseñados más para controlar el patrón de radiación que para ganar eficiencia a través de una carga acústica mejorada. Todas las bocinas tienen cierto control de 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 coincidir con el tamaño de garganta deseado para un acoplamiento adecuado con el controlador del altavoz. En lugar de aumentar el tamaño de la boca de la bocina con un ensanchamiento para controlar la emisión de medios, se descubrió que una capa relativamente delgada de espuma que cubría el borde de la boca se adaptaba al mismo extremo. La guía de ondas QT, en comparación con las bocinas de CD populares, produjo alrededor de 3 a 4 dB niveles más bajos de distorsión del segundo armónico en todas las frecuencias, y un promedio de 9 dB niveles más bajos de la más molesta distorsión del tercer armónico. Al no tener una ranura de difracción, la guía de ondas QT no tenía problemas con el vértice aparente, lo que la hacía adaptable según fuera necesario para fines de megafonía. [2]
Los diseños de bocinas de guía de ondas esferoides oblatas (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 del OSWG no aborda explícitamente la limitación práctica de la longitud del cuerno. [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 graves , donde los altavoces convencionales necesitarían 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 y pequeño controlador; hasta cierto punto, estos se pueden diseñar sin necesidad de un crossover .
Los altavoces de bocina también se pueden utilizar para proporcionar los muy altos niveles de presión sonora necesarios para aplicaciones de refuerzo de sonido y 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 la dispersión controlada. características que generalmente se requieren en la mayoría de los espacios de gran volumen. Dave Gunness fue pionero en "Gunness Focusing", un nuevo método para contrarrestar algunas de las distorsiones de la bocina, especialmente en el dominio del tiempo, mientras estaba en Eastern Acoustic Works (EAW). Los altavoces EAW con bocina que han sido procesados con este sistema patentado muestran una distorsión reducida del diafragma del controlador de compresión/ conector de fase al tiempo que conservan una alta potencia de salida y una dispersión controlada. [51] [52] [53] [54] [55]
Las salas de conciertos suelen utilizar grandes conjuntos de altavoces de bocina para la reproducción de graves a alto volumen ("bass bins" o subwoofers ), con el fin de proporcionar unos graves que los asistentes al concierto no sólo puedan oír sino sentir. La combinación de varios altavoces de bocina en una matriz ofrece los mismos beneficios que tener una sola bocina con un área de boca mayor: el corte de baja frecuencia se extiende hacia abajo a medida que la boca de la bocina se hace más grande, y la matriz tiene la mayor potencia de salida de múltiples parlantes.
Las salas de cine comerciales suelen utilizar altavoces con bocina para controlar los patrones y aumentar la sensibilidad necesaria para llenar una sala grande.
El audio de consumo emplea altavoces de bocina para una directividad controlada (para limitar los reflejos de audio de las superficies de la habitación, como paredes, suelo y techo) y para una mayor sensibilidad de los altavoces .
Los altavoces de bocina pueden proporcionar eficiencias muy altas, lo que los convierte en una buena combinación para amplificadores de muy baja potencia , como amplificadores 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 incluso a construir bocinas de baja frecuencia cuyas bocas ocupaban gran parte de una pared de la sala de escucha. A veces las gargantas 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 bocinas (de diferente longitud, material y conicidad), así como diferentes controladores, es, hasta cierto punto, imposible dar caracterizaciones tan 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 empeorar notablemente el ruido de fondo presente en las salidas del amplificador.
Las bandas sonoras de películas tienen un gran rango dinámico donde los niveles máximos son 20 dB mayores que 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 receptores/amplificadores típicos de ~100 vatios por canal utilizados en cine en casa . [56]
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