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Una línea de transmisión acústica es el uso de un conducto largo, que actúa como una guía de ondas acústicas y se utiliza para producir o transmitir sonido de manera no distorsionada. Técnicamente, es el análogo acústico de la línea de transmisión eléctrica , generalmente concebida como un conducto o tubo de paredes rígidas, que es largo y delgado en relación con la longitud de onda del sonido presente en él.
Ejemplos de tecnologías relacionadas con líneas de transmisión (TL) incluyen el tubo parlante (en su mayoría obsoleto) , que transmitía sonido a una ubicación diferente con mínima pérdida y distorsión, instrumentos de viento como el órgano de tubos , los instrumentos de viento de madera y de metal que pueden modelarse en parte como líneas de transmisión (aunque su diseño también implica generar sonido, controlar su timbre y acoplarlo de manera eficiente al aire libre), y altavoces basados en líneas de transmisión que utilizan el mismo principio para producir frecuencias bajas bajas extendidas precisas y evitar la distorsión. La comparación entre un conducto acústico y una línea de transmisión eléctrica es útil en el modelado de "elementos concentrados" de sistemas acústicos, en el que los elementos acústicos como volúmenes, tubos, pistones y pantallas pueden modelarse como elementos individuales en un circuito. Con la sustitución de presión por voltaje y velocidad de partículas de volumen por corriente, las ecuaciones son esencialmente las mismas. [2] Las líneas de transmisión eléctricas se pueden utilizar para describir tubos y conductos acústicos, siempre que la frecuencia de las ondas en el tubo esté por debajo de la frecuencia crítica, de modo que sean puramente planas.
La inversión de fase se logra seleccionando una longitud de línea que sea igual al cuarto de longitud de onda de la frecuencia más baja deseada. El efecto se ilustra en la Fig. 1, que muestra un límite rígido en un extremo (el altavoz) y la salida de línea abierta en el otro. La relación de fase entre el controlador de graves y la salida está en fase en la banda de paso hasta que la frecuencia se acerca al cuarto de longitud de onda, cuando la relación alcanza los 90 grados, como se muestra. Sin embargo, en este momento la salida está produciendo la mayor parte de la salida (Fig. 2). Debido a que la línea está funcionando en varias octavas con la unidad de control, la excursión del cono se reduce, lo que proporciona niveles de presión sonora más altos y niveles de distorsión más bajos, en comparación con los diseños de deflector infinito y reflejo.
El cálculo de la longitud de línea necesaria para una determinada extensión de bajo parece sencillo, basándose en una fórmula simple:
donde es la frecuencia del sonido en hercios (Hz) , es la velocidad del sonido en el aire a 20° C en metros/segundo y es la longitud de la línea de transmisión en metros .
La compleja carga de la unidad de control de graves exige parámetros específicos del controlador Thiele-Small para aprovechar al máximo los beneficios de un diseño TL. Sin embargo, la mayoría de las unidades de control del mercado están desarrolladas para los diseños más comunes de reflejo y deflector infinito y, por lo general, no son adecuadas para la carga TL. Los controladores de graves de alta eficiencia con capacidad extendida para bajas frecuencias suelen estar diseñados para ser extremadamente ligeros y flexibles, y tienen suspensiones muy flexibles. Si bien funcionan bien en un diseño de reflejo, estas características no coinciden con las demandas de un diseño TL. La unidad de control está acoplada de manera efectiva a una larga columna de aire que tiene masa. Esto reduce la frecuencia de resonancia de la unidad de control, lo que elimina la necesidad de un dispositivo altamente flexible. Además, la columna de aire proporciona una mayor fuerza sobre el propio controlador que un controlador que se abre a un gran volumen de aire (en términos simples, proporciona más resistencia al intento del controlador de moverlo), por lo que para controlar el movimiento del aire se requiere un cono extremadamente rígido, para evitar la deformación y la consiguiente distorsión.
La introducción de materiales absorbentes reduce la velocidad del sonido a través de la línea, como descubrió Bailey en su trabajo original. Bradbury publicó sus extensas pruebas para determinar este efecto en un artículo en el Journal of the Audio Engineering Society (JAES) en 1976 [3] y sus resultados coincidieron en que las líneas muy amortiguadas podían reducir la velocidad del sonido hasta en un 50%, aunque el 35% es lo típico en líneas de amortiguación media. Las pruebas de Bradbury se llevaron a cabo utilizando materiales fibrosos, normalmente lana de pelo largo y fibra de vidrio. Sin embargo, este tipo de materiales producen efectos muy variables que no se pueden repetir de forma constante para fines de producción. También son propensos a producir inconsistencias debido al movimiento, los factores climáticos y los efectos a lo largo del tiempo. Las espumas acústicas de alta especificación, desarrolladas por fabricantes de altavoces como PMC, con características similares a la lana de pelo largo, proporcionan resultados repetibles para una producción constante. La densidad del polímero, el diámetro de los poros y el perfil esculpido están todos especificados para proporcionar la absorción correcta para cada modelo de altavoz. La cantidad y la posición de la espuma son fundamentales para diseñar un filtro acústico de paso bajo que proporcione una atenuación adecuada de las frecuencias graves superiores, permitiendo al mismo tiempo un camino sin obstáculos para las frecuencias graves bajas.
El concepto fue denominado "laberinto acústico" por Stromberg-Carlson Co. cuando se utilizó en sus radios de consola a partir de 1936 (ver Concert Grand 837G Ch= 837 Radio Stromberg-Carlson Australasia Pty | Radiomuseum). Benjamin Olney, que trabajaba para Stromberg-Carlson, fue el inventor del laberinto acústico y escribió un artículo para el Journal of the Acoustic Society of America en octubre de 1936 titulado "Un método para eliminar la resonancia de la cavidad, ampliar la respuesta de baja frecuencia y aumentar la amortiguación acústica en altavoces de tipo gabinete" (véase [1]). Stromberg-Carlson comenzó a fabricar un recinto de altavoz de laberinto acústico destinado a un controlador coaxial de 12" o 15" ya en 1952, como se evidencia en un artículo de Audio Engineering en julio de 1952 (página 28), véase [2] y numerosos anuncios en la revista Hi-Fidelity en 1952 y posteriormente. El tipo de recinto de altavoz de línea de transmisión fue propuesto en octubre de 1965 por el Dr. AR Bailey y AH Radford en la revista Wireless World (p483-486). El artículo postulaba que la energía de la parte trasera de una unidad de altavoz podía ser absorbida esencialmente, sin amortiguar el movimiento del cono ni superponer reflexiones internas y resonancia, por lo que Bailey y Radford razonaron que la onda trasera podía canalizarse por un tubo largo. Si la energía acústica se absorbía, no estaría disponible para excitar resonancias. Un tubo de longitud suficiente podría ahusarse y rellenarse de modo que la pérdida de energía fuera casi completa, minimizando la salida del extremo abierto. No se ha establecido un amplio consenso sobre la conicidad ideal (expansión, sección transversal uniforme o contracción).
Las líneas de transmisión acústica ganaron atención en su uso dentro de los altavoces en los años 1960 y 1970. En 1965, el artículo de AR Bailey en Wireless World, "A Non-resonant Loudspeaker Enclosure Design", [4] detallaba una línea de transmisión funcional, que fue comercializada por John Wright y socios bajo la marca IMF y más tarde TDL, y fue vendida por el audiófilo Irving M. "Bud" Fried en los Estados Unidos.
En el diseño de altavoces se utiliza una línea de transmisión para reducir las distorsiones relacionadas con el tiempo, la fase y la resonancia, y en muchos diseños para obtener una extensión de graves excepcional hasta el extremo inferior del oído humano y, en algunos casos, hasta el casi infrasónico (por debajo de los 20 Hz). La gama de altavoces de referencia de TDL de la década de 1980 (ahora descontinuada) contenía modelos con rangos de frecuencia de 20 Hz en adelante, hasta 7 Hz en adelante, sin necesidad de un subwoofer separado . Irving M. Fried , un defensor del diseño de TL, afirmó que:
En la práctica, el conducto se pliega dentro de un gabinete de forma convencional, de modo que el extremo abierto del conducto aparece como un respiradero en el gabinete del altavoz. Hay muchas formas en las que se puede plegar el conducto y la línea a menudo se estrecha en sección transversal para evitar superficies internas paralelas que fomenten ondas estacionarias. Dependiendo de la unidad de accionamiento y la cantidad (y varias propiedades físicas) de material absorbente, la cantidad de estrechamiento se ajustará durante el proceso de diseño para ajustar el conducto para eliminar irregularidades en su respuesta. La partición interna proporciona un soporte sustancial para toda la estructura, lo que reduce la flexión y la coloración del gabinete. Las caras internas del conducto o línea se tratan con un material absorbente para proporcionar la terminación correcta con la frecuencia para cargar la unidad de accionamiento como una TL. Una TL teóricamente perfecta absorbería todas las frecuencias que ingresan a la línea desde la parte trasera de la unidad de accionamiento, pero sigue siendo teórica, ya que tendría que ser infinitamente larga. Las limitaciones físicas del mundo real exigen que la longitud de la línea sea a menudo inferior a 4 metros antes de que el recinto se vuelva demasiado grande para cualquier aplicación práctica, por lo que no toda la energía trasera puede ser absorbida por la línea. En un TL realizado, solo los graves superiores se cargan en el verdadero sentido del término (es decir, se absorben por completo); los graves bajos pueden irradiar libremente desde el respiradero del recinto. Por lo tanto, la línea funciona efectivamente como un filtro de paso bajo, otro punto de cruce de hecho, logrado acústicamente por la línea y su relleno absorbente. Por debajo de este "punto de cruce", los graves bajos se cargan por la columna de aire formada por la longitud de la línea. La longitud se especifica para invertir la fase de la salida trasera de la unidad de accionamiento cuando sale del respiradero. Esta energía se combina con la salida de la unidad de graves, ampliando su respuesta y creando efectivamente un segundo controlador.
Un conducto para la propagación del sonido se comporta también como una línea de transmisión (por ejemplo, un conducto de aire acondicionado, un silenciador de un automóvil, etc.). Su longitud puede ser similar a la longitud de onda del sonido que pasa a través de él, pero las dimensiones de su sección transversal normalmente son menores que una cuarta parte de la longitud de onda. El sonido se introduce en un extremo del tubo haciendo que la presión en toda la sección transversal varíe con el tiempo. Un frente de onda casi plano viaja por la línea a la velocidad del sonido. Cuando la onda llega al final de la línea de transmisión, el comportamiento depende de lo que esté presente al final de la línea. Hay tres escenarios posibles:
