Un sistema bass reflex (también conocido como caja con puerto , caja ventilada o puerto reflex ) es un tipo de caja de altavoz que utiliza un puerto (orificio) o ventilación cortado en el gabinete y una sección de tubo o caño fijado al puerto. [1] [2] Este puerto permite que el sonido del lado trasero del diafragma aumente la eficiencia del sistema a bajas frecuencias en comparación con un altavoz típico de caja sellada o cerrada o un montaje de deflector infinito.
Un puerto reflex 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 conductos montados en la parte frontal ( deflector ) o trasera de la caja. Dependiendo de la relación exacta entre los parámetros del controlador , el volumen de la caja (y el relleno, si lo hubiera) y la sección transversal y la longitud del tubo, la eficiencia se puede mejorar sustancialmente en comparación con el rendimiento de una 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 (típicamente de sección transversal circular o rectangular). [3] [4] La masa de aire en esta abertura resuena con la "elasticidad" del aire dentro del gabinete 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 usa a menudo es pensar en el aire como un resorte o una banda de goma. 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 gabinete y la velocidad del sonido en el aire. En los primeros años de los altavoces con puerto, los diseñadores de altavoces tuvieron que hacer una experimentación exhaustiva 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 de caja determinado, 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 la caja suena bien.
Si esta resonancia de la masa de aire de ventilación/resistencia del aire de la caja se elige de modo que se encuentre más baja en frecuencia que la frecuencia de resonancia natural del controlador de graves, ocurre un fenómeno interesante: la onda posterior de la emisión de sonido del controlador de graves se invierte en polaridad para el rango de frecuencia entre las dos resonancias. [3] Dado que la onda posterior ya está en polaridad opuesta con respecto a la onda frontal, esta inversión pone las dos emisiones en fase (aunque la emisión de ventilación está retrasada por un período de onda) y, por lo tanto, se refuerzan mutuamente. Esto tiene el propósito útil de producir una salida más alta (para cualquier excursión dada del controlador en comparación con una caja cerrada) o, por el contrario, una salida similar con una excursión más pequeña (lo que significa menos distorsión del controlador). La penalización que se incurre por este refuerzo es la distorsión temporal: en esencia, la resonancia de ventilación aumenta la salida del controlador principal al imponerle una "cola resonante". Para frecuencias superiores a la resonancia natural del controlador, la alineación refleja no tiene influencia. Para frecuencias inferiores a la resonancia de ventilación, no se logra la inversión de polaridad y se produce la cancelación de la onda posterior. Además, el conductor se comporta como si estuviera suspendido en el aire, ya que no hay amortiguación neumática en la caja.
Cuando los altavoces están diseñados para uso doméstico o para entornos de actuación en directo de alto volumen (por ejemplo, con cajas acústicas de amplificadores de graves y altavoces y subwoofers de sistemas de megafonía ), los fabricantes suelen tener en cuenta las ventajas de la portabilidad (mayor respuesta de graves, menor respuesta de graves, mejora de la eficiencia) para compensar las desventajas (ruido de puerto, problemas de resonancia). El diseño es popular entre consumidores y fabricantes (las cajas acústicas pueden ser más pequeñas y ligeras, para un rendimiento más o menos equivalente), pero el aumento de la salida de graves requiere una correspondencia estrecha del controlador, el recinto y el puerto. Los diseños de reflejo mal emparejados pueden tener características o inconvenientes desafortunados, que a veces los hacen inadecuados para entornos que requieren una alta precisión y neutralidad del sonido, por ejemplo, altavoces de monitor de estudio para uso de ingenieros de audio en instalaciones de monitorización, estudios de grabación, etc. Sin embargo, es posible diseñar un sistema de reflejo de bajos que supere en su mayoría estos inconvenientes; y es habitual encontrar diseños de reflejo de bajos de calidad en entornos exigentes de todo el mundo.
Los radiadores pasivos funcionan de manera similar a los sistemas bass reflex con puerto, y ambos métodos se utilizan por la misma razón: para ampliar la respuesta de baja frecuencia del sistema. [5] [6] Un radiador pasivo es el uso de uno o más conos adicionales (diafragmas) en un gabinete en lugar de puertos. Estos diafragmas pasivos no tienen un imán o bobina móvil y no están conectados a un amplificador de potencia . Acústicamente, se comportan en gran medida de la misma manera alrededor de su frecuencia de sintonización que un puerto, ya que también actúan como un resonador de Helmholtz excitado por el lado trasero del diafragma del controlador de graves. Los radiadores pasivos se pueden sintonizar 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 sería poco práctico. También evitan las resonancias de tubo de rango medio que pueden ser un problema en los gabinetes con puerto en sistemas de rango completo. [7] Sin embargo, para ser eficaces, requieren una superficie mucho mayor en el exterior del gabinete que un tubo de puerto. También son considerablemente más caros que un tubo de puerto, ya que son en realidad un controlador de altavoz sin su bobina móvil ni su imán de motor.
El efecto de los diversos parámetros de los altavoces, tamaños de los recintos y dimensiones de los puertos (y conductos) en el rendimiento de los sistemas bass reflex no se comprendió 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 las bases teóricas para la síntesis de sistemas de altavoces bass reflex para cumplir con los criterios de rendimiento de baja frecuencia especificados y se desarrollaron en una serie de "alineaciones" ( conjuntos de los parámetros de altavoz relevantes ) que permitieron a los diseñadores producir respuestas útiles y predecibles. Keele [16] amplió las opciones de diseño al presentar un nuevo conjunto de alineaciones de sistemas de altavoces de caja ventilada de sexto orden. Todos estos resultados hicieron posible que los fabricantes de altavoces diseñaran altavoces bass reflex para que se adaptaran a varios tamaños de recintos y para adaptar los recintos a altavoces determinados con gran previsibilidad. Debido a las limitaciones electromecánicas físicas, no es posible tener un altavoz pequeño en un gabinete pequeño que produzca una respuesta de graves extendida con eficiencias altas (es decir, que requiera solo 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 que J. Anton Hofmann de KLH (con Henry Kloss ) hizo años antes del trabajo de Edgar Villchur . La presión sonora producida depende de la eficiencia del altavoz, la capacidad de manejo de potencia mecánica o térmica del controlador, la potencia de entrada y el tamaño del controlador.
Novak [2] concluyó que un recinto bass reflex puede tener una mayor salida acústica para una cantidad dada de distorsión, menor intermodulación armónica total y distorsión transitoria que una caja completamente cerrada de tamaño similar. Un sistema resonante de este tipo aumenta la respuesta de graves del parlante y, si se diseña correctamente, puede extender la respuesta de frecuencia de la combinación parlante/recinto por debajo del rango que el parlante reproduciría en una caja sellada de tamaño similar. La resonancia del recinto tiene un beneficio secundario, ya que limita el movimiento del cono en una banda de frecuencias centrada alrededor de la frecuencia de sintonización, lo que reduce la distorsión en ese rango de frecuencia. Los sistemas de recinto con puerto son más económicos que un altavoz con radiador pasivo con el mismo rendimiento; mientras que un sistema con radiador pasivo requiere uno o dos altavoces de "cono de zumbido", un sistema con puerto requiere solo un orificio o puerto y una longitud 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 decaimiento más largos asociados con las notas graves. [4] Algunos ejemplos de respuestas de paso para varias funciones de filtro de paso alto se muestran en la figura relevante, donde cada filtro tiene una frecuencia de corte idéntica de -3 dB de 50 Hz. En esa figura, (a) representa la respuesta de paso de una alineación de caja ventilada B4 convencional, mientras que (b) representa la respuesta de paso de una alineación de caja cerrada B2 con Q = 0,7071. La respuesta transitoria de un altavoz de caja ventilada se puede mejorar eligiendo una alineación QB3 similar a (c), que da como resultado una respuesta transitoria más 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 menos amortiguada.
Para lograr su salida de graves, los recintos de altavoces con puerto alternan dos resonancias: una del controlador y el aire de la caja, y otra del aire de la caja y el puerto. En la frecuencia de sintonización de la ventilación, la salida del puerto es la fuente principal de salida de sonido, ya que el desplazamiento del woofer es mínimo. Esto comprende un sistema más complejo y de orden superior que un recinto de altavoz de caja cerrada equivalente. La interacción entre las dos resonancias da como resultado un sistema que posee menos amortiguación y mayor retardo temporal (mayor retardo de grupo ). Debido a esto último, una respuesta de graves plana y de estado estable no ocurre al mismo tiempo que el resto de la salida sónica a frecuencias más altas en la región operativa. En cambio, comienza más tarde (se retrasa) y el retraso aumenta, acumulándose con el tiempo como una "cola" resonante bastante larga que llega detrás del "cuerpo" principal de la señal acústica. Como resultado de sus características electrodinámicas, los gabinetes con puertos, que se aproximan bien a los sistemas de filtro de paso alto de cuarto orden, generalmente resultan en una respuesta transitoria más pobre a bajas frecuencias que los sistemas de altavoces de caja cerrada, que son sistemas de filtro de paso alto de segundo orden.
Otra desventaja de este aumento es que, a frecuencias inferiores a la frecuencia de sintonización del respiradero, el puerto descarga el cono y le permite moverse con desplazamientos muy grandes. Esto significa que el altavoz puede funcionar más allá de sus límites de funcionamiento mecánicos seguros a frecuencias inferiores a la frecuencia de sintonización con mucha menos potencia que en un recinto sellado de tamaño equivalente. Por esta razón, los sistemas de alta potencia que utilizan un diseño de reflejo de bajos a menudo están protegidos por un filtro de paso alto que elimina las señales por debajo de la frecuencia de sintonización del respiradero. Desafortunadamente, el filtrado eléctrico agrega más retardo de grupo dependiente de la frecuencia. Incluso si dicho filtrado se puede ajustar para no eliminar el contenido musical, puede interferir con la información sonora relacionada con el tamaño y el ambiente de la ubicación o el lugar de grabación, información que a menudo existe en el espectro de graves bajos. [17] [18]
Sigue siendo tema de debate si los efectos de estos sistemas son audibles o no en un sistema bien diseñado. Un sistema bass reflex mal diseñado, generalmente uno cuyo respiradero está incorrectamente sintonizado demasiado alto o demasiado bajo en frecuencia, 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 agregar una calidad de una nota "retumbante" a la reproducción de las frecuencias bajas. Aunque algunos pueden considerar que esto se debe a que la resonancia del puerto impone sus características a la nota que se está tocando, es simplemente el resultado de una función de respuesta de frecuencia no máximamente plana. Si un pico de este tipo 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 de sintonización de un puerto, menos objetables serán estos problemas.
Los puertos se colocan a menudo en el deflector frontal y, por lo tanto, pueden permitir la transmisión de frecuencias medias no deseadas reflejadas desde el interior de la caja hacia el entorno de escucha. Si es de tamaño insuficiente, un puerto también puede generar "ruido de viento" o sonidos de "resoplado", 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 que puedan funcionar como se espera. Algunos fabricantes incorporan un puerto orientado hacia el piso 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. [20] [21] [22] A medida que un sistema con puerto reproduce más alto, la eficiencia del puerto se reduce y la distorsión emitida por el puerto aumenta. Esto se puede reducir mediante el diseño del puerto, pero no eliminar por completo. [23] 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 un elemento estructural de refuerzo del gabinete.
Los subwoofers que se utilizan en los sistemas de cine en casa y de refuerzo de sonido suelen estar equipados con puertos o rejillas de ventilación. Los altavoces de los amplificadores de bajos y de los amplificadores de teclado , que tienen que reproducir sonidos de baja frecuencia de hasta 41 Hz o menos, suelen estar fabricados con puertos o rejillas de ventilación, que suelen estar en la parte delantera del altavoz (aunque también se colocan en la parte trasera). Incluso algunos altavoces de alta fidelidad caros tienen puertos cuidadosamente diseñados.