Un woofer o altavoz de graves es un término técnico para un controlador de altavoz diseñado para producir sonidos de baja frecuencia , típicamente desde 20 Hz hasta unos pocos cientos de Hz. El nombre proviene de la palabra onomatopéyica inglesa para el ladrido profundo de un perro, " woof " [1] (en contraste con un tweeter , el nombre utilizado para los altavoces diseñados para reproducir sonidos de alta frecuencia, derivado de los agudos llamados de los pájaros, " tuits "). El diseño más común para un woofer es el controlador electrodinámico , que generalmente utiliza un cono de papel rígido , impulsado por una bobina móvil rodeada por un campo magnético .
La bobina móvil está unida mediante adhesivos a la parte posterior del cono del altavoz. La bobina móvil y el imán forman un motor eléctrico lineal . Cuando la corriente fluye a través de la bobina móvil, la bobina se mueve en relación con el marco de acuerdo con la regla de la mano izquierda de Fleming para motores , lo que hace que la bobina empuje o tire del cono del altavoz como si fuera un pistón. El movimiento resultante del cono crea ondas sonoras a medida que entra y sale.
A niveles de presión sonora (SPL) ordinarios, la mayoría de los humanos pueden oír hasta unos 20 Hz. [2] Los woofers se utilizan generalmente para cubrir las octavas más bajas del rango de frecuencia de un altavoz. En los sistemas de altavoces de dos vías, los controladores que manejan las frecuencias más bajas también están obligados a cubrir una parte sustancial del rango medio, a menudo tan alto como 800 a 1000 Hz; dichos controladores se denominan comúnmente woofers medios . Desde la década de 1990, un tipo de woofer que está diseñado solo para frecuencias muy bajas, el subwoofer , se ha utilizado comúnmente en sistemas de cine en casa y sistemas de PA para aumentar la respuesta de graves ; los subwoofers generalmente manejan las dos o tres octavas más bajas (es decir, desde tan solo 20 a 80 o 120 Hz).
Un buen diseño de woofers requiere convertir eficazmente una señal de amplificador de baja frecuencia en movimiento mecánico de aire con alta fidelidad y una eficiencia aceptable, y se ve a la vez ayudado y complicado por la necesidad de utilizar una caja de altavoz para acoplar el movimiento del cono al aire. Si se hace bien, se reducen muchos de los otros problemas del diseño de woofers (por ejemplo, los requisitos de excursión lineal).
En la mayoría de los casos, el woofer y su caja deben estar diseñados para funcionar juntos. Por lo general, la caja está diseñada para adaptarse a las características del altavoz o altavoces utilizados. El tamaño de la caja es una función de las longitudes de onda más largas (frecuencias más bajas) que se van a reproducir, y la caja del woofer es mucho más grande que la necesaria para las frecuencias medias y altas .
Una red de cruce , pasiva o activa, filtra la banda de frecuencias que deben manejar el woofer y otros altavoces. Normalmente, se espera que el sistema de cruce y altavoces, incluido el woofer, convierta la señal eléctrica suministrada por el amplificador en una señal acústica de forma de onda idéntica sin otra interacción entre el amplificador y los altavoces, aunque a veces el amplificador y los altavoces se diseñan juntos y los altavoces suministran retroalimentación negativa para corregir la distorsión al amplificador.
Existen muchos desafíos en el diseño y la fabricación de woofers. La mayoría tienen que ver con el control del movimiento del cono para que la señal eléctrica que llega a la bobina móvil del woofer se reproduzca fielmente mediante las ondas sonoras producidas por el movimiento del cono. Los problemas incluyen la amortiguación del cono de forma limpia sin distorsión audible para que no siga moviéndose, lo que provoca un zumbido cuando la señal de entrada instantánea cae a cero en cada ciclo, y la gestión de excursiones altas (normalmente necesarias para reproducir sonidos fuertes) con baja distorsión. También existen desafíos a la hora de presentar al amplificador una impedancia eléctrica que no esté demasiado lejos de ser constante en todas las frecuencias.
Una versión temprana del diseño de gabinete bass-reflex, ampliamente utilizado en la actualidad, fue patentada por Albert L. Thuras de Bell Laboratories en 1932. [3]
En 1965, Sennheiser Electronics presentó el sistema de sonido Philharmonic, que utilizaba la electrónica para superar algunos de los problemas que enfrentan los subsistemas de woofer ordinarios. Agregaron un sensor de movimiento al woofer y utilizaron la señal correspondiente a su movimiento real para retroalimentar como entrada de control a un amplificador especialmente diseñado. Si se hace con cuidado, esto puede mejorar el rendimiento (tanto en "estrechez" como en la extensión del rendimiento de baja frecuencia) considerablemente a expensas de la flexibilidad (el amplificador y el altavoz están unidos permanentemente) y el costo. En los EE. UU., LW Erath, un ingeniero de la industria petrolera, presentó una línea de altavoces de alta gama en líneas muy similares.
A medida que los costos de la electrónica han disminuido, se ha vuelto común tener woofers equipados con sensores en "sistemas de música" económicos, equipos de música o incluso sistemas de audio para automóviles. Esto generalmente se hace en un intento de obtener un mejor rendimiento de parlantes económicos o de tamaño insuficiente en cajas livianas o mal diseñadas. Este enfoque presenta dificultades ya que no toda la distorsión se puede eliminar utilizando técnicas servo , y una caja mal diseñada puede anular los beneficios de cualquier intento de corrección electrónica.
Debido a que las características de un altavoz se pueden medir y, en gran medida, predecir, es posible diseñar circuitos especiales que compensen en cierta medida las deficiencias de un sistema de altavoces.
En la mayoría de aplicaciones de amplificación de sonido y megafonía se utilizan técnicas de ecualización . En este caso, el problema no es principalmente la reproducción de alta fidelidad, sino la gestión del entorno acústico. En este caso, la ecualización debe ajustarse individualmente para que coincida con las características particulares de los sistemas de altavoces utilizados y la sala en la que se utilizan.
Las técnicas informáticas, en particular el procesamiento digital de señales (DSP), permiten un cruce de frecuencias de mayor precisión. Mediante el uso de la respuesta finita al impulso (FIR) y otras técnicas digitales, los cruces de frecuencias para un sistema biamplificado o triamplificado se pueden lograr con una precisión que no es posible con filtros analógicos, ya sean pasivos o activos. Además, se pueden remediar al mismo tiempo muchas peculiaridades de los controladores (incluidas las variaciones individuales), como en los diseños recientes de Klein y Hummel. Este enfoque es complejo y, por lo tanto, no es probable que se utilice en equipos de menor costo.
Todos los materiales de los conos tienen ventajas y desventajas. Las tres propiedades principales que buscan los diseñadores en los conos son el peso ligero, la rigidez y la falta de coloración (debido a la ausencia de zumbido ). Los materiales exóticos como el kevlar y el magnesio son ligeros y rígidos, pero pueden tener problemas de zumbido, dependiendo de su fabricación y diseño. Los materiales como el papel (incluidos los conos de papel recubierto) y varios polímeros generalmente sonarán menos que los diafragmas de metal, pero pueden ser más pesados y no tan rígidos. Ha habido woofers buenos y malos hechos con todo tipo de material de cono. Casi todo tipo de material se ha utilizado para los conos, desde fibra de vidrio, fibra de bambú, hasta sándwiches de panal de aluminio expandido y conos de plástico cargados con mica .
El marco, o cesta, es la estructura que mantiene el cono, la bobina móvil y el imán en la alineación adecuada. Dado que el espacio entre la bobina móvil es bastante estrecho (las holguras suelen ser de unas pocas milésimas de pulgada), la rigidez es importante para evitar el roce de la bobina móvil contra la estructura del imán en el espacio y también para evitar movimientos extraños. Hay dos tipos principales de marcos de metal, estampados y fundidos. Las cestas estampadas (normalmente de acero) son una opción más económica. La desventaja de este tipo de marco es que la cesta puede flexionarse si el altavoz se activa a un volumen alto, ya que solo presenta resistencia a la flexión en determinadas direcciones. Las cestas fundidas son más caras, pero suelen ser más rígidas en todas las direcciones, tienen una mejor amortiguación (lo que reduce su propia resonancia), pueden tener formas más intrincadas y, por tanto, suelen preferirse para los altavoces de mayor calidad.
Una especificación importante del woofer es su potencia nominal, la cantidad de potencia que el woofer puede manejar sin sufrir daños. La potencia nominal eléctrica no se caracteriza fácilmente y muchos fabricantes citan potencias máximas alcanzables solo por momentos muy breves sin sufrir daños. Las potencias nominales del woofer se vuelven importantes cuando el altavoz se lleva al extremo: aplicaciones que requieren una salida alta, condiciones de sobrecarga del amplificador, señales inusuales (es decir, no musicales), frecuencias muy bajas en las que el gabinete proporciona poca o ninguna carga acústica (y por lo tanto habrá una excursión máxima del cono) o falla del amplificador. En situaciones de alto volumen, la bobina móvil de un woofer se calentará, aumentará su resistencia y provocará una "compresión de potencia", una condición en la que el nivel de potencia de sonido de salida disminuye después de una actividad prolongada de alta potencia. Un calentamiento adicional puede distorsionar físicamente la bobina móvil, causando raspaduras, cortocircuitos debido al deterioro del aislamiento del cable u otros daños eléctricos o mecánicos. La energía de impulso repentino puede derretir una sección del cable de la bobina móvil, lo que provoca un circuito abierto y un woofer muerto; el nivel necesario variará según las características del controlador. En aplicaciones de música con un nivel de escucha normal, la potencia eléctrica nominal de los woofers generalmente no es importante; sigue siendo importante para los controladores de frecuencias más altas.
Existen tres tipos de manejo de potencia en los controladores de altavoces, incluidos los woofers: térmico (calor), eléctrico (ambos tratados anteriormente) y mecánico. El límite de manejo de potencia mecánica se alcanza cuando la excursión del cono se extiende hasta su límite máximo. Los límites de manejo de potencia térmica se pueden alcanzar cuando se suministran niveles de potencia bastante altos a un woofer durante demasiado tiempo, incluso si no se superan los límites mecánicos en ningún momento. La mayor parte de la energía aplicada a la bobina móvil se convierte en calor, no en sonido; todo el calor finalmente pasa a la pieza polar, al resto de la estructura del imán y al marco. Desde la estructura del woofer, el calor finalmente se disipa en el aire circundante. Algunos controladores incluyen disposiciones para una mejor refrigeración (por ejemplo, piezas polares magnéticas ventiladas, estructuras dedicadas a la conducción de calor) para reducir el aumento de las temperaturas de la bobina/imán/marco durante el funcionamiento, especialmente en condiciones de alto nivel de potencia. Si se aplica demasiada potencia a la bobina móvil en comparación con su capacidad para disipar el calor, eventualmente superará una temperatura máxima segura. Los adhesivos pueden derretirse, el formador de la bobina móvil puede derretirse o deformarse, o el aislamiento que separa los devanados de la bobina móvil puede fallar. Cada uno de estos eventos dañará el woofer, tal vez hasta el punto de que ya no podrá utilizarse.
Los woofers diseñados para sistemas de megafonía (PA) y aplicaciones de amplificadores de instrumentos son similares en su composición a los woofers de audio domésticos, excepto que suelen estar diseñados de forma más resistente. Por lo general, las variaciones de diseño incluyen: gabinetes construidos para envíos y manipulaciones repetidos, conos de woofer más grandes para permitir niveles de presión sonora más altos, bobinas móviles más robustas para soportar mayor potencia y mayor rigidez de la suspensión. En general, se puede esperar que un woofer doméstico utilizado en una aplicación de PA/instrumento falle más rápidamente que un woofer de PA/instrumento. Por otro lado, un woofer de PA/instrumento en una aplicación de audio doméstico no tendrá la misma calidad de rendimiento, particularmente a volúmenes bajos. Un woofer de PA no producirá la misma alta fidelidad audible, que es el objetivo del audio doméstico de alta calidad debido a esas diferencias. [ cita requerida ]
Los woofers de los sistemas de megafonía suelen tener una alta eficiencia y una gran capacidad de manejo de potencia. La contrapartida de una alta eficiencia a un coste razonable suele ser una capacidad de excursión relativamente baja (es decir, la incapacidad de moverse "hacia dentro y hacia fuera" tan lejos como pueden hacerlo muchos woofers domésticos), ya que están pensados para bocinas o recintos de reflejo de gran tamaño. Por lo general, tampoco son adecuados para una respuesta de graves baja prolongada, ya que la última octava de respuesta de baja frecuencia aumenta considerablemente el tamaño y el coste, y resulta cada vez más antieconómico intentarlo a niveles altos como en una aplicación de megafonía. Un woofer estéreo doméstico, debido a que se utiliza a volúmenes relativamente bajos, puede ser capaz de manejar frecuencias muy bajas. Debido a esto, la mayoría de los woofers de megafonía no son adecuados para su uso en aplicaciones domésticas de alta fidelidad y alta calidad, y viceversa.
A niveles de presión sonora normales , [2] la mayoría de los seres humanos pueden oír hasta unos 20 Hz. Para reproducir con precisión los tonos más bajos, un woofer, o un grupo de woofers, debe mover un volumen de aire adecuadamente grande, una tarea que se vuelve más difícil a frecuencias más bajas. Cuanto más grande sea la habitación, más aire tendrá que desplazar el woofer para producir la potencia de sonido necesaria a bajas frecuencias.
