introducción

El altavoz es el último eslabón en la cadena de audio. Transforma la energía eléctrica que le entrega la etapa de potencia en energía mecánica, y por ello se le llama transductor. Su función es inversa a la de otro conocido transductor: el micrófono, que transforma las ondas sonoras que capta su membrana (energía mecánica) en energía eléctrica que entrega a la etapa preamplificadora.

En principio, la banda de frecuencias audibles por el oído humano abarcan desde los 16 Hz a los 20 kHz, aunque varía con las personas según sus características fisiológicas, y también varía con la edad. A medida que envejecemos, perdemos sensibilidad hacia los extremos del rango, sobre todo de las altas frecuencias.

onda sonora

amplitud

Podemos representar las ondas sonoras mediante un sistema de ejes cartesianos X-Y donde el eje X representa el tiempo y el eje Y representa la amplitud o intensidad de esa onda sonora. En el dibujo representamos una onda senoidal, producida por la vibración en el aire de una lámina metálica. Como toda función periódica, es decir, que se repite en un mismo intervalo de tiempo, llamamos período T al tiempo empleado por la onda en completar un ciclo completo. A la inversa del período se denomina frecuencia (f = 1/T) y viene dado en ciclos/segundo, hercios (Hz) o sencillamente (s^-1) que son segundos elevado a menos uno.

El sonido es un fenómeno físico de naturaleza mecánica. Necesita un medio material para poder propagarse, y lo hace como una vibración en ese medio. Nosotros percibimos el sonido habitualmente a través del aire, que es nuestro medio natural, pero también se propaga en el agua, los muros de nuestra casa, los muebles, y cualquier otra cosa que imaginemos. La velocidad de propagación del sonido es constante para cada medio, y depende de la naturaleza de éste. En el aire a 20ºC la velocidad del sonido es de 343 m/s, y para el agua de mar es de 1504 m/s. Estas velocidades varían con la densidad del medio, y esta propiedad puede variar por la temperatura y presión a la que se halle sometida el medio.

Para medir el nivel sonoro que nosotros percibimos, se emplea mayoritariamente el decibelio (dB) que es una escala logarítmica y es la décima parte del Belio (B). ¿Por qué se utiliza una escala logarítmica? Porque se ha podido comprobar que el oído humano, en cuanto a la forma de percibir un nivel sonoro, su intensidad, corresponde de forma más parecida a una escala logarítmica que a una escala lineal. Por ejemplo, si reprodujéramos un sonido con una potencia de 1w en nuestro equipo hi-fi y asignamos ese nivel sonoro a un número arbitrario, por ejemplo el 1, y a continuación elevamos la potencia a 2w, tendríamos la sensación de que habríamos doblado el nivel sonoro, que en decibelios sería ahora igual a 4; habríamos aumentado en 3 dB el nivel sonoro original. Para volver a incrementar en otros tres dB la sensación sonora, a un valor igual a 7 en nuestra escala,  necesitaríamos multiplicar por dos la potencia en watios.  Por esta misma razón, los potenciómetros de volumen de nuestros amplificadores se ajustan a una escala logarítmica. Para las potencias, la escala logarítmica sigue la expresión dB = 10 log (P2/P1) donde P2 y P1 son las potencias que queremos comparar. Para las tensiones e intensidades, se utiliza la expresión dB = 20 log (V2/V1) o bien dB = 20 log (I2/I1).

Doblar la potencia entregada por un amplificador significa elevar el nivel sonoro en 3 dB. Según la expresión anterior:  dB = 10 log (P2/P1) = 10 log 2 = 3 dB. Si doblamos la tensión entregada por el amplificador obtenemos un incremento de 6 dB por la expresión dB = 20 log (V2/V1) = 20 log 2 = 6 dB. Sólo hay que tener claro cuando aplicar el factor 10 ó 20 en la expresión. Recordemos que para potencias el factor es 10 y para tensiones e intensidades el valor es 20. ¿Por qué razón? Muy sencillo, como sabemos, la potencia eléctrica viene dada por la expresión:

potencia electrica
decibelio

Para medir el nivel de presión sonora, utilizamos la misma escala en decibelios, tomando como punto de referencia el nivel de 0 decibelios, que es el nivel de percepción del oido humano. Podemos considerar el nivel de percepción, por ejemplo, en el ruido que hace la hoja de un árbol al caer. Asignamos a este valor 0 decibelios, y vamos midiendo los diferentes valores a los diferentes eventos, y podemos obtener una escala de valores que denominamos nivel de presión sonora (en inglés SPL, Sound Pressure Level)

nivel de presión sonora (SPL) en decibelios (dB)

caída de una hoja (umbral de percepción sonora)

0

murmullo de las hojas de un árbol

10

conversación en voz baja

20

radio a nivel moderado en casa 40
coche a marcha moderada 50
conversación ordinaria 65
calle con mucho tráfico 70
martillo neumático 90
umbral de sensación dolorosa 120

El altavoz


El altavoz moderno, tal como lo conocemos, es relativamente reciente. El tipo más extendido, y el que más se utiliza en sistemas hi-fi es el altavoz dinámico.

partes de un altavoz 1.- Cono o diafragma
2.- Campana
3.- Yugo
4.- Imán permanente
5.- Bobina móvil
6.- Araña
7.- Tapa de retención de polvo
8.- Hilos de conexión de la bobina
9.- Bornes de conexión

La impedancia del altavoz habitualmente es de 4 a 8 ohmios. No confundir la impedancia con la resistencia. La impedancia es la resistencia que ofrece el altavoz al paso de una señal senoidal de 1 kHz, mientras que su resistencia es la que mediríamos mediante un óhmetro entre sus bornas de conexión.

El altavoz moderno parte de las investigaciones de Edgar Villchur, que en 1954 preconiza el uso de cajas acústicas para extender las frecuencias bajas, encerrando el altavoz en un recinto cerrado. Un año después, la empresa Acoustic Research introduce en el mercado el modelo AR-1W que emplea el principio de suspensión acústica. Posteriormente, a principios de los años 60 Neville Thiele publica "Loudspeakers in Vented Boxes", y junto con Richard Small, ambos ingenieros australianos, establecen los métodos de estudio de los altavoces y los recintos o cajas donde se hallan enclavados. El uso de las cajas bass-reflex (vented box) se inició a principios de los 70 como consecuencia de la aplicación de las teorías de Thiele-Small.

Todos los instrumentos musicales, y la voz humana, se halla dentro del rango audible, y ocupa los rangos o regiones del espectro que le corresponden. De todos los instrumentos musicales, el piano ocupa todo el rango de frecuencias, y no en vano se toma a menudo como elemento de prueba o muestra de un equipo hi-fi por este motivo.

rango audible
rango audible

Para cubrir todo el espectro audible, un sólo altavoz no es suficiente. Debido a las características de los altavoces, y la tecnología conocida hoy día, se necesitan al menos dos altavoces o drivers para reproducir todo el rango de frecuencias audibles con una fidelidad aceptable, de modo que uno se encargue de las frecuencias más bajas y el otro de las más altas. Podemos dividir en mayor número de tramos este rango en tres, o incluso cuatro tramos, y destinar a cada uno de ellos un tipo de altavoz diferente. A cada uno de estos tramos se denomina vía, y así existen altavoces (cajas) de 2, 3 ó 4 vías dependiendo del número de tramos en que se ha dividido el espectro. No tiene por qué coincidir con el número de altavoces que tenga la caja. Podemos poner 2 altavoces para los graves y un altavoz para los agudos, y será un sistema de 2 vías con tres altavoces. Atendiendo a la gama de frecuencias que el altavoz es capaz de reproducir, los altavoces o drivers pueden dividirse en:

  • woofer (graves)
  • midrange (medios)
  • tweeter (agudos)

Pero existen altavoces de otros tipos, tales como subwoofers, midbass, etc., que cubren otros tramos de frecuencias y que se utilizan en sistemas multivía.

woofer
woofer

midbass
midbass

midrange
midrange

tweeter
tweeter

Para poder distribuir correctamente la energía que se entrega a la caja, hay que dividir la señal que llega a la misma al tipo de señal que cada altavoz requiere. De otra forma estaríamos desperdiciando la energía, o incluso dañaríamos algún altavoz. Para lograr esto, se recurre al crossover, que es un filtro que deja pasar cierto rango de frecuencias con más facilidad que otros. La complejidad de estos sistemas, hace necesario el estudio de los mismos en capítulo aparte.

No todos los altavoces, dentro de la misma gama de potencia,  reproducen una misma señal a un mismo nivel sonoro (SPL). Depende de la sensibilidad del altavoz. La mayoría de los altavoces se mueven en el rango de los 80-100 dB w/m. La unidad w/m nos indica el nivel sonoro del mismo cuando reproduce 1w de señal de entrada a la distancia de 1 metro del oyente. A mayor sensibilidad del altavoz, mayor es la sensación sonora que proporciona. Esta consideración es de vital importancia a la hora de elegir los altavoces correctos para un equipo dado. Un amplificador single-ended a triodo, suele ofrecer una potencia de salida de 5 a 10 watios. Si elegimos unos altavoces con una sensibilidad adecuada, el nivel sonoro puede ser equivalente a un equipo de 60w con altavoces menos sensibles. Cada 3 dB de aumento en la sensibilidad, exige la mitad de potencia para ofrecer el mismo nivel sonoro. Ofrece el mismo nivel sonoro un amplificador de 5w con altavoces de 100 dB/w/m que otro amplificador de 80w con altavoces de 88 dB/w/m. Por ello es muy importante elegir la sensibilidad de acuerdo al amplificador. Mi amplificador tiene una potencia de 30w y los altavoces una sensibilidad de 86 dB/w/m. Si quisiera obtener el mismo SPL con un amplificador de 9w, tendría que poner unos altavoces de 91 dB/w/m. El cálculo del incremento en dB es muy sencillo:

decibelio

esta cantidad la sumamos a los 86 dB/w/m y obtenemos 91 dB/w/m.

Parámetros de Thiele-Small

Gracias a los parámetros Thiele-Small de un altavoz, se puede predecir cual será la respuesta del mismo en varias cajas diferentes. Los parámetros más importantes son los siguientes:

Parámetros de pequeña señal:

  • Frecuencia de resonancia al aire libre del altavoz F(s).- Es la frecuencia del driver cuando está al aire libre, no ubicado en una caja. Es la frecuencia natural que se puede oir cuando se golpea suavemente el cono del altavoz. Una F(s) típica de woofer está en torno a los 20-80 Hz, los midranges se mueven hacia los 300 Hz, y los tweeters tienen F(s) alrededor de 1 kHz. Normalmente, F(s) coincide con la frecuencia más baja que el altavoz es capaz de reproducir.

  • Q total del altavoz Q(ts).- Se calcula mediante la Q(ms) y Q(es) que son las Q mecánica y Q eléctrica del driver correspondiente. Indica cómo de "aguda" es la gráfica de respuesta de frecuencia del altavoz cuando se sitúa en una caja cerrada. Cuanto mayor es Q(ts), la gráfica de respuesta presentará un pico mayor que si Q(ts) fuera menor. 

  • Volumen equivalente de suspensión del altavoz V(as).- . Indica el volumen de aire que tendría una rigidez equivalente a la de la suspensión del altavoz cuando se comprime con un pistón cuyo tamaño es igual al del cono del altavoz.

Parámetros de gran señal:

  • Potencia máxima, térmicamente limitada P(t).- Representa la máxima potencia que se puede aplicar a un altavoz de forma contínua sin que se llegue a deteriorar debido a sobrecalentamiento excesivo. 

  • Potencia máxima, mecánicamente limitada P(er).- Este parámetro no puede determinarse hasta que el altavoz no se ponga en una caja y depende no solamente de la caja, sino también de la frecuencia de la señal que inyectemos. Un sistema podría manejar perfectamente una señal de 300 Hz, pero podría estar muy limitado para manejar otra de 50 Hz, debido a una excesiva excursión del cono del altavoz.

  • Límite de excursión lineal X(max).- Indica hasta donde puede desplazarse el cono del altavoz antes de que la bobina salga fuera del entrehierro magnético (magnetic gap). Si el cono se desplaza más de lo debido, se incrementa la distorsión del sistema.

  • área del pistón S(D).- Es el área efectiva del cono del altavoz, medido desde el diámetro medio (punto medio) del surround, que es ese material muy blando que une el cono con el aro de chapa exterior del altavoz.

  • Volumen de desplazamiento V(D).- Multiplicando el área del pistón S(D) por la excursión máxima X(max) se obtiene el volumen de desplazamiento del altavoz V(D) y es un indicativo de la más baja frecuencia que el altavoz puede reproducir.


BIBLIOGRAFíA

  • "Introduction to Loudspeaker Desing" - John L. Murphy . True Audio, 1998 - USA.
  • "Manual de baffles y altavoces".- Francisco Ruiz Vassallo. Ed. Ceac
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