Altavoces

AL

T A V O C E S

Un altavoz es un transconductor electroacústico que transforma energía eléctrica en acústica. Esta transformación no se lleva a cabo directamente. Primero, estos dispositivos transforman la energía eléctrica en mecánica y luego la energía mecánica en acústica. Partes de un altavoz Según las características anteriores podemos diferenciar las partes del altavoz en: a) Parte electromagnética: constituida por el imán y la bobina móvil. En esta parte, la energía eléctrica llega a la bobina móvil situada dentro del campo magnético y por eso se produce el movimiento de la bobina móvil b) Parte mecánica: formada por el cono y su suspensión. Sobre el cono está montada la bobina móvil, la que al moverse arrastra al cono y lo hace vibrar. c) Parte acústica: es la que transmite al recinto de audición la energía sonora desarrollada por el cono. Clasificación de los altavoces Los altavoces pueden clasificarse de varias maneras, atendiendo los elementos que lo componen y/o a la gama de frecuencias que reproducen.

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Dinámicos Electrodinámicos Según los elementos: Electrostáticos Piezoeléctricos Altavoces de bobina móvil Según los elementos mecánicos: Altavoces de hierro móvil

Según los elementos cartón acústicos:

Altavoces de membrana metálica Altavoces de membrana cónica de Altavoces de aire comprimido

Altavoces de uso general • Según la banda de frecuencias Altavoces para tonos graves que pueden reproducir: Altavoces para frecuencias medias Altavoces para tonos agudos ALTAVOCES

DINÁMICOS

Este tipo de altavoces es el más usado para alta fidelidad. Funcionamiento de los altavoces dinámicos. El imán permanente, cuyo núcleo se introduce en parte dentro de una bobina móvil, es quien transforma la energía eléctrica en mecánica en un altavoz dinámico. Según sea el valor de la corriente AC aplicada a la bobina móvil, se creará un flujo magnético variable en esta, cuya intensidad dependerá de la citada corriente. Como la polaridad del imán no cambia, la bobina móvil será atraída o repelida por el imán, produciéndose la vibración de la bobina de acuerdo con la corriente. La bobina arrastra al cono, haciendo este las compresiones y depresiones del aire en una u otra cara del cono. ALTAVOCES

ELECTRODINÁMICOS

Este tipo de altavoz se basa en los principios del altavoz dinámico pero en lugar de utilizar un imán permanente, este utiliza un electroimán que creará el campo magnético necesario. El electroimán es excitado con la corriente continua de alta tensión que proporciona el circuito rectificador. Este tipo de altavoz está fuera de uso en equipos de alta fidelidad. ALTAVOCES

ELECTROSTÁTICOS

Este tipo de altavoz tiene su principio de funcionamiento basado en la variación de la distancia de las placas de un condensador (variación de capacidad), siendo una fija y otra móvil. Las diferentes tensiones de frecuencia hacen variar la atracción, lo que hace que se mueva el diafragma.

El condensador C tiene por misión el bloque o de la tensión continua de polarización U, ofreciendo una impedancia despreciable a las señales que excitan al altavoz. Este tipo de altavoz puede reproducir una variedad más amplia de frecuencia con relación a los piezoeléctricos. ALTAVOCES

PIEZOELÉCTRICOS

Esta clase de altavoces tiene su principio de funcionamiento basado en las deformaciones que sufren los cristales piezoeléctricos cuando se les aplica una tensión entre sus caras. El voltaje que viene desde el amplificador es aplicado a las caras del cristal por unos electrodos de contacto. Al cristal entrar en movimiento, hace vibrar al cono, al cual está conectado mecánicamente. Este tipo de altavoces no reproduce variedades de frecuencias, por tanto es usado en algunos casos para reproducir tonos agudos en equipos profesionales. CARACTERÍSTICAS

TÉCNICAS DE UN ALTAVOZ

Un altavoz debe seguir ciertas características, dependiendo de su función. Las más importantes son: 1234567-

Impedancia. Frecuencia de resonancia. Respuesta de frecuencia. Potencia admisible. Directividad. Resistencia de la bobina móvil. Campo magnético del imán permanente.

IMPEDANCIA La impedancia de un altavoz depende del tipo y de su forma constructiva. Los factores determinantes de la impedancia de entrada son: a) La resistencia óhmica del hilo de la bobina móvil, dependiente de la longitud, sección y material del hilo. b) La reactancia inductiva de la bobina móvil, dependiente de la frecuencia aplicada y del coeficiente de autoinducción de la misma.

c) Las corrientes inducidas en la bobina móvil, a causa de sus desplazamientos dentro del campo magnético de excitación del imán permanente. Este último factor es el más difícil de mantener constante ya que como la bobina mueve al diafragma y el aire que la rodea, los movimientos estarán condicionados por la forma de la construcción del altavoz. El diseño de un altavoz se debe hacer que afecte lo menos posible a la impedancia, ya que esto puede traer como consecuencia problemas con el transistor amplificador de salida. Para una frecuencia de 1 kHz, la impedancia en los altavoces dinámicos oscila entre 2 y 800 ohmios, dependiendo del diseño, siendo los valores usuales de 4 y 8 ohmios. FRECUENCIA

DE RESONANCIA

La frecuencia de resonancia de un altavoz es la frecuencia material de vibración del cono y de la bobina móvil. La frecuencia de resonancia depende de las características constructivas del altavoz. El valor de frecuencia para la cual la impedancia es máxima es lo que se denomina frecuencia de resonancia. Uno de los factores que más influye en la frecuencia de resonancia es el diámetro del diafragma. La frecuencia de resonancia es inversamente proporcional al diámetro del diafragma. Mientras más pequeño sea este, mayor es la frecuencia de resonancia. También, si un diafragma es muy rígido tiene una fr más elevada que un diafragma suave. RESPUESTA

DE FRECUENCIA

La curva de respuesta de frecuencia de un altavoz nos permite conocer la intensidad sonora proporcionada por el dispositivo para las frecuencias que debe reproducir. Esta curva se obtiene dando para cada frecuencia una potencia igual al altavoz, luego se mide la potencia sonora que da este y se transforma de nuevo en energía eléctrica. Esta se transforma nuevamente en mecánica para impulsar un trazador de curvas. En el inicio de la curva, en las frecuencias bajas se encuentra un máximo. Este es el máximo de la frecuencia de resonancia del diafragma. Luego la curva oscila en grados mayores y/o menores hasta llegar a la frecuencia de corte.

Estas oscilaciones carecen de importancia siempre que entre un pico y un descenso no haya una diferencia mayor de 10 dB. En los altavoces de alta fidelidad se puede exigir que no sea mayor de 5 dB. POTENCIA

ADMISIBLE

La potencia admisible de un altavoz es el valor máximo de potencia que puede aplicarse al dispositivo, durante un corto período de tiempo, sin que este se dañe. Esta potencia no es igual a la potencia de régimen (potencia máxima que puede aplicarse al altavoz de forma continua). La potencia de un altavoz depende de sus dimensiones y forma constructiva.

DIRECTIVIDAD Esta es la propiedad o característica que indica las direcciones a donde es enviada la energía acústica que produce el altavoz, ya que este no las envía en una sola dirección sino en todas las direcciones. Para conocer la direccionalidad o sentido a donde es enviada la energía acústica, se recurre a los diagramas de directividad. Estos diagramas o curvas se hacen para diferentes frecuencias, ya que a medida que la frecuencia aumenta para un mismo diafragma, el altavoz se hace más directivo. RESISTENCIA

DE LA BOBINA MÓVIL.

Esta es la resistencia, en DC, del hilo que constituye el devanado de la bobina móvil. Esta resistencia determina la potencia disipada en calor. Normalmente esta resistencia oscila entre 2 y 8 ohmios, aunque pueden encontrarse con resistencia de bobina móvil más elevada. CAMPO

MAGNÉTICO DEL IMÁN PERMANENTE

El campo magnético del imán permanente depende del material del que está hecho (generalmente Ferroxdure), su diámetro y la densidad de flujo proporcionado por el imán.

La densidad de flujo, es decir el flujo por unidad de superficie, es proporcionada por el fabricante, y se mide en Teslas. La densidad de flujo magnético oscila, para la mayoría de los altavoces, alrededor de 1 Tesla.

ALTAVOCES

ESPECIALES PARA TONOS GRAVES

Este tipo de altavoces se caracteriza por tener una frecuencia de resonancia muy baja, de forma que puedan reproducir las notas más graves de audio. Como se mencionó anteriormente, la frecuencia de resonancia disminuye al aumentar el diámetro, por tanto los altavoces para tonos graves serán los que posean mayores dimensiones. Cuando a un altavoz de tonos graves se le aplica una señal de frecuencia muy baja, todo el cono se mueve, dando un rendimiento excelente para dichas notas. Para casos con frecuencia alta, sólo se mueve una parte periférica a la bobina móvil, y esto hace que el diafragma no se mueva o lo haga muy poco. La curva de respuesta de un altavoz de tonos graves debe tener el máximo por los 20 Hz. La frecuencia de corte puede llegar hasta los 4000 Hz. El diámetro mínimo de los altavoces para graves debe ser 12 pulgadas (30 cm.), aunque hay unidades con dimensiones menores que dan excelentes resultados. Para este tipo de altavoces, el diafragma debe ser rígido pero de suspensión suave. ALTAVOCES

PARA

FRECUENCIAS

MEDIAS

Esta clase de altavoces poseen una respuesta de frecuencia comprendida entre una frecuencia de resonancia no superior a los 200 Hz y una frecuencia de corte comprendida entre los 6 y 8 kHz. Generalmente vienen con diámetros de 5 y 10 pulgadas en altavoces de alta fidelidad.

ALTAVOCES

PARA TONOS AGUDOS

Así como para el altavoz de tono grave el cono es de una dimensión mayor, el cono del altavoz para tonos agudos debe ser menor para que la reproducción sea mejor. La frecuencia de resonancia de esta clase de dispositivos está situada entre los 1000 Hz y los 4000 Hz, con una frecuencia de corte situada en ocasiones por encima de los 20 kHz. Estos altavoces consisten en una unidad de excitación y a trompeta. La unida de excitación está constituida por el circuito magnético o imán permanente, la bobina móvil (de dimensiones relativamente grandes), el diafragma (de dimensiones reducidas). La trompeta está constituida por la cámara sonora y la boca.

ALTAVOCES ELÍPTICOS El altavoz elíptico es el resultado de la combinación de dos altavoces de diámetros diferentes. Así, un altavoz elíptico como el representado en la gráfica equivale a dos altavoces, uno de diámetro “D” para graves y otro de diámetro “d” para agudos. La sección del diafragma es exponencial, con el fin de favorecer la respuesta de altas frecuencias de audio. Este tipo de altavoces no soluciona el problema de reproducir todo tipo de frecuencias por un solo altavoz, pero es muy usado. Es usado en aparatos donde el espacio es reducido y no se exige una reproducción de alta calidad, por ejemplo en televisores, algunos aparatos de radio, etc. Para que este altavoz pueda distribuir de una mejor forma la energía acústica se debe colocar de forma que el diámetro mayor esté en posición vertical. ALTAVOCES COAXIALES Este tipo de altavoces consiste en la reunión de dos o tres altavoces en una sola unidad, montados sobre un mismo eje. El más pequeño reproduce los tonos agudos y el grande reproduce los graves. Así se

consigue una reproducción de una mayor gama de frecuencias en un espacio reducido.

¿Cómo funciona el cono altavoz con las frecuencias?

de

un

La gama de frecuencias que se aplican a un altavoz no hacen moverse al cono de igual forma. Existen unas ondas, llamadas ondas longitudinales que se desplazan a lo largo del cono de papel del altavoz, al igual que sobre la superficie del agua. Si, valga el ejemplo, tenemos una palangana llena de agua y, con la mano "aplastamos" el agua en el centro de la palangana, la onda llega con gran amplitud al borde de la palangana. Si "aplastamos" y "soltamos" alternativamente la mano, produciremos una gran amplitud de la onda de agua, ya sea en la palangana, como en una piscina. Pero si esta operación la hacemos, digamos con un palillo, antes de que las ondas lleguen al borde ya se habrán producido otras que cancelarán a las anteriores. De lo anterior se puede explicar que el gran tamaño del cono exige que la expansión de la banda hacia las bajas frecuencias actúa en perjuicio de las frecuencias altas por la aparición de estas ondas longitudinales a lo largo de la membrana. Se ve como en frecuencias altas NO vibra todo el cono, sino tan sólo una parte del mismo, porción que va reduciéndose a medida que la frecuencia aumenta y queda limitada para las frecuencias más elevadas exclusivamente al contorno de la bobina, motivo por el que en algunas unidades existe unradiador (cono adicional) para las altas frecuencias en el centro del cono.

En definitiva, pues, un cono de grandes dimensiones no es adecuado para reproducir las notas agudas. Potencia Admisible La potencia admisible de un altavoz es otro dato que nunca falta en las características dadas por el fabricante; y hay que tenerlo en cuenta al conectar el altavoz a un amplificador, pues si su potencia excede a la admisible por el altavoz, éste se vería muy pronto perjudicado. Potencia de pico: 18 w. Potencia contínua sin distorsión (RMS): 10 w. Eficiencia o rendimiento: La eficiencia o rendimiento es la relación entre la potencia acústica que radia el altavoz y la potencia eléctrica necesaria para ello. Las cajas acústicas tienen un bajo rendimiento desde el 0,25% hasta un 40-50% que alcanzan los altavoces que incorporan bocinas de gran tamaño y que suelen emplearse en sonorización. En los equipos domésticos, incluso profesionales de alta calidad, la eficiencia de las cajas acústicas viene ser del orden de un 0,5 a 1 %. En realidad no se requiere una gran potencia acústica del altavoz para obtener un elevado volumen sonoro. Por ejemplo, en una sala de, aproximadamente 60 m3 (10 x 3 x 2 m), los picos musicales correspondientes a unos 96 dB de presión sonora deben ser producidos cuando el altavoz esté entregando aproximadamente 0,15 W de potencia acústica. Basándonos en un altavoz de un 1% de eficiencia, la energía de la señal para esta presión sonora estaría alrededor de 15W. Una forma bastante común de especificar la eficiencia es indicar, por ejemplo: "Sensibilidad....... 88 db/w a 1 m." Esto significa que si suministramos 1 watio de potencia eléctrica a esta pantalla acústica y medimos el nivel de presión sonora que hay a un metro de distancia, el resultado son 88 decibelios. ¿Cómo se sonoriza una estancia?

Para sonorizar una estancia hay que tener en cuenta multitud de factores, como son el nivel de ruido que hay, el factor de reverberación, etc. Lo normal es superar el nivel de ruido con 10 dB. Hay que conocer el nivel de sensibilidad del altavoz a utilizar, es decir, el nivel de presión sonora que es capaz de suministrar a 1 m. cuando se le aplica una potencia de 1 vatio. Hay una fórmula que resume todo lo anterior:

Donde NPSd es el nivel de presión sonora que se desea a una distancia d. (Ruido + 10 db). NPS0 es la sensibilidad del altavoz. d es la distancia a considerar. Pot es la potencia del altavoz.

Impedancia La impedancia es la oposición (Resistencia eléctrica) que presenta cualquier elemento o dispositivo al paso de una corriente alterna (sinusoidal), en este caso la fuente de audio es una mezcla de varias frecuencias con lo cual la impedancia no tendrá el mismo valor en todo el rango de frecuencias. La impedancia se expresa en Ohmios. Cómo en los altavoces la impedancia varía en función de la frecuencia, cada modelo de altavoz en sus especificaciones técnicas tendrá la curva con esta relación impedancia-frecuencia. (la impedancia de los altavoces viene dada para una frecuencia concreta que sirva de referencia, generalmente 1 KHz, a menos que el fabricante indique otro valor). Si se quiere obtener una transferencia máxima de energía entre la fuente de sonido (el amplificador) y el altavoz, las impedancias entre ellos deben ser las mismas o en su defecto la mínima aceptada por el amplificador.

Las impedancias normalizadas de los altavoces son 2, 3.2, 4, 6, 8, 16 y 32 ohmios, pero las más utilizadas son 4 en sonido automotriz, 6 para sistemas mini componentes, 8 para los sistemas de alta fidelidad, 16 para sistemas de sonido envolvente (surround) y auriculares. Por ejemplo, un altavoz tiene las siguientes especificaciones técnicas: 

400 W.



100 - 16.000 Hz: Es la respuesta en frecuencia del altavoz.



8 Ω: Es la impedancia nominal del altavoz (a 1 kHz).

Si el valor de impedancia cambiara (y, de hecho, ésta no es constante en todo el rango de frecuencias), cambiaría también la potencia aplicada al altavoz. A saber, se tendrá que aplicar la fórmula:

en la que: 

P=Potencia



V=tensión en los bornes del amplificador



Z=Impedancia

El primer paso para poder aplicar la fórmula es averiguar cuál es el valor de la tensión (en voltios):

Con dicha fuerza electromotriz (E) al cambiar la impedancia del altavoz la potencia cambiará por tanto:

Si cambiamos el altavoz por uno de, por ejemplo 4 Ω (nominal), la nueva potencia sería:

Por tanto la potencia aplicada al nuevo altavoz sería:

Como se puede observar, mayor a la obtenida con el altavoz de 8 Ω, esto puede hacerse siempre y cuando, el amplificador pueda manejar el nuevo nivel de corriente. El mismo razonamiento se puede aplicar para otras impedancias y se verá que la potencia aplicada depende de la impedancia del altavoz. Sensibilidad Es el grado de eficiencia en la transducción electroacústica. Es decir, mide la relación entre el nivel eléctrico de entrada al altavoz y la presión sonora obtenida. Suele darse en dB/W, medidos a 1 m de distancia y aplicando una potencia de 1 W al altavoz (2,83 V sobre 8 Ω). Los altavoces son transductores electroacústicos con una sensibilidad muy pobre. Esto se debe a que la mayor parte de la potencia nominal introducida en un altavoz se disipa en forma de calor. En los altavoces, a diferencia del micrófono, la sensibilidad no es un indicativo de “calidad sonora”, pues la práctica ha demostrado que altavoces de inferior sensibilidad producen mejor “coloración sonora”. Rendimiento El rendimiento mide el grado de sensibilidad del altavoz. Es el porcentaje que indica la relación entre la Potencia acústica radiada y la Potencia eléctrica de entrada. Potencia acústica / potencia eléctrica x 100.

Distorsión El altavoz es uno de los sistemas de audio que presenta mayor distorsión, por lo que los fabricantes no suelen suministrar al consumidor las cifras de distorsión de sus altavoces. La distorsión tiene causas muy variadas: flujo del entrehierro, vibraciones parciales, modulación de frecuencia sobre el diafragma, alinealidad de las suspensiones, etc. La mayor parte de la distorsión se concentra en el segundo y tercer armónico, por lo que afectará en mayor medida a los tonos graves. Se trata de una distorsión en torno al 10%. 



En las medias y altas frecuencias esta distorsión es

proporcionalmente mucho menor y no llega al 1%, aunque en las gargantas de bocinas de alta frecuencia esta distorsión llega hasta un margen de entre 10 y 15%. Potencia Hace referencia a la potencia eléctrica que admite el altavoz (no a la potencia acústica). Es la cantidad de energía (en vatios) que se puede introducir en el altavoz antes de que éste distorsione en exceso o de que pueda sufrir daños. Dentro de la potencia se diferencia entre potencia nominal y potencia admisible. Potencia nominal Potencia máxima, en régimen continuo, que puede soportar el altavoz antes de deteriorarse. Si se hace trabajar al altavoz por encima de esta potencia se podrá dañar irremediablemente el altavoz ya que éste no podrá disipar el calor producido por la corriente eléctrica que circula por la bobina y ésta puede fundir el aislante que recubre el hilo de cobre que la forma, provocando cortocircuitos o cortándose la espalda por fusión del hilo de cobre. La fórmula para obtener la potencia eléctrica de entrada necesaria es:

Potencia media máxima o potencia de régimen Corresponde a la potencia máxima que se puede aplicar al altavoz de forma continua. Determina la potencia máxima que puede disipar la bobina (en forma de calor) sin que ésta se queme por exceso de temperatura. Potencia de pico máximo o potencia admisible Potencia máxima impulsiva (un pico de señal), que puede soportar cada cierto tiempo el altavoz antes de deteriorarse. Corresponde al valor máximo instantáneo de potencia que puede aplicarse durante un tiempo muy corto. Este valor está muy relacionado con otra limitación de los altavoces que es el máximo recorrido de la bobina sin que se destruya el diafragma (este problema se denomina desconado del altavoz). Esta potencia es mayor que la potencia media máxima. Las dos anteriores son quizás las más importantes pero existen otras cuya medida es importante para conocer el comportamiento de los altavoces a corto, mediano y largo plazo.

Se han llegado a crear términos ridículos tales como PMPO (siglas en inglés) por Potencia Máxima Pico de Salida, que es sólo por milésimas de segundo y a 1 KHz. Esto por supuesto produce cifras muy altas que impresionan a los no conocedores de la materia. Esto lo vemos mucho en las especificaciones de equipos compactos caseros y en algunos amplificadores para automóvil.