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ALTAVOCES

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN

“ALTAVOCES”

T E S I N A

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN:

ROSA LAURA BUENO JIMÉNEZ DANIEL TÉLLEZ LEÓN

ASESORES: ING. LUÍS GERARDO HERNÁNDEZ SUCILLA

ING. SERGIO VÁZQUEZ GRANADOS

MÉXICO D.F. ABRIL DE 2008

ALTAVOCES

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD CULHUACAN

TESINA

QUE GENERA EL TÍTULO: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN: SEMINARIO DENOMINADO: DEBERÁN DESARROLLAR:

“ALTAVOCES“ INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1 ALTAVOCES CAPÍTULO 2 TIPOS DE ALTAVOCES CAPÍTULO 3 MULTIVÍAS CAPÍTULO 4 REDES DE FILTRO CAPÍTULO 5 BAFLES CAPÍTULO 6 TIPOS DE CAJAS CAPÍTULO 7 ARREGLO DE BAFLES CAPÍTULO 8 PROYECTO LINE ARRAY CONCLUSIONES

MÉXICO, D.F. ABRIL DE 2008

TÉCNICAS DE GRABACIÓN Y REPRODUCCIÓN DEL SONIDO VIGENCIA: FNS30697/11/2007 ROSA LAURA BUENO JIMÉNEZ DANIEL TÉLLEZ LEÓN

ING. LUÍS GERARDO HERNÁNDEZ SUCILLA ING. SERGIO VÁZQUEZ GRANADOS

M. EN C. HÉCTOR BECERRIL MENDOZA JEFE DE LA CARRERA DE INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELETRÓNICA

A S E S O R E S:

ALTAVOCES

AGRADECIMIENTOS

Rosa Laura Bueno Jiménez

Doy gracias a Dios por permitirme formar parte de una familia unida, que me quiere y me apoya en todo momento.

Dedico este proyecto a las personas más importantes de mi vida….

MIS PADRES

Quienes han sido y serán siempre pieza fundamental en mi desarrollo tanto profesional como personal, por que siempre han tenido una palabra de aliento, un consejo y por que simplemente son todo para mí.

A MIS HERMANOS

Quienes son una inspiración para nunca dejarme caer y siempre lograr mis objetivos; a los que espero que éste proyecto sirva de aliento en sus vidas y que siempre apoyaré en sus decisiones.

A DANIEL

Mi novio, también le dedico este trabajo y le agradezco su enorme e incondicional apoyo, cariño y comprensión.

A MIS PROFESORES

De los que me llevo los mejores recuerdos, enseñanzas y amistades, pues formaron parte de mi crecimiento profesional y personal.

A LA INSTITUCIÓN

De la cual tuve la fortuna de pertenecer y que ahora dejo con nostalgia.

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Daniel Téllez León

A mi Madre y Hermana

Que son las personas más importantes y valiosas que tengo, porque siempre han estado conmigo, gracias por todo

su apoyo incondicional, cariño, comprensión, y esas palabras de aliento que en su momento necesite.

A mi Tío Miguel

Que siempre fue como un padre para mí, una guía, un ejemplo a seguir, por sus consejos, su apoyo moral y económico y sobre todo por formar parte de mi familia.

A mi Tía Verónica

Por todos y cada uno de sus consejos que me ayudaron en todo momento a darle el sentido y caminar por el camino correcto para así lograr mis metas.

A mi Abuelita Cristina

Por su cariño, brindarme amor maternal, y su apoyo en cada momento.

A mis Primos

Miguel Ángel, que gracias a su consejo escogí, esta carrera que me ha dado miles de satisfacciones, a Iván y a Héctor, que son muy importantes en mi vida, por ser siempre incondicionales.

A Laura

Una de las personas que adoro y amo, y que forma parte fundamental en mi vida, gracias por tu cariño, apoyo incondicional y por tu tolerancia, en este trabajo. Y por tener una familia tan bonita.

A Lic. Pedro Ponce Hernández

Gracias por todo su apoyo incondicional, por confiar en mí y por haberme dado todas las facilidades, para poder

llevar acabo parte de este trabajo a la práctica.

A Manuel Reyes

Que gracias a ti, elegí la especialidad de acústica, la cual me ha llenado de alegría. Por todo tu apoyo y por siempre ser muy servicial conmigo y un buen amigo.

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ÍNDICE

Capítulos

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1-1 Definición 1-2 Constitución 1-3 Partes 1-4 Funcionamiento 1-5 Características 1-6 Clasificación en función del transductor electromecánico 1-7 Parámetros característicos, analogía eléctrica y mecánica 1-8 Conexión 1-9 Clasificación

TIPOS DE ALTAVOCES

2-1 Electrodinámico 2-2 Electroestático 2-3 Piezoeléctrico

MULTIVÍAS

3-1 Sistema de altavoz único 3-2 Sistema de 2 vías 3-3 Sistema de 3 vías 3-4 Disposición de altavoces 1, 2 y 3 vías

REDES DE FILTRO 4-1 Filtros 4-2 Condensadores 4-3 Inductores 4-4 Fabricación de bobina (gráfica y tablas) hi fi

4-5 Agrupamientos de condensadores, inductancias y resistencias 4-6 Características de un filtro 4-7 Desfase acústico

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4-8 Redes de separación 4-9 Filtro de 2 vías

4-10 Filtro tipo t y π 4-11 Filtro de 3 vías

BAFLES

5-1 Bafles 5-2 Bafles cerrados 5-3 Bafles abiertos 5-4 Túnel de ajuste 5-5 Elección de los materiales

TIPOS DE CAJAS

6-1 Caja cerrada 6-2 Caja bass réflex 6-3 Caja con radiador pasivo 6-4 Caja de carga simétrica 6-5 Caja RJ 6-6 Caja cuarto de onda 6-7 Caja Jensen 6-8 Caja jensen con pabellón 6-9 Caja con pabellón

ARREGLOS DE BAFLES

7-1 Arreglos verticales

7-2 Arreglos horizontales 7-3 Tipos 7-4 Interacción 7-5 Cobertura 7-6 Ángulo de cobertura 7-7 Sistema de refuerzo sonoro 7-8 Columnas 7-9 Clusters 7-10 Line array

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PROYECTO LINE ARRAY

8-1 Introducción 8-2 Características 8-3 Descripción de los altavoces 8-4 Diseño en tres vías 8-5 Diseño y medidas del bafle 8-6 Condiciones 8-7 Alimentación y conexión 8-8 Aspectos de seguridad 8-9 Elementos de volado 8-10 Coberturas verticales 8-11 Costos

Conclusiones Glosario Bibliografía

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INTRODUCCIÓN

Para el hombre la necesidad de comunicarse entre si, ha sido crucial tanto en su desarrollo como en su forma de vida; gracias a la investigación y a la tecnología. Hoy en día gozamos de la telefonía que es un medio de comunicación seguro, accesible y confiable, inventada en 1876 por Alexander Graham Bell; la función de la telefonía es hacer audible el sonido, ante todo la palabra hablada a largas distancias, éste invento involucró el diseño y construcción de dos transductores conocidos con el nombre de micrófono (capta el sonido) y altavoz (reproduce dicho sonido). En la actualidad la generación y reproducción de sonidos de cualquier índole, requiere de ciertos medios electrónicos, pero los elementos más destacados en la grabación y reproducción de sonidos son el micrófono y el altavoz respectivamente. Un micrófono es un transductor que convierte la energía de las ondas sonoras (sonido) en energía mecánica y a su vez en energía eléctrica (señales eléctricas). Éste es el elemento más importante en el proceso de envío de una señal de audio a cualquier destino, ya que, si desde un principio de la comunicación el sonido no se capta correctamente la señal de audio, a la hora de ser reproducida (aun cuando haya pasado por diversos procesos electrónicos para compensar errores), la señal no se escuchará correctamente y se alejará mucho del sonido original. El tema central de este proyecto se referirá al altavoz. Un altavoz es un transductor que convierte la energía eléctrica (señales eléctricas) en energía mecánica y esta a su vez en energía sonora (sonido). El altavoz en conjunto con su recinto acústico (bafle), es el último elemento en la reproducción del sonido y será definitivo para tener una fiel generación de ondas sonoras semejantes a las que se obtuvieron de la fuente sonora original, el único inconveniente es que no existe ningún altavoz que reproduzca por completo el espectro audible (de 20 Hz a 20,000 Hz), por esta razón es necesario emplear mínimo dos o mas altavoces; actualmente existen altavoces construidos y diseñados para reproducir sonidos graves, medios y agudos y con esto poder cubrir la gama audible corrigiendo este problema. Sabemos que existen altavoces que reproducen un rango específico de frecuencias y para esto es necesario que la señal de salida de la consola o mezcladora (control maestro de la señal sonora) sea dividida en frecuencias bajas, medias y altas para poderlas reproducir, a través de los llamados crossover o red de cruce (filtros). Los tipos de altavoces que podemos encontrar en el mercado son: electrodinámicos, electrostáticos y piezoeléctricos. El altavoz más utilizado por su costo y funcionalidad es el electrodinámico, que se encuentra en la mayor parte de los sistemas de Hi-Fi, asociado a un recinto o caja que tiene la misión de eliminar el cortocircuito acústico que se origina entre el sonido radiado por la parte frontal y la parte posterior del altavoz.

http://es.wikipedia.org/wiki/1876

http://es.wikipedia.org/wiki/Alexander_Graham_Bell

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La aplicación de los altavoces ha tenido un gran auge en los sistemas de refuerzo sonoro, éstos fortalecen el sonido de fuentes directas en sitios donde las condiciones acústicas normales del ambiente no son adecuadas; consisten en la amplificación y distribución del sonido natural asociado a lugares como teatros, auditorios, iglesias, cines, lugares al aire libre, etc. Para poder cubrir estas necesidades se desarrollaron los primeros arreglos acústicos que fueron llamados columnas, los cuales consisten en apilar tres bafles como mínimo, de menor a mayor rango de frecuencias o lo que es lo mismo bajos, medios y agudos; generalmente utilizados para refuerzo sonoro en recintos abiertos o espacios libres. Esto dio paso a la creación de los llamados grupos o clusters para la sonorización de estadios o de lugares grandes, cubriendo esta necesidad al realizar pruebas e implementar este arreglo, surgió una nueva problemática: para recintos mas grandes se necesita de un número mayor de bafles, además cabe destacar (acústicamente) que al utilizar los clusters se encontró que se generan ondas cilíndricas y cuando deseamos alcanzar tiros más largos se requiere de mayor potencia por que se atenúa la señal 6 dB al duplicarse la distancia; al modificar el diseño del grupo y de cada bafle se desarrollo un arreglo llamado “line array” o “sistema lineal”, el cual, en lugar de producir ondas cilíndricas genera ondas esféricas, con las que se pueden cubrir tiros más largos con menor potencia y menor número de unidades, pues se atenúa 3 dB al duplicarse la distancia; entre otras ventajas sobre los clusters.

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JUSTIFICACIÓN

En la industria del audio son pocas las empresas nacionales que se dedican a la fabricación de sistemas de “arreglos lineales”; por lo general las empresas que desarrollan la investigación, diseño y construcción de estos sistemas son extranjeras. Un ejemplo muy importante donde se aplica además de tener una gran aceptación por su calidad, fidelidad, potencia, fácil transportación, instalación y excelente cobertura entre otros; es la sonorización de eventos en vivo, ya sea de grupos musicales ó artistas reconocidos. La desventaja más sobresaliente se refiere al precio, porque el costo del sistema resulta demasiado elevado y los grupos que no son tan reconocidos y que forman parte de los grupos llamados “versátiles” no lo puede adquirir, por lo que recurren a la fabricación de sus propios bafles, renta de equipo o comprar equipo de diferentes marcas, esto trae como consecuencia que al final terminen gastando mas que si hubieran comprado un sistema lineal, pero esto también repercute cuando utilizan su equipo y se esta sonorizando, aparezcan problemas principalmente, distorsiones, cancelaciones, retroalimentaciones, etc., por no estar diseñados correctamente; pero se pueden llegar a utilizar equipos especializados que procesan la señal antes de la etapa de amplificación, lo significa que se podría solucionar el problema pero creará otros, como: un mayor tiempo para alineación del equipo, costos por adquisición de equipos procesadores de señal y un número mayor de personal por mencionar algunos. Por esta razón no sería muy rentable para un grupo musical ó artista que inicia en este ámbito, por que tendrá que aportar más dinero de lo que ellos mismos podrían ganar en ese momento. En México existe una gran demanda de los sistemas, ya que existen muchos grupos musicales de casi todos los géneros pero como mencionamos anteriormente no todos tienen la posibilidad de adquirir un buen equipo, así que con este proyecto se pretende reducir el costo de un sistema de este tipo, calculando los parámetros característicos de estos, realizando pruebas, mediciones, para poder llegar a un diseño óptimo y así realizar su construcción. Resaltando que todos los elementos y materiales para este proyecto son de buena calidad, para ofrecer finalmente los mismos resultados que con los sistemas existentes, con la ventaja principal de tener al alcance la oportunidad de utilizar este sistema en su trabajo y con esto les ayude a lograr un mayor desarrollo para generar mayores ganancias ya que donde se presenten y utilicen este sistema tendrán todas las ventajas mencionadas anteriormente.

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ALTAVOCES 1-1 DEFINICIÓN

Un altavoz es un dispositivo transductor que convierte señales eléctricas en ondas de presión, y densidad sonora. 1-2 CONSTITUCIÓN

La transformación de energía eléctrica en ondas sonoras no se lleva a cabo directamente, sino que en realidad los altavoces transforman la energía eléctrica en mecánica y, en un segundo paso, la energía mecánica en energía acústica. Atendiendo a estas características, podemos dividir los órganos constituyentes de un altavoz en las siguientes partes:

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 del imán y por tanto se produce el movimiento de la bobina móvil.

Parte mecánica: constituida por el cono y su suspensión. Sobre el cono está montada la bobina móvil, la cual, al moverse, arrastra al primero haciéndolo vibrar.

Parte acústica: es la que transmite al recinto de audición la energía sonora desarrollada por el cono.

1-3 PARTES

Principalmente son cuatro partes fundamentales de los altavoces, las cuales varían según la construcción y la utilización además de la aplicación. La bobina móvil: es de un hilo muy fino, bobinado alrededor de un núcleo cilíndrico y rodeado de un imán concéntrico a dicho núcleo, componiendo todo ello una sola pieza magnética. La intensidad de corriente eléctrica que llega a dicha bobina proviene de la salida del amplificador y crea en ella un campo magnético que refuerza o disminuye el campo magnético permanente que rodea la bobina, haciendo que esta se desplace con una fuerza proporcional a la intensidad de la corriente eléctrica que le llega del amplificador. La bobina va pegada a una suspensión elástica (llamada araña), de modo que solamente pueda moverse en sentido axial, constituida por una espiral de baquelita o tela impregnada en resinas. La bobina va unida al cono.

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Bobina móvil Cono Imán Estructura o soporte

Imán: produce un campo magnético constante dentro de una cámara de aire o entrehierro. Cono: el cono generalmente está fabricado a base de cartones tipo fibrosos, o de resinas como el poliuretano. En altavoces de reproducción de sonidos agudos, el cono también suele construirse de materiales plásticos, con formas semiesféricas en lugar de cónicas, para ofrecer una mayor rigidez. Estructura o soporte: todo el conjunto va sujeto mecánicamente a un soporte de metal llamado armadura, que va unida al cono mediante unas uniones elásticas que permiten el movimiento central del cono, el cual posee un soporte más llamado centrador, de un material parecido al del propio cono, que hace que este no se pueda mover lateralmente. 1-4 FUNCIONAMIENTO La parte motora u órgano que transforma la energía eléctrica en energía mecánica de un altavoz electrodinámico, está compuesta por un imán permanente cuyo núcleo se introduce en parte dentro de una bobina móvil.

El principio de funcionamiento es como sigue: la bobina se conecta a la salida del amplificador de potencia, con lo cual circula por ella una corriente alterna variable en frecuencia y en amplitud, según la onda acústica grabada en el disco o cinta.

Alrededor del hilo de la bobina se produce pues un campo magnético cuya polaridad y fuerza es proporcional a la corriente que lo atraviesa. Dado que la bobina se encuentra situada dentro del campo magnético de un imán permanente, se obtiene una fuerza F proporcional al producto B*L*I, donde B es el flujo magnético en el entrehierro, L es la longitud del hilo que está dentro del entrehierro, I es la intensidad de corriente que circula por la bobina.

Fig. 1-1. Partes fundamentales de un altavoz.

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De acuerdo con lo expuesto, cuanto mayor sea el número de espiras de la bobina mayor será el desplazamiento de ésta. Dado que la polaridad del imán permanente no cambia, la bobina móvil se sentirá atraída o repelida por el imán permanente, produciéndose la vibración de la bobina hacia adelante o hacia atrás de acuerdo con la corriente modulada aplicada. La bobina arrastra en su movimiento al cono, produciendo éste las compresiones y depresiones del aire en una y otra cara de él, y por lo tanto ondas acústicas son capaces de activar nuestro oído. Para que el funcionamiento del altavoz sea correcto es importante que se mantenga constante el producto B*L*I, es decir que el número de espiras dentro del entrehierro sea constante. Este punto es de especial importancia en la reproducción de bajas frecuencias, ya que es cuando más desplazamiento se exige al altavoz. Efectivamente, supongamos un sistema motor de altavoz en posición de reposo, es decir, en ausencia de señal. Si a este sistema motor se le aplica una señal senoidal procedente de la salida de un amplificador, y esta señal no es de amplitud excesiva, la bobina se desplazará hacia afuera en el primer semiperíodo, pero siempre habrán espiras dentro del entrehierro del imán permanente, por lo que no se producirá distorsión alguna. Si la señal proporcionada por el amplificador es más fuerte, la bobina saldrá total, o casi totalmente, del entrehierro, con lo cual el número de espiras dentro del campo magnético del entrehierro será nulo o casi nulo, produciéndose en consecuencia un recorte del semiperíodo, puesto que una vez fuera la bobina, ésta suspende su movimiento al no existir campo magnético que la influya. En consecuencia, nos encontramos con una distorsión debida a la falta de linealidad del producto B*L*I. Para evitar lo expuesto puede preverse una bobina móvil lo suficientemente larga como para evitar que salga totalmente del entrehierro, y de esta forma siempre habrá un número fijo de espiras dentro del campo magnético. Esta solución tiene sin embargo el inconveniente de que las espiras de la bobina que no se encuentren dentro del campo magnético actúan como resistencia pura en serie con las que sí lo están, disminuyendo el rendimiento del altavoz. Un altavoz magnético funciona al hacer reaccionar el campo magnético variable creado por una bobina con el campo magnético fijo de un imán. Esto hace que se produzcan fuerzas, que son capaces de mover una estructura móvil que es la que transmite el sonido al aire. Esta estructura móvil se llama diafragma, puede tener forma de cúpula o de cono. A su vez, esta estructura móvil está sujeta por dos puntos mediante unas piezas flexibles y elásticas que tienen como misión centrar al altavoz en su posición de reposo. Partimos de la existencia de un campo magnético permanente creado por un imán fijo, que además va a tener su cara "sur" enfrentada a una bobina móvil.

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Un grupo de espiras, formadas por un conductor eléctrico enrollado alrededor de un cilindro que tiene la capacidad de moverse en la dirección longitudinal, producen un campo magnético variable cuando la corriente del amplificador lo atraviesa y este campo magnético reacciona ante otro fijo. Esta corriente es la representación eléctrica del sonido, la señal eléctrica que queremos reproducir, y hace que el bobinado (y en consecuencia el diafragma) reaccione contra el campo magnético fijo producido por el imán.

Esto es, si la corriente que entra es positiva, la bobina adquiera polaridad "sur" y se va a sentir repelida por el imán fijo, si la corriente que entra en la bobina, por el contrario es negativa, la bobina adquiere polaridad "norte" y sentirse atraída por el imán fijo. Un pulso positivo debe producir que el cono se desplace hacia fuera y uno negativo hacia dentro. Cuando el diafragma se desplaza, como resultado de ser propulsado por el imán fijo, produce cambios de presión del aire que percibimos como sonido.

1-5 CARACTERÍSTICAS

Se ha visto anteriormente el principio de funcionamiento de un altavoz, prestando especial atención a los altavoces electrodinámicos por ser los más utilizados. Esto nos ha permitido comprender que la calidad de cada elemento que los compone determina las características del mismo. Para elegir el altavoz adecuado debemos estudiar las características que brindan los fabricantes y actuar en consecuencia, según nuestra necesidad.

Las características técnicas más importantes de un altavoz podemos resumirlas en las siguientes:

Impedancia

Frecuencia de resonancia

Respuesta de frecuencia

Potencia admisible

Potencia mínima

Directividad

Distorsión

Rendimiento

Sensibilidad

Resistencia de la bobina móvil

Campo magnético del imán permanente

Eficacia

Fase

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Impedancia La impedancia de un altavoz depende del tipo y de su forma constructiva. Los factores determinantes de la impedancia de un altavoz son:

La resistencia óhmica del hilo de la bobina móvil, dependiente de la longitud, sección y material del hilo, y que se calcula por la fórmula:

slR ρ=

siendo R la resistencia de la bobina, ρ la resistividad del material utilizado, l la longitud del hilo y s la sección del hilo.

La reactancia inductiva de la bobina móvil, dependiente de la frecuencia aplicada y del coeficiente de auto inducción de la misma, según la fórmula:

fLX L π2=

en donde XL es la reactancia inductiva, f es la frecuencia aplicada y L el coeficiente de autoinducción.

Las corrientes inducidas en la bobina móvil, a causa de sus desplazamientos

dentro del campo magnético de excitación del imán permanente. Este tercer factor es el más difícil y delicado de mantener constante, pues como la bobina móvil arrastra en su movimiento al diafragma y a la masa de aire que lo rodea, dichos desplazamientos estarán condicionados por la forma constructiva del altavoz (masa del diafragma, elasticidad de suspensión, volumen de aire de la caja acústica, etc.). Los fabricantes de altavoces procuran que el diseño de los mismos afecte lo menos posible a la impedancia, ya que una variación de dicha impedancia provoca una variación de la recta de carga del transistor amplificador de salida y, como consecuencia de todo ello, un aumento de la distorsión. De todas formas, es prácticamente imposible que, dentro de la gama de baja frecuencia de audio, la impedancia del altavoz se mantenga constante para todas las frecuencias. Es por ello por lo que los fabricantes de altavoces indican la impedancia de los mismos para una frecuencia dada, y ya preestablecida internacionalmente, cuyo valor es de 1000 Hz. Para esta frecuencia, la impedancia de los altavoces electrodinámicos oscila entre 2 y 8 Ω, según diseño, siendo los valores más usuales los de 4 y 8 Ω a 1000 Hz.

La impedancia del altavoz no sólo depende de su principio de funcionamiento, sino también de su forma constructiva y los materiales empleados.

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Se mide en ohmios y no es la resistencia pura que se pueda medir con un óhmetro, sino la combinación de una parte inductiva de la bobina y otra capacitiva, de ahí la denominación de impedancia. Aunque el factor más importante para la impedancia es la bobina móvil, debido a la resistencia eléctrica del hilo, también influyen factores como la caja acústica o alojamiento del altavoz, por influir en la respuesta a la frecuencia del mismo.

La impedancia del altavoz se debe a que en la bobina se producen dos efectos: una acción electromagnética que hace que se mueva cuando es recorrida por corriente; este movimiento provocará un efecto secundario ya que al moverse dentro de un campo magnético se inducirá en ella una tensión y circulará una corriente entendiéndose que este es un efecto resistivo. Esta tercer componente es la más difícil de mantener constante ya que, en su movimiento, la bobina móvil arrastra al cono, razón por la cual el movimiento dependerá de la forma constructiva de la bocina.

Si bien es conveniente que el altavoz tenga impedancia constante en toda la gama de audio para no modificar la recta de carga del transistor de salida del amplificador, esto es imposible.

La impedancia de un altavoz no es constante: varía con la frecuencia. En frecuencia alta, la impedancia es proporcional a la frecuencia. En la frecuencia baja o de resonancia la impedancia aumenta bruscamente.

La impedancia de un altavoz se mide a una frecuencia de 1000 Hz. En el caso de los altavoces para bajas frecuencias, la impedancia se mide a 400 Hz y en altavoces de alta frecuencia es usual medirlas a 4000 Hz.

Fig. 1-2. Curvas características de la impedancia en función de la frecuencia para altavoces de 5’’, 8’’ y 15’’ de diámetro del diafragma.

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Impedancia altavoz Impedancia bobina Resonancia del altavoz

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Los valores comunes de impedancia son: 2, 4, 8 Ω. Todos estos valores se especifican para una frecuencia elegida internacionalmente en 1000 Hz.

La impedancia proporciona el dato de la presión sonora generada por la bocina en función de la frecuencia.

Respuesta en frecuencia La curva de respuesta de frecuencia es una de las características más importantes de los altavoces, pues mediante ella podemos conocer la intensidad sonora proporcionada por el altavoz para cada una de las frecuencias de audio que debe reproducir, es decir, se trata de la curva característica intensidad sonora en función de la frecuencia. Se denomina así, a la gama de frecuencias que un altavoz es capaz de reproducir con un nivel aceptable de eficacia y distorsión. Como ejemplo de esta característica, se ve en la figura 1-3, como varía la respuesta de un altavoz a las caídas de señal, partiendo desde los 0 dB y en caídas de -3, -6 dB o mayores de la señal de sonido.

Dichas variaciones en señal representan el margen de frecuencia que el altavoz va a reproducir. Así podemos ver en el ejemplo, cómo a una pérdida de -3 dB, el margen de frecuencias será de entre 130 y 10,000 Hz, mientras que si aumentamos las pérdidas la gama de frecuencias aumentará, hasta reproducir una gama de ente 60 y 18,000 Hz con una pérdida de amplitud del orden de -12 dB. Para darnos cuenta de qué clase de margen sería el mejor, sólo decir que el cercano a los 0 dB es el elegido por los mejores fabricantes de altavoces para equipos del mercado, teniendo en cuenta que desarrollarán un altavoz para cada grupo principal de frecuencias, ya sean agudos, graves y medios u otras separaciones intermedias.

RELACIÓN ENTRE IMPEDANCIA Y RESISTENCIA

Resistencia 2,5 a 3,5 5 a 7 10 a 15 18 a 23

Impedancia 4 8 16 25

Fig. 1-3. Respuesta en frecuencia.

Tabla 1.1. Relación de valores entre impedancia y resistencia.

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Para levantar la curva de respuesta en frecuencia se suministra al altavoz una señal de igual potencia y frecuencia variable; luego se mide la potencia sonora generada por dicho altavoz llevando los valores obtenidos a un cuadro. Con estos datos se construye la curva de presión sonora en función de la frecuencia.

Otros métodos modernos utilizan un graficador para obtener la curva de respuesta en frecuencia del transductor electroacústico.

En la curva de la figura 1-2, se observan las variaciones de la presión sonora proporcionada por el altavoz para una misma potencia de entrada y a distintas frecuencias.

Notándose la variación en la respuesta en frecuencia; así por ejemplo, mientras que para 100 Hz la presión sonora es de 17 dB, para 1000 Hz vale 28 dB.

El máximo, que se encuentra en la zona de bajas frecuencias, corresponde a las "frecuencias de resonancia" del altavoz. En el extremo superior se encuentra la frecuencia de corte, correspondiente a la máxima frecuencia que es capaz de reproducir esta unidad.

A lo largo de la gráfica hay varias oscilaciones, pero estas no son importantes mientras la diferencia en la presión sonora no supere los 12 dB, aproximadamente, y no existan diferencias considerables entre picos y vales cercanos (el crecimiento o decrecimiento debe ser gradual).

A la zona comprendida por las señales que no provocan una variación en la presión sonora superior a los 12 dB se le llama "centro del rango". La frecuencia de corte será aquella para la cual la intensidad sonora cae aproximadamente 3 dB del centro de la banda. Si en el centro del rango hay algún pico de más de 5 dB, provocará un sonido chillón; si hay varios picos de este valor, el sonido será hueco, mientras que si hay un valle pronunciado, el sonido emitido será "vacío" o sin vida.

Como es imposible conseguir un altavoz que posea respuesta plana en toda la banda de ruido, se recurre a la utilización conjunta de 2, 3 o más altavoces que trabajen en distintos centros de rango para cubrir todo el espectro.

Frecuencia de resonancia

La frecuencia de resonancia de un altavoz es la frecuencia material de vibración del diafragma y de la bobina móvil. Si a un altavoz se le aplica un impulso eléctrico que separe la bobina móvil y el diafragma de su posición de equilibrio, y dicho impulso se corta bruscamente, la bobina móvil y el diafragma oscilarán con una cierta frecuencia fija, de amplitud de onda decreciente, hasta recuperar su posición de equilibrio. Dicha frecuencia es la frecuencia de resonancia del altavoz. Esta frecuencia es de suma importancia, pues marca el límite inferior de la curva de respuesta del altavoz, es decir, el altavoz es inoperante para frecuencias inferiores a la de resonancia.

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En la figura 1-2 puede ver la curva de impedancia de un altavoz en función de la frecuencia, y en la que se ha señalado la frecuencia de resonancia del mismo. La frecuencia de resonancia depende, esencialmente, de las características constructivas del altavoz, tales como el sistema mecánico de montaje, masa del cono, carga acústica, etc. El valor de frecuencia para la cual la impedancia es máxima, se denomina frecuencia de resonancia. Cuanto menor es el diámetro del altavoz mayor es la frecuencia que necesita aplicársele para que su impedancia sea máxima. Entre los factores que influyen sobre la frecuencia de resonancia cabe destacar el diámetro del diafragma, de tal forma que podemos decir que la frecuencia de resonancia es inversamente proporcional al diámetro del diafragma. Cuanto menor es el diámetro del diafragma mayor será la frecuencia de resonancia del altavoz. Pero no sólo el diámetro del diafragma afecta a la frecuencia de resonancia; también la rigidez del diafragma influye sobre el valor de la frecuencia de resonancia. Así, un diafragma muy rígido tiene una frecuencia de resonancia más elevada que un diafragma ligero.

También el sistema de suspensión del diafragma influye sobre la frecuencia de resonancia. Cuanto más fuerte sea la suspensión del diafragma, mayor será la frecuencia de resonancia.

Es la frecuencia "mecánica" de resonancia (frecuencia de vibración del material) de la bobina móvil y el cono o diafragma. Para conocerlo se aplica un impulso de tensión a la bobina móvil; al quitarlo, el cono vibrará a su frecuencia de resonancia.

La importancia de este dato radica en que marca el límite inferior de la curva de respuesta en frecuencia del altavoz. La frecuencia de resonancia se determina fácilmente a partir de la curva de variación de la impedancia del altavoz con la frecuencia, ya que produce un máximo de impedancia.

La frecuencia de resonancia depende del sistema mecánico de montaje, del material de construcción del cono, del sistema de suspensión utilizado, del diámetro del diafragma, etc.

La frecuencia de resonancia varía en relación inversa al diámetro del cono. Por ejemplo un altavoz de 5" de diámetro (12.5 cm) tendrá una frecuencia de resonancia mayor que uno de 12" (30.5 cm) de iguales características.

Asimismo, un altavoz con cono construido con material rígido tendrá una frecuencia de resonancia superior que otro cuyo diafragma es ligero. Una suspensión fuerte aumentará la frecuencia de resonancia del altavoz.

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La tabla 1.2 muestra la frecuencia para distintos tamaños de cono.

Diámetro Frecuencia de Resonancia

8 pulgadas 60 a 150 Hz



18 pulgadas 20 Hz

30 pulgadas 15 Hz

Directividad

La directividad de un altavoz se suministra a partir de sus diagramas polares. Su respuesta no es omnidireccional y posee características bien definidas.

La energía acústica proporcionada por un altavoz no es enviada omnidireccionalmente al espacio, sino que se envía en todas las direcciones según unas características de direccionalidad bien determinadas.

Para conocer la direccionalidad de un altavoz se recurre a los diagramas polares de directividad. Las curvas de directividad se trazan para diversas frecuencias, ya que a medida que crece la frecuencia, para un mismo diafragma, el altavoz se hace más directivo.

Algunos fabricantes ofrecen además la curva de directividad con la pantalla inclinada de 15° a 300°, con lo que es posible conocer el nivel que se pierde al separarse del eje central del altavoz.

Generalmente se suministran varias curvas para distintas frecuencias, pues a medida que aumenta la frecuencia del altavoz se hace más directiva. Si no especifica lo contrario, se supone que la cara del altavoz apunta a la posición 0°.

Tabla 1.2. Frecuencia de resonancia en relación al diámetro del altavoz.

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Ángulo de cobertura y directividad del altavoz

El ángulo de cobertura de un altavoz será aquel en que su presión sonora padezca un decaimiento de - 6 dB en relación al eje del altavoz. Es lo que se denomina nivel de presión sonora (SPL).

Si enfrentamos a 1 m del centro de un altavoz, en su eje perpendicular al cono un sonómetro, medimos el nivel de sonido en dB y luego vamos moviendo el sonómetro hacia la derecha del eje manteniendo la distancia de 1 m donde realizamos una lectura de - 6 dB respecto a la primera medida, ahí se encuentra uno de los laterales del ángulo de cobertura, siendo el otro lado el opuesto por igual distancia con el eje.

La directividad se representa con un índice denominado Q y es la relación entre el nivel de presión sonora que el altavoz representa en una dirección, normalmente su eje, respecto a la presión ejercida en el resto de direcciones.

Fig. 1-4. Representación del ángulo de cobertura.

Fig. 1-5. Diagrama polar que representa la directividad de un altavoz.

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Dependiendo de si es un altavoz muy direccional, o si es más bien omnidireccional como un altavoz común, se obtiene un nivel de Q en relación al ángulo y la presión en dB. Distorsión En los altavoces se dan tres tipos de distorsiones: la distorsión armónica, la de intermodulación y de diferencia de frecuencia.

La distorsión armónica en los altavoces suele representarse por mediación de curvas separadas por armónicos, ya que es importante conocer de qué número de armónico se trata. Así, la distorsión producida por los armónicos impares (3, 5, 7, etc.) es mucho más desagradable que la producida por los armónicos pares, pues éstos están en armonía con la onda fundamental.

La distorsión armónica en los altavoces no sigue una gráfica lineal, es decir no existe el mismo porcentaje para todas las frecuencias. Generalmente la distorsión armónica aumenta a medida que disminuye la frecuencia. Todas las curvas de distorsión armónica de los altavoces deben ser referidas al mismo nivel de salida, generalmente 90 dB a 1 metro de distancia, independientemente de la señal que se necesite para producido. De acuerdo con lo expuesto, una forma de indicar numéricamente la distorsión armónica de una pantalla sería:

Fig. 1-6. Ejemplo de distorsión: a) señal senoidal a la entrada de un amplificador. b) señal de salida. c) onda fundamental y el segundo y tercer armónico de ella, que son la causa de la distorsión.

a)

b)

c)

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Segundo armónico

< 2 % de 20 Hz a 150 Hz

< 1 % de 150 Hz a 20,000 Hz Tercer armónico

< 2 % de 20 Hz a 50 Hz < 1 % de 50 Hz a 20,000 Hz

Valores medidos a 1 m de distancia axial y un nivel de presión sonora (SPL) de 90 dB en condiciones anecoica. El nivel máximo deseable de distorsión es del 1 %, el cual se sobrepasa fácilmente al aumentar la potencia de entrada del altavoz.

Todo lo dicho es igualmente válido para la distorsión de diferencia de frecuencia. En este caso se aplica al altavoz un barrido formado por dos frecuencias de igual nivel y con una separación entre ellas que debe indicarse. De este tipo de distorsión hay que indicar el valor más elevado. Rendimiento

El rendimiento es la relación entre la potencia de salida del altavoz y la suministrada por el amplificador. Se expresa en tanto por ciento según la fórmula.

100amp

alt

PP

=η

El rendimiento de un altavoz es muy reducido, dado que los altavoces son muy deficientes en la transformación de energía en energía acústica, produciéndose grandes pérdidas en los mismos. Sensibilidad La sensibilidad se define como el nivel de presión sonora producida por el altavoz a una determinada distancia (generalmente un metro), cuando el altavoz es alimentado por una potencia de un watt. Con este dato el usuario puede conocer qué potencia de amplificador necesita para obtener un determinado nivel de audición. Por ejemplo: supongamos que se desea obtener un nivel de audición de 100 dB en los pasajes fuertes, y se dispone de una pantalla cuya sensibilidad es de 86 dB/W a un metro. Con estos datos se procederá como sigue:

Primero se restan los decibelios de la pantalla de los deseados obteniéndose los decibelios a añadir:

100 dB - 86 dB = 14 dB

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A continuación se calcula la potencia que deberá suministrar el amplificador, a partir de la fórmula:

WdBantPamp 2510

14log ==

Ejemplo 2 1.- Altavoz con una sensibilidad de 93 dB SPL de 512 Watts 2.- Altavoz con una sensibilidad de 99 dB SPL de 256 Watts Cada vez que se duplica la potencia, el nivel sonoro (SPL) aumenta 3 dB. Si se reproduce 93 dB con 1 watt, entonces con 2 watt reproducirá 96 dB SPL (93 dB + 3 dB), hasta llegar a la potencia máxima. Si se reproduce 99 dB con 1 watt, entonces con 2 watt reproducirá 102 dB SPL (99 dB + 3 dB), hasta llegar a la potencia máxima. Si colocamos estos resultados en una tabla tenemos que: Con lo que se demuestra que cuanto mayor es la sensibilidad de un altavoz menor potencia necesitaremos para alcanzar niveles mayores de presión sonora.

Potencia Altavoz 1 Altavoz 2

1 watt 93 dB SPL 99 dB SPL

2 watts 96 dB SPL 102 dB SPL








512 watts 120 dB SPL

Tabla 1-3. Incremento de Potencia en relación a la sensibilidad del altavoz 1 con respecto al altavoz 2.

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Resistencia de la bobina móvil Este es otro de los datos importantes que debe conocerse de un altavoz y que suele encontrarse en los catálogos proporcionados por los fabricantes. La resistencia de la bobina móvil es la resistencia, en corriente continua, del hilo que constituye el devanado de la bobina móvil. Esta resistencia determina la potencia disipada en calor por efecto Joule al paso de la corriente. Normalmente el valor de esta resistencia oscila entre 2 y 8 Ω, aunque pueden encontrarse altavoces con resistencia de la bobina móvil mucho más elevada. Campo magnético del imán permanente De las características del imán permanente, las más interesantes son el material constituyente del mismo, normalmente Ferroxdure (óxidos ferromagnéticos), su diámetro y la densidad de flujo magnético proporcionado por el imán.

La densidad de flujo, es decir el flujo por unidad de superficie, es un dato que lo proporciona el fabricante, y se mide en Teslas. La densidad de flujo magnético oscila, para la mayoría de los altavoces, alrededor de 1 T.

Eficacia La eficacia de los altavoces: es la relación entre la potencia acústica que reproducen y la potencia eléctrica que se le suministra para esa reproducción acústica. Esta eficacia suele ser muy baja, del orden de 1 a 5% en altavoces de cono y de un 10 a 30% en los de tipo trompeta. Potencia máxima La potencia admisible de un altavoz es el valor máximo de potencia que puede aplicársele durante un corto intervalo de tiempo, sin que se deteriore.

No debe confundirse la potencia admisible con la potencia de régimen la cual es la potencia máxima que puede aplicarse a un altavoz de forma continua. Normalmente los fabricantes suelen suministrar ambos datos.

La potencia de un altavoz depende de sus dimensiones y forma constructiva. Para un mismo diámetro de diafragma, la potencia admisible es función directa de sus dimensiones. Los altavoces con diafragma cónico de sección recta, admiten mayores potencias, a igualdad de diámetro, que los altavoces con diafragma de sección elíptica o plana.

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Relación de potencias: potencia musical = 1.5 x potencia real Potencia de pico = 2 x potencia real Potencia entre picos = 4 x potencia real Para finalizar diremos que la potencia admisible por un altavoz ha de ser sin que el amplificador recorte la señal, ya que entonces se generan armónicos de frecuencias elevadas que pueden dañar los altavoces de agudos. A este respecto cabe decir que es más fácil estropear un altavoz con un amplificador de poca potencia que con uno de mayor potencia, pues el primero puede fácilmente llegar a recortar la señal. Potencia mínima La potencia mínima viene determinada por la sensibilidad de la pantalla, y es la potencia mínima que debe suministrar el amplificador a la pantalla para obtener un nivel confortable de audición.

La potencia máxima o potencia admisible es el valor máximo de potencia que se le puede aplicar al altavoz (durante un corto tiempo) sin que se destruya.

Se llama potencia de régimen al máximo valor de potencia que puede soportar el altavoz en un régimen continuo. Es menor que la potencia máxima admisible.

La potencia de un altavoz depende de sus dimensiones y forma constructiva (forma del cono, dimensiones del altavoz, sección del alambre del altavoz, etc.).

En general hay tres formas en que se construyen los conos de un altavoz:

Conos de paredes rectas

Conos de paredes elípticas

Conos de sección plana

Fig. 1-7. a) Altavoz con diafragma cónico de sección recta. b) Altavoz con diafragma de sección elíptica. c) Altavoz con diafragma de sección plana.

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Los primeros soportan mayor potencia que los de sección elíptica y a su vez, estos soportan mayor potencia que los de diafragma de sección plana (siempre hablando para un mismo diámetro del altavoz).

Digamos entonces que, para el altavoz de graves o también de rango extendido soporte una potencia elevada, la bobina móvil deberá ser larga para poder aumentar el recorrido del diafragma, pero esto disminuye el rendimiento del parlante. Para reproductores de tonos medios o altos esto no es necesario ya que para la misma potencia el recorrido del diafragma es bastante inferior.

La potencia mínima depende del altavoz y de su recinto acústico; la potencia mínima que se le debe suministrar a la pantalla acústica para obtener un nivel confortable de audición.

Para realizar un arreglo de 3 altavoces con un amplificador de audio se recomienda por ejemplo para un amplificador de 20 W (potencia real) que se tomen en cuenta para una distribución de potencia en todo el arreglo las siguientes consideraciones:

Woofer o bajo:

Medio: = 15 W ó 20 W Agudo: Menor al medio o igual = 15 W ó 12 W

W30205.1 =×

woofer21

Potencia menor debido a los filtros

Altavoz principal

Fig. 1-8. Ejemplo de un arreglo de potencia de 3 altavoces para bajos, medios, y altos.

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Fase Un ciclo de onda tiene 360°, las 4 variaciones principales son, 90°, 180°, 270, 360°, como se puede observar en la siguiente figura: Como la longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia, y el rango audible que va de 20 Hz a 20,000 Hz.

Frecuencia Longitud de onda

20 kHz 0.017 m 16 kHz 0.021 m 8 kHz 0.042 m 4 kHz 0.085 m 2 kHz 0.17 m 1 kHz 0.34 m

500 Hz 0.68 m 250 Hz 1.6 m 125 Hz 2.7 m 63 Hz 5.4 m 31 Hz 11 m 20 Hz 17 m

Fig. 1-9. Señal senoidal representando las diferencias de fase en 0°, 90°, 180°, 270° y 360°.

Tabla 1-4. Frecuencia por 1/3 de octava y su equivalente en longitud de onda expresado en metros de 20 Hz a 20,000 Hz.

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Debido a esta relación, podemos decir que las altas frecuencias son las más adelantadas y las bajas más retrasadas, ya que si observamos la figura 1-10, en donde están representadas tres ondas con la misma amplitud, pero a una frecuencia distinta, baja, media y alta, podemos notar el tiempo de retraso y fase de una señal con respecto a la otra. 1.6 CLASIFICACIÓN EN FUNCIÓN DEL TRANSDUCTOR ELECTROMECÁNICO

Altavoces para tonos graves (Woofer) Los altavoces para tonos graves poseen una frecuencia de resonancia muy baja, de forma que puedan reproducir las notas más graves de audio. En el concepto de frecuencia de resonancia, se dijo que esta frecuencia disminuye al aumentar las dimensiones del diafragma del altavoz. Los altavoces para tonos graves serán, pues, los que posean mayores dimensiones.

Fig. 1-10. Tiempo de retraso de frecuencias bajas, y medias con respecto a altas frecuencias.

Bajo Medio Alto

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Cuando a un altavoz para tonos graves se le aplica una señal de frecuencia muy baja, todo el diafragma se desplaza, proporcionando un rendimiento excelente para dichas notas. Sin embargo, al aplicarle una señal de frecuencia elevada, sólo una pequeña parte del diafragma, periférica a la bobina móvil, radia energía acústica. El resto del diafragma se mueve de forma independiente o no se mueve. Los altavoces para tonos graves proporcionan un bajo rendimiento para las notas de frecuencia elevada (agudos). La curva de respuesta de un altavoz para tonos graves debe presentar el máximo hacia 20 Hz (límite inferior de las frecuencias de audio), existiendo altavoces en el comercio cuya frecuencia de resonancia es aún más pequeña. La parte recta de la curva de respuesta idealizada no debe extenderse más allá de 3000 Hz, para presentar una frecuencia de corte de 4000 Hz. En unidades compuestas por más de dos altavoces, la banda pasante del altavoz de graves sólo alcanza los 1000 Hz. El diámetro de los altavoces para graves debe ser, como mínimo, de 12" (30 cm), aunque existen unidades con dimensiones inferiores que proporcionan excelentes resultados. El diafragma de un altavoz para graves debe ser rígido, pero de suspensión suave, razón por la cual estos altavoces poseen unas corrugaciones muy delgadas y flexibles en el extremo superior del diafragma. Altavoces para tonos medios (Squawker) Puede emplearse como altavoz para medios cualquier altavoz de alta fidelidad cuyo diámetro está comprendido entre 5 y 10 pulgadas (13 a 25 cm). Estos altavoces no presentan ninguna característica especial que merezca la pena citar. Poseen una frecuencia de resonancia superior a los 200 Hz, una frecuencia de corte comprendida entre los 6 y 8000 Hz. Puede emplearse como altavoz para medios cualquier altavoz de alta fidelidad, cuyo diámetro está comprendido entre 6 y 10 pulgadas (15 a 25 cm). Generalmente la estructura va sellada, para que cuando en un mismo bafle exista una unidad de bajos y una de medios, no sea contraído el cono del reproductor de medios debido a la presión de aire que se genera dentro del bafle, por la acción de contracción y expansión del reproductor de bajos.

Fig. 1-11. Altavoz para reproducir frecuencias bajas.

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Altavoces para tonos agudos (Tweeter) Al estudiar los altavoces para graves se ha dicho que la reproducción de las notas graves es tanto mejor cuanto mayor sea el diámetro del diafragma; lógicamente está claro que cuanto menor sea el diámetro del diafragma mejor será la reproducción de los agudos (notas de frecuencia elevada).

Son de diafragma menor, mejor será la reproducción de los agudos (notas de frecuencia elevada). La frecuencia de resonancia de estos altavoces está situada entre los 1000 Y los 4000 Hz. Con una frecuencia de corte situada en ocasiones por encima de los 20,000 Hz (límite superior de las frecuencias audibles). Estos altavoces consisten en una unidad de excitación y la trompeta.

Los altavoces especialmente diseñados para la reproducción de las altas frecuencias de audio, son del tipo trompeta. Estos altavoces consisten en una unidad de excitación y la trompeta (Figura 1-14). La unidad de excitación está constituida por el circuito magnético o imán permanente (1), la bobina móvil, de dimensiones relativamente grandes (2) y el diafragma, de dimensiones muy reducidas (3). La trompeta está constituida por la cámara sonora (4) y la boca (5).

Fig. 1-12. Altavoz para reproducir frecuencias medias.

Fig. 1-13. Altavoz para reproducir frecuencias altas, (Driver).

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Trompetas En las pantallas acústicas la radiación sonora es directa, es decir está producida directamente por el diafragma de los altavoces. Existe otro tipo de bafle con el cual la radiación del sonido no se produce directamente, sino a través de un tubo en forma de bocina o trompeta que mejora el rendimiento del altavoz. El altavoz se encuentra alojado en el interior de una caja con fondo cerrado, como las ya descritas, y en la parte frontal se efectúa una abertura en la cual se ajusta perfectamente la garganta o parte estrecha de una trompeta figura 1-15.

La utilización de una trompeta en un bafle aumenta el rendimiento del altavoz, lo que permite que el amplificador trabaje con señales más pequeñas, los desplazamientos del diafragma del altavoz son menos amplios y la distorsión queda por todo ello reducida.

Fig. 1-14. Partes del altavoz para reproducir frecuencias altas, (Driver y trompeta).

Fig. 1-15. Disposición de una trompeta en una caja acústica.

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Además, la trompeta amortigua al altavoz en toda la gama de funcionamiento, lo cual supone una notable ventaja sobre el bafle. El límite inferior de frecuencias reproducibles por una trompeta viene determinado por el tamaño de la boca de la trompeta. Si la frecuencia es baja, es decir sonidos con una gran longitud de onda, y la superficie de la boca es pequeña, los frentes de presión tienen tendencia a retroceder a partir de la boca hacia la garganta, con lo cual se reduce el rendimiento (Figura 1-16). Por el contrario, cuando la frecuencia es elevada (pequeña longitud de onda), los sucesivos frentes de onda avanzan hacia la boca e impiden que la onda de retroceso alcance la garganta, con lo que se evita que se altere la vibración del diafragma del altavoz (Figura 1-17).

Fig. 1-16. Si la frecuencia reproducida por el altavoz es baja y la boca de la trompeta pequeña, los frentes de presión tienden a retroceder hacia la garganta.

Fig. 1-17. Si la frecuencia reproducida por el altavoz es alta, los frentes de presión sucesivos impiden que la onda de retroceso alcance la garganta.

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Trompeta exponencial La dimensión de la diagonal de la boca de la trompeta debe estar comprendida entre un cuarto y una mitad de la longitud de onda más larga que debe reproducirse. Por este motivo las trompetas sólo suelen fabricarse para los altavoces de agudos, ya que en caso contrario las dimensiones de la boca serían excesivas. Si la trompeta debe reproducir una frecuencia de 4000 Hz, cuya longitud de onda es:

y admitimos como diagonal un cuarto de la longitud de onda, es decir:

tendremos que los lados a y b de la trompeta valdrán:

si la boca es cuadrada, tendremos que a = b, y por tanto podemos escribir:

como vale 21 cm, se tiene que:

y por tanto:

De estos cálculos se deduce que las dimensiones de la boca de una trompeta son bastante grandes, incluso trabajando para las altas frecuencias de audio. Todo lo expuesto se refiere al límite inferior de la gama de audio reproducible; en el caso del límite superior la frecuencia máxima reproducible viene determinada por las dimensiones de la garganta de la trompeta: cuanto menor sea la dimensión de la garganta mayor será el límite superior de frecuencia reproducibles. Si la longitud de onda es inferior a la dimensión de la garganta de la trompeta, ésta dejara de ser eficaz. Las dimensiones del área de la garganta deben estar comprendidas entre 1/3 y 2/3 del área del diafragma del altavoz, de esta forma se consigue que los desplazamientos del diafragma den origen a presiones elevadas en la garganta. Así, para un altavoz de 6,6 cm de diámetro de cono, se tiene un área de:

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siendo el área de la garganta de la trompeta para este altavoz de:

es decir, un cuadrado de aproximadamente 33 mm de lado. Hasta aquí hemos considerado el tamaño de la boca y de la garganta de la trompeta, sólo nos queda, pues, determinar su longitud y perfil de la misma. Para ello debemos tener en cuenta, en primer lugar, que la forma del perfil influye decisivamente sobre la atenuación de las bajas frecuencias. Así, en el caso de un perfil cónico, la atenuación de las bajas frecuencias es muy elevada, mientras que un perfil hiperbólico acentúa los tonos próximos a la frecuencia de corte. En alta fidelidad es preferible la utilización de un perfil exponencial, en el cual la atenuación de las frecuencias bajas queda entre los límites anteriores (Figura 1-18). El perfil exponencial consiste en que, a partir de una garganta de superficie S, y avanzando hacia la boca de la trompeta, el área de la sección se dobla cada vez que se recorre, a lo largo de su eje, una determinada longitud l . Así, suponiendo una trompeta cuya garganta tiene un área de 11 2cm , a 1 cm de la garganta el área de la sección será de 22 cm y a 2 cm de la garganta el área de la sección alcanza los 44 2cm . Así sucesivamente hasta alcanzar la boca de la trompeta. En la figura 1-19, se ha representado la sección de una trompeta exponencial, es decir que cumple con las condiciones anteriormente expuestas. Tenemos ya el concepto de trompeta exponencial, nos queda por saber cuál debe ser el intervalo de longitud (l), que debemos aplicar a una trompeta determinada. Este intervalo de longitud (l), se calcula a partir de la fórmula:

Fig. 1-18. Atenuación en función de la frecuencia para tres perfiles distintos de trompeta.

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en donde k es una constante que depende de la frecuencia más baja que la trompeta ha de reproducir y que se calcula mediante la fórmula:

siendo v la velocidad del sonido en m/s. Así, para una trompeta cuya frecuencia de corte inferior sea de 4000 Hz, se tiene un coeficiente k:

y el intervalo de longitud l será, pues, de:

es decir, cada 4,76 mm el área de la sección de la trompeta se duplica.

Fig. 1-19. En una trompeta exponencial se dobla el área de la sección, cada vez que la longitud se aumenta en una unidad.

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1-7 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS, ANALOGÍA ELÉCTRICA Y MECÁNICA

El comportamiento de los altavoces de bobina móvil ha sido estudiado y desarrollado por Beranek y Small, y se ha modelado como sistema de tipo pasa alto. En el modelado de los altavoces de bobina móvil, las características eléctricas y mecánicas se encuentran en parámetros concentrados.

El altavoz está constituido como vimos anteriormente principalmente por tres partes:

a) Conjunto Eléctrico: conformado por la inductancia y la resistencia de la bobina, Le y Re respectivamente, que interacciona con el "gap" magnético.

b) Conjunto Mecánico: conformado por la masa de la bobina y el diafragma MMD y por el efecto de la elasticidad y la resistencia de la suspensión, CMS y rMS respectivamente.

c) Conjunto Acústico: conformado por el diafragma en movimiento y cualquier carga acústica asociada a ambos lados. En el caso de un bafle infinito la impedancia de radiación reflejada al conjunto mecánico es ZMR=1/rMR, donde rMR es la movilidad de la radiación.

Una representación esquemática del movimiento del altavoz se puede observar en la figura 1-20 donde se puede detallar la interacción de las partes mecánicas del altavoz.

Como se puede observar, un lado del diagrama se encuentra a velocidad cero, mientras que el otro lado se encuentra a una velocidad uc, la cual es la velocidad del movimiento de la bobina.

El motor, o la transformación electromecánica se modela por un girador de relación Bl, mientras que la transformación mecánico acústica se modela por un transformador de relación Sd:1 donde Sd es el área efectiva del diafragma o cono. (Figura 1-21).

Fig. 1-20. Circuito mecánico de un altavoz de radiación directa.

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Los parámetros requeridos para analizar la figura 1-21 son:

• a: radio efectivo del diafragma.<m> • Sd: superficie efectiva del diafragma del altavoz.<m2> • B: densidad del flujo magnético de la fisura ("gap"). <weber/m2> • Bl: factor de fuerza magnética del altavoz.<weber/m> • Re: resistencia eléctrica de la bobina.<½> • Le: inductancia de la bobina.<H> • Rg: resistencia del generador.<½> • eg: generador de voltaje.<v> • i: corriente eléctrica.<A> • Fc: fuerza generada por Bl.<newton> • uc: velocidad de la bobina.<m/s> • MMD: masa del diafragma y la bobina.<Kg> • CMS: elasticidad de la suspensión.<m/newton> • RMS: resistencia mecánica de la suspensión.<½> • ZMR: impedancia mecánica de radiación.<½>

Para simplificar el modelo podemos reflejar las impedancias eléctrica y mecánica al lado acústico, resultando el circuito de la figura 1-22.

Fig. 1-21. Modelo electro-mecánico-acústico de un altavoz de bobina móvil.

Fig. 1-22. Modelo acústico equivalente de un altavoz.

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donde:

• MAS: masa acústica del diafragma incluyendo la bobina y la carga del aire • CAS: elasticidad acústica de la suspensión • RAS: resistencia acústica debida a las pérdidas de la suspensión

Los parámetros fundamentales del altavoz que controlan el desempeño de pequeña señal del sistema son Sd, (Bl), Re, MMD, CMS y RMS. Estos parámetros son fundamentales porque cada uno es independiente de los otros. Sin embargo, es conveniente describir el sistema en términos de cuatro parámetros básicos usados por Thiele y tomados para propósitos de diseño y análisis por Small, los cuales son fáciles de medir y de trabajar.

Estos son:

• fS: frecuencia de resonancia del sistema móvil del altavoz, especificado para el altavoz en el aire libre sin bafle.

• VAS: elasticidad acústica del altavoz, expresada en volumen de aire equivalente. • QES: factor Q del altavoz considerando únicamente las pérdidas eléctricas, reflejado

a la reactancia de movimiento a fS. • QMS: factor Q del altavoz considerando únicamente las pérdidas mecánicas,

reflejado a la reactancia de movimiento a fS.

Reflejando el modelo del altavoz al lado eléctrico y despreciando la carga acústica, podemos obtener el equivalente eléctrico, como se puede observar en la figura 1-23.

de donde se tiene:

CMES: capacitancia eléctrica debida al reflejo de la masa del altavoz.

Fig. 1-23. Circuito eléctrico equivalente.

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LCES: inductancia eléctrica debida al reflejo de la elasticidad del altavoz.

RES: resistencia eléctrica debida al reflejo de las pérdidas de la suspensión del altavoz.

De la figura 1-23 podemos determinar la frecuencia de resonancia del altavoz wS = 2¹fS, o la constante de tiempo característica TS, dada por:

el factor Q del circuito resonante del altavoz con RES actuando solo es:

similarmente, el factor Q con RE actuando solo, y con RG = 0, es:

el parámetro VAS viene dado por la siguiente ecuación:

Determinación práctica de los parámetros de Thiele-Small

Para la medición de estos parámetros es necesario graficar la impedancia de la bobina en función de la frecuencia. La frecuencia de resonancia del altavoz fS se localiza en el máximo de la impedancia. La relación entre la impedancia máxima de la bobina y la resistencia dc RE se define como r0. Las frecuencias f1 y f2, donde f1 < fS < f2, están donde la impedancia tiene una magnitud de:

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Entonces los parámetros de Thiele-Small del altavoz vienen dados por

Para obtener el valor de VAS se añade una elasticidad conocida al sistema móvil del altavoz mediante el montaje del altavoz en una caja cerrada de prueba. Posteriormente se gráfica la impedancia del altavoz. Se obtiene la frecuencia de resonancia del altavoz modificada por la elasticidad del aire encerrado en la caja fTC.

Entonces:

Fig. 1-24. Magnitud de la impedancia de un altavoz de bobina móvil.

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donde VT es el volumen interno neto de la caja de prueba.

Otro método para calcular VAS utiliza una masa de valor conocido colocada sobre el diafragma del altavoz, su efecto será mover la curva de impedancia hacia las bajas frecuencias. Se mide la nueva frecuencia de resonancia F's y a partir de este valor se tiene:

donde m = masa de prueba.

Luego podemos calcular:

pero sabemos que:

por lo cual:

a partir de estas mediciones podemos calcular el resto de los parámetros del altavoz:

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donde h = rendimiento del altavoz.

1-8 CONEXIÓN Para una conexión correcta de los altavoces debe tenerse en cuenta, además de la potencia nominal y potencia admisible, la impedancia propia de cada unidad y de salida del amplificador. La impedancia de salida del amplificador debe coincidir con la impedancia total de los altavoces conectados a ella, pues de lo contrario se corre el riesgo de una pérdida de potencia acústica o de una sobrecarga capaz de destruir la última etapa amplificadora o el propio altavoz. Los altavoces pueden conectarse en serie, en paralelo (derivación) o en conexión mixta. De todas estas conexiones haremos referencia a continuación. Conexión en serie La impedancia total de dos o más altavoces conectados en serie es igual a la suma aritmética de las impedancias parciales, es decir:

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Este sistema de conexión se utiliza en aquellos casos en los que la impedancia de los altavoces es inferior a la impedancia de salida del amplificador. Así, supongamos un amplificador cuya impedancia de salida es de 8 Ω y disponemos sólo de altavoces de 4 Ω. La solución al problema consistirá, pues, en conectar dos altavoces en serie (Figura 1-25), lo que daría una impedancia total de:

Conexión en paralelo o derivación En la conexión en paralelo o derivación de altavoces, la inversa de la impedancia total es igual a la suma de los inversos de las impedancias parciales, es decir:

Este sistema de conexión se utiliza en aquellos casos en los que la impedancia de los altavoces es superior a la impedancia de salida del amplificador. Supongamos un amplificador cuya impedancia de salida es de 4 Ω y disponemos sólo de altavoces de 8 Ω de impedancia. La solución será, pues, conectar dos altavoces de 8 Ω en derivación (Figura 1-26), ya que de esta forma la impedancia total de los altavoces será igual a la impedancia de salida del amplificador, efectivamente:

Fig. 1-25. Conexión en serie de dos altavoces de 4 Ω.

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Conexión mixta Cuando la potencia entregada por el amplificador es superior a la que pueden disipar los altavoces, se recurre al montaje mixto de varias unidades, de forma que entre todos pueda disiparse la potencia que entrega el amplificador. La fórmula de cálculo para obtener una impedancia total de los altavoces igual a la impedancia de salida del amplificador, está basada en las fórmulas de las dos conexiones anteriores, es decir en la suma de impedancias en serie y en derivación. En la figura 1-27, se pueden ver dos esquemas de conexión mixta de altavoces y en los que, como podrá deducir el lector, la impedancia total de los altavoces es igual a la impedancia de salida del amplificador, en el que la impedancia de cada altavoz es de 8 Ω.

Fig. 1-26. Conexión en paralelo de dos altavoces de 8 Ω.

Fig. 1-27. Conexión mixta de dos arreglos de 4 altavoces de 8 Ω y 4 Ω.

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1-19 CLASIFICACIÓN

Los altavoces se clasifican atendiendo a los elementos que lo componen y/o a la gama de frecuencias que reproducen. Electrodinámicos

Según los elementos eléctricos: Electrostáticos Piezoeléctricos Altavoces de bobina móvil

Según los elementos mecánicos: Altavoces de hierro móvil Altavoces de membrana metálica

Según los elementos acústicos: Altavoces de membrana cónica de cartón Altavoces de aire comprimido Altavoces de uso general

Según la banda de frecuencias Altavoces para frecuencias graves que pueden reproducir: Altavoces para frecuencias medias Altavoces para frecuencias agudos

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TIPOS DE ALTAVOCES

2-1 ELECTRODINÁMICO El sistema más tradicional y económico es el altavoz electrodinámico, que se basa en la interacción de campos magnéticos (proporcionados por un imán permanente) y las corrientes (proporcionadas por una bobina que se conecta a la señal que se desea generar).

La fuerza generada al incidir el campo magnético, perpendicularmente al paso de la corriente por la bobina, es transmitida a un diafragma que será el elemento encargado de generar las ondas sonoras.

El altavoz electrodinámico es un transductor cuya función es radiar energía acústica al espacio, a partir de ondas eléctricas, haciéndose esta transformación de energía por intermedio de energía mecánica.

Esta construido esencialmente por: una carcasa o cuerpo, una membrana y un motor (se denomina así al conjunto bobina móvil imán, que es la parte motriz de la membrana).

Carcasa: es de chapa fuerte o metal moldeado, para tener una gran rigidez. En los altavoces en cargados de reproducir las bajas y medias frecuencias la carcasa está provista de orificios por los cuales pasará el aire en el momento del desplazamiento hacia atrás de la membrana.

Membrana: es de forma cónica, esta fabricada de pulpa celulosa, plástico, aleaciones, etc. Esta mantenida suavemente en su periferia por la suspensión externa. En el vértice del cono se encuentra la suspensión interna, a la que también se denomina “araña”.

Fig. 2-1. Vista seccionada de un altavoz electrodinámico.

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Estas suspensiones permiten que la membrana pueda moverse sin deformarse. También podemos ver que hay una pequeña cúpula que sirve de guarda polvo, ya que en el alojamiento de la bobina móvil no deberá penetrar polvo ni otra impureza. Motor: esta constituido por una parte fija: la parte trasera con su imán y sus piezas polares; una parte móvil: la bobina móvil; el imán debe ser muy potente, de aleación de titanio, cobalto, níquel y aluminio; aleación de acero, aluminio, níquel y cobalto; cerámica, ferrita, etc., para obtener un campo magnético muy denso y repartido uniformemente en el entrehierro, garantizando así una gran eficacia para una excelente reproducción de los transitorios. Alrededor del imán se encuentran las piezas polares (placas laterales del entrehierro y núcleo), que son de acero dulce para ofrecer el mínimo de resistencia a las líneas de inducción del imán. Hagamos notar que este conjunto puede estar constituido de dos maneras, tal como se muestra en la figura 2-2. En A, el imán tiene forma anular, que es la solución más frecuente para los altavoces de alta fidelidad. En B, el imán es central. Bobina móvil: constituida por un cilindro hueco de cartón tratado, o por un tubo delgado de aluminio. A este eje, está pegada la bobina, de hilo muy fino de cobre esmaltado, o de hilo de aluminio aislado por oxidación. La sección de este hilo puede ser redonda o rectangular. Las espiras van juntas; el peso del conjunto móvil (cilindro, bobina, membrana) es poco crítico en los altavoces encargados de reproducir las frecuencias bajas, pero debe ser lo más reducido posible en los altavoces que deben reproducir frecuencias agudas. La bobina móvil ha de estar perfectamente centrada en el entrehierro del imán y poderse desplazar libremente en sentido longitudinal, sin ponerse en contacto con las piezas que constituyen la parte trasera.

Fig. 2-2. En el A, el imán es anular. En B, central.

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La longitud de la bobina debe ser tal que siempre esté sometida al máximo del flujo magnético, cualquiera que sea la magnitud del desplazamiento. Para realizar esta condición la bobina debe ser larga. De esta forma siempre habrá un número igual de espiras en el entrehierro para todos los movimientos de la bobina, por ejemplo, en el altavoz destinado a la producción de frecuencias bajas. También, la bobina corta en el caso del altavoz que produzca frecuencias agudas, porque entonces el recorrido es bajo. La bobina móvil está conectada a las terminales fijadas en la carcasa por hilos muy finos, para no perturbar los movimientos de la membrana. A estas terminales conectaremos los hilos eléctricos que conducen las señales del amplificador.

Fig. 2-3. En A, bobina larga para altavoz reproductor de frecuencias bajas. En B, bobina corta para altavoz reproductor de frecuencias agudas.

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Partes del altavoz electrodinámico:

Descripción:

Suspensión del borde flexible. Es la parte final del cono, que le permite tener más movilidad sin romperse debido a su zona de rugosidad elástica. Suspensión central (araña). Es un dispositivo elástico que mantiene centrada la bobina en el entrehierro y permite las vibraciones del cono. Bobina móvil. Su misión es producir un campo magnético constante dentro de una cámara de aire o entrehierro en el cual se aloja la bobina. Tapa polvo. Es la encargada de evitar que pase el polvo al imán. Polo central. Es la pieza cilíndrica que se encuentra en el hueco de las placas polares y delimita el interior del entrehierro. Cono (diafragma). Con sus vibraciones comprime y expande el aire que se encuentra en contacto con él, originando el sonido, música ó palabra.

Fig. 2-4. Corte de un altavoz electrodinámico.

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Estructura de soporte (campana). Sirve para concentrar el campo magnético constante y evitar perdidas de flujo del imán. Imán. Su misión es producir un campo magnético constante dentro de una cámara de aire o entrehierro. Barreno de la placa polar. Es la perforación cilíndrica a través de la placa polar, que delimita el diámetro exterior del entrehierro. Placas polares. Es la parte del sistema magnético que tiene una perforación cilíndrica y que, en unión con el polo central forman el entrehierro. Principio de operación Su funcionamiento se basa en la interacción de campos magnéticos y corrientes.

Cuando la tensión de la señal eléctrica aplicada a la bobina es positiva, el diafragma del altavoz se desplaza hacia el exterior, mientras que si la tensión es negativa, el sentido es el opuesto: hacia el interior del altavoz.

Funciona al hacer reaccionar el campo magnético variable creado por una bobina con el campo magnético fijo de un imán.

Esto hace que se produzcan fuerzas, que son capaces de mover una estructura móvil que es la que transmite el sonido al aire.

Esta estructura móvil se llama diafragma, puede tener forma de cúpula o de cono.

A su vez, esta estructura móvil está sujeta por dos puntos mediante unas piezas flexibles y elásticas que tienen como misión centrar al altavoz en su posición de reposo.

El sistema de excitación también conocido como motor de altavoz, está constituido básicamente por un imán permanente que posee un fuerte campo magnético; dentro de ese campo está situada una bobina móvil que está unida al cuello del diafragma.

Fig. 2-5. Esquema a bloques del funcionamiento de un altavoz.

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En la figura 2-5, se ve el esquema de bloques de un altavoz, donde e(t) e i(t) podría ser energía eléctrica y corriente eléctrica, f(t) y u(t) serán magnitudes mecánicas como fuerza y velocidad, y p(t) y U(t) serán magnitudes acústicas como la presión y la velocidad del fluido. Características del campo magnético

El flujo magnético del altavoz no es constante, ya que una bobina de un altavoz se desplaza, y no en todos los puntos recibe la misma cantidad de flujo magnético, por lo que la fuerza de reacción contra ese campo magnético dependerá de su posición.

Fig. 2-6. Comportamiento del campo magnético dentro de la bobina.

Fig. 2-7. Representación del flujo magnético.

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La bobina literalmente abandona el campo magnético. Este problema se agrava a medida que crece el desplazamiento, por lo que es conveniente reducir estos desplazamientos al mínimo, lo que se hace con drivers más grandes, utilizando dos drivers o con menos SPL.

Campos magnéticos

Existen dos casos posibles, siendo el primero el habitual en muchos tipos de altavoces. Tan sólo unos pocos altavoces de gran calidad y precio compensan este fenómeno.

En cualquier caso se produce distorsión armónica, de orden predominantemente para en el primer caso y de orden predominantemente impar en el segundo.

La forma en la que decae el flujo frente a Xd, es indicador de cómo se creará distorsión. En el segundo gráfico se ha dibujado de manera muy exagerada.

Si el entrehierro es demasiado grande, una mínima variación en la posición de la bobina de voz hará variar el flujo que recibe. Si la bobina de voz es demasiado pequeña, se saldrá de la zona donde es constante.

Fig. 2-8. Campo asimétrico.

Fig. 2-9. Campo simétrico.

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Habitualmente un entrehierro grande dará una mayor eficiencia con un imán menor, pero es acosta de aumentar la distorsión. A veces un gran imán si es indicativo de calidad (para altavoces de un mismo tamaño, diámetro de bobina y eficiencia).

La única solución que existe a este problema es aumentar la longitud de la bobina de voz y/o reducir la del entrehierro.

De esta manera con un 5% con Xd = 1 mm puede pasar a tener un 1% con ese mismo desplazamiento. XMAX es el parámetro que mide la excursión lineal del diafragma.

En todo caso XMAX determina el desplazamiento máximo del diafragma dentro de unas condiciones que dependen del fabricante que puede ser la habitual o la máxima que garantiza que no se puede romper la suspensión por una excesiva excursión lineal. En algunos casos se indican ambas.

Fig. 2-10. Relación de longitudes del entrehierro y la bobina.

Fig. 2-11. Relación de longitudes del entrehierro y la bobina.

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Excitación de la bobina

Cuando se pasa corriente a través de la bobina del altavoz, se genera un campo magnético. Este electroimán (la bobina con corriente) interactúa con el espacio magnético y hace que se mueva la bobina y con ella el cono.

La dirección del movimiento dependerá de la dirección (polaridad) del flujo de la corriente atravesando la bobina. Como la señal de audio tiene la forma de una onda de corriente alterna, la corriente fluye en una dirección y luego cambia su polaridad, la bobina se mueve hacia adelante o hacia atrás desde su punto de descanso.

La figura 2-12, muestra como la bobina esta conectada al cono del parlante. El cono es la parte del parlante que produce el sonido cuando trabaja, creando un área de alta y luego baja presión.

La figura 2-13, nos muestra en forma detallada la bobina del altavoz y el espacio magnético.

Fig. 2-12. Sección, unión cono con bobina móvil.

Imán

Fig. 2-13. Corte transversal de la bobina y el imán del altavoz.

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Movimiento del cono

Cuando un amplificador excita un altavoz, lo que hace es alimentar las terminales del altavoz con voltaje CA (corriente alterna). Si el volumen esta al mínimo, el altavoz no se mueve. Si el voltaje con el que se excita el altavoz es bajo, el altavoz se mueve poco.

A medida que el voltaje aumenta (cuando se dice que se sube el volumen de un equipo de audio), el cono se mueve más lejos de su punto de descanso.

Los amplificadores de gran potencia pueden excitar altavoces de alto voltaje y por ende producir más SPL.

Aclaremos que el altavoz no produce potencia. Un altavoz de 1000 watts no necesariamente será más eficiente que un altavoz de 50 watts.

Si ambos son fabricados por la misma empresa, o sea que son medidos bajo el mismo estándar, el altavoz que maneje (que soporte) más potencia va a poder producir más presión sonora porque va a poder ser excitado con un amplificador más potente sin miedo a ser roto.

Muchas veces, el altavoz más barato de un fabricante va a ser más eficiente y puede ser una mejor opción para un sistema de baja potencia.

Las siguientes figuras, muestran como la bobina se posiciona con respecto al voltaje entrante.

Fig. 2-14. Máxima separación del cono debido a la señal de entrada.

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Corriente de excitación Cuando la tensión de la señal eléctrica aplicada a la bobina es positiva, el diafragma del altavoz se desplaza hacia el exterior, mientras que si la tensión es negativa, el sentido es el opuesto: hacia el interior del altavoz. Como es lógico, todos estos sistemas disponen de una serie de limitaciones como es la potencia máxima admisible y la presión máxima que pueden generar. Es importante no confundir estos términos, puesto que nada tiene que ver uno con el otro.

Fig. 2-15. Media separación del cono debido a la señal de entrada.

Fig. 2-16. Mínima separación del cono debido a la señal de entrada.

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La limitación de potencia máxima que puede disipar un altavoz se debe a dos causas distintas. La primera es la generación de calor en la bobina del altavoz que, no olvidemos, está recibiendo un paso de corriente.

Cuanto mayor es el desplazamiento del altavoz, mayor será la corriente que atraviesa la bobina. Existe una ley física conocida como la Ley de Joule, que relaciona el paso de corriente por un conductor con una generación de calor, de modo que a un paso mayor de corriente por un conductor, mayor generación de calor se produce.

Si el valor de la corriente aumenta desproporcionadamente, se puede generar tal cantidad de calor que se puede fundir el esmalte que aísla las espiras de la bobina y destruirse. El altavoz se habrá quemado, porque hemos superado la potencia máxima admisible.

Pero hay otra causa que limita el nivel de corriente admisible por un altavoz, y es función del desplazamiento máximo que puede realizar el diafragma del altavoz.

Recordemos que el diafragma se encuentra suspendido en un punto de equilibrio con la ayuda de una suspensión. Cuando se le aplica una señal eléctrica a la bobina, que se encuentra pegada solidariamente al diafragma, el conjunto se desplaza de la posición de equilibrio.

Lógicamente el recorrido dispone de un punto máximo ya que la suspensión se alarga junto con el diafragma en su viaje hacia el exterior del sistema. Si este punto se supera, se romperá la suspensión y con ella el altavoz. De los dos factores que limitan la potencia máxima admisible por un altavoz hay que seleccionar el valor más restrictivo.

Por ejemplo, si un altavoz admite una potencia máxima en la bobina de 100 W, esto es, que es capaz de disipar hasta 100 W en forma de calor, y el diafragma llega al recorrido total del desplazamiento posible con 50 W, la potencia máxima del altavoz será de 50 W. Si por el contrario el recorrido total del desplazamiento se produce cuando se aplica una señal eléctrica de 200 W, la limitación global la impondrá la capacidad de disipar energía de la bobina, que como ya hemos mencionado anteriormente es de 100 W.

Características de la bobina móvil El principio de funcionamiento de la bobina móvil es como sigue, cuando un conductor eléctrico por una corriente, se crea alrededor del hilo un campo magnético cuya polaridad y fuerza es proporcional a la corriente que lo atraviesan si colocamos este conductor dentro de un campo magnético obtendremos una fuerza (fm) que será proporcional al producto (BE × L × i) donde: BE es la densidad de flujo magnético que hay en el entrehierro, L es la longitud del hilo que esta dentro del entrehierro, (i) es la intensidad de corriente que circula por el conductor. Es importante mencionar que a mayor número de espiras, menor desplazamiento. El funcionamiento del altavoz será correcto siempre que el producto (BE × L × i) se mantenga constante es decir, el número de espiras dentro del entrehierro sea constante.

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El sistema acústico de un altavoz incluye el radiador y las suspensiones. El radiador normalmente tiene la forma de un cono, pero cuando el altavoz es diseñado para reproducir sólo tonos de alta frecuencia, el radiador toma la forma de un domo. Cuando un cono es usado como un radiador, la parte superior final del cono depende del movimiento de la bobina. Cualquier movimiento de la bobina móvil es por consiguiente transmitido al cono. El cono y la bobina están normalmente soportados por la parte superior final del cono por un dispositivo controlador de tensión. La parte final exterior del cono, es soportado en la armadura por una suspensión flexible la cual puede tener corrugaciones o una goma redonda, en la cual uno de sus extremos esta fijo al borde superior del cono y el otro lado pegado a la armadura del parlante. La goma que lo rodea permite mucho más flexibilidad y es preferible usarla a bajas frecuencias, donde existe más potencia y por lo tanto más movimiento en el cono. Cuando una corriente alterna fluye en la bobina, esta oscila hacia abajo y hacia arriba dentro del campo magnético, por lo tanto la parte del cono que depende de la bobina, también se mueve en armonía con el resto del cono, sin embargo, puede sólo vibrar en armonía cuando este permanece rígido. Este es generalmente el caso a bajas frecuencias, pero como las frecuencias se incrementan a un punto extenso, el cual el ancho final del cono no puede seguir las vibraciones de la parte final del mismo, a menos que el cono sea extremadamente rígido. Este efecto se conoce como “cono separador” y resulta en la reproducción de sonido, y produce distorsión lineal debido a ondas estacionaras en el material del cono. Aún cuando es usado un cono rígido, en un diseño de altavoz para reproducción de un rango amplio de frecuencias, el material del cono es estirado y comprimido, de modo que ocurran pocas o no ocurran vibraciones en la parte exterior final del cono en frecuencias altas, esto causa una perdida en la señal de respuesta y se puede perfeccionar la salida de frecuencias altas adicionando un cono pequeño, tenso y cae poco peso, que puede depender de la parte alta del cono principal. Además la bobina puede ser más ligera, es decir su devanado, por ejemplo, con alambre de aluminio. En el altavoz electrodinámico las vibraciones de sonido que comienzan en la bobina, fluyen hacia fuera del cono y entonces entran en el sistema de suspensión. En el rango de bajas frecuencias, la fase cambia en grados, consigo el cono es relativamente pequeño y se comporta como un pistón. Sin embargo en el rango de altas frecuencias la diferencia de fase entre la bobina y la suspensión pueden ser de varios radianes. En este rango de frecuencias es importante que la onda viaje hacia el sistema de suspensión y esta es absorbida y no reflejada. La segunda condición podría conducir a ondas estacionarias las cuales produciría una corta respuesta de frecuencia característica. El diámetro de la superficie vibrante de diversos conos decrece con el incremento en frecuencia y como resultado el patrón de radiación es esencialmente independiente de la frecuencia. Cuando un cono sencillo sin corrugaciones es usado para cubrir un rango de altas frecuencias, el patrón de radiación verdaderamente se estrecha en las frecuencias altas.

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2-2 ELECTROSTÁTICO El altavoz electrostático es más costoso que un altavoz del tipo electrodinámico, por lo que este tipo de sistemas se destinan principalmente a entornos de elevado costo. El altavoz electrostático, está formado por un diafragma muy ligero, generalmente de poliéster. Colocado entre dos electrodos acústicamente transparentes. Este diafragma está eléctricamente polarizado con relación a los dos electrodos. Los cuales crean un potente campo electrostático. El principio de funcionamiento está basado en la variación de la distancia (variación de capacidad) de las placas de un condensador, una fija y la otra móvil (Figura 2-17). Las tensiones de frecuencia variable hacen variar la atracción entre un diafragma y una placa, haciendo mover el diafragma. El condensador tiene por misión el bloqueo de la tensión continua de polarización V, ofreciendo una impedancia despreciable a las señales que excitan el altavoz La señal proveniente del amplificador es aplicada a estos dos electrodos. Las variaciones de polaridad del diafragma con respecto a las dos placas polarizadoras fuerzan a éste a desplazarse hacia una placa u otra reproduciendo así la señal.

En un altavoz electrostático el desplazamiento del diafragma es muy reducido; Esto unido a la ligereza del mismo, proporciona una excelente producción de las señales transitorias. Al mismo tiempo la fuerza que excita al diafragma es aplicada uniformemente en toda su superficie, de esta forma la posibilidad de « ruptura del cono », que podía ocurrir en los altavoces electrodinámicos queda eliminada.

Fig. 2-17. Diagrama eléctrico del altavoz electrostático.

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Una de las ventajas de los altavoces electrostáticos se encuentra en la atracción del diafragma, el cual es accionado igualmente en todos los puntos de su superficie; de esta forma se reduce la distorsión y las diferencias de fase. Por otra parte, y debido al diseño del diafragma, el cual tiene una masa muy pequeña en comparación con la carga del aire actuante sobre él. El altavoz posee una respuesta de frecuencia mucho más amplia que los altavoces piezoeléctricos, pudiendo reproducir toda la gama de audio. En la figura 2-18, se muestra una vista en corte de un altavoz electrostático. Está compuesto por una hoja delgada de plástico, sobre la cual se ha depositado una capa muy delgada de material conductor. Pequeños elementos elásticos sostienen el diafragma, pero permiten a su vez su movimiento siguiendo la forma de onda de la señal de audio aplicada. A cada lado del diafragma se encuentran dos electrodos acústicamente transparentes, con el fin de evitar los efectos de la presión del aire atrapado, así como para permitir que la energía acústica se separe del diafragma. La tensión de polarización de los altavoces electrostáticos oscila, normalmente, entre 1 y 2 kV.

Como ventajas de los altavoces electrostáticos cabe citar que el desplazamiento del diafragma es muy reducido, lo cual, unido a su ligereza, proporciona una excelente reproducción de las señales transitorias. Por otra parte, la fuerza que excita al diafragma es uniforme en toda su superficie, con lo cual se elimina toda posibilidad de ruptura del cono. Otra ventaja del altavoz electrostático es la de no necesitar caja acústica, quedando eliminado con ello la coloración y resonancias propias de toda caja acústica.

Fig. 2-18. 1.- Hoja delgada de plástico (con capa de conductor delgada). 2.- Electrodos acústicamente transparentes. (Evita efectos de presión de aire atrapado, permite que la energía acústica se separe del diafragma).

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Como inconvenientes caben citarse los siguientes: Al no utilizar caja acústica no hay separación entre la señal emitida por la parte frontal y la emitida por la parte posterior, reduciéndose con ello el nivel de la señal reproducida. Para solucionar este problema se han ideado unidades híbridas, es decir, unidades en las que se añade un altavoz electrodinámico encargado de reproducir las bajas frecuencias. Otro inconveniente es la posibilidad de que se produzca una chispa que perfore el diafragma, ya que las tensiones utilizadas son elevadas. Para solventar esto se ha ideado al encerrar el altavoz en una atmósfera de hexafloruro de azufre (S ), para obtener mejores propiedades dieléctricas que el aire. Un tercer problema que presentan los altavoces electrostáticos es la elevada impedancia de los mismos, eminentemente capacitiva, por lo que pocos amplificadores pueden trabajar con ellos, necesitándose amplificadores especialmente diseñados para este tipo de carga. Téngase en cuenta que el campo electrostático ha de ser de gran potencia, con el fin de conseguir una buena presencia sonora en la reproducción. Una solución a este problema ha sido creando un gas como el que se menciono anteriormente que además de presentar mejores propiedades dieléctricas que el aire, permite crear un campo eléctrico más alto, sin que salte la chispa entre los dos electrodos.

A pesar de todos estos inconvenientes, el altavoz electrostático es el preferido por todas aquellas personas que buscan naturalidad en la reproducción. Principio de operación

El principio físico por el que funcionan es mucho más sencillo de entender que el de los sistemas electrodinámicos: las cargas de igual signo se repelen y las de distinto signo se atraen.

Básicamente consiste en dos placas metálicas perforadas, colocadas paralelamente, y que contienen una tercera plancha, ésta mucho más delgada que las anteriores, a modo de diafragma. Al variar la distancia (variación de capacidad) de las placas de un condensador, una fija y la otra móvil, se producen tensiones de frecuencia variable que hacen variar la atracción entre un diafragma y una placa, haciendo mover el diafragma y por consiguiente reproduciendo el sonido.

Características del campo eléctrico

Las dos placas principales se polarizan con una tensión muy elevada de forma que la fuerza generada sea también muy elevada. En el diafragma se conecta la señal eléctrica de audiofrecuencia que se desea convertir a señales sonoras y se amplifica en tensión hasta alcanzar hasta los 500 voltios. De esta forma, si la tensión es positiva el diafragma se desplaza hacia la placa polarizada con una tensión negativa, mientras que si la tensión es negativa, el diafragma se desplaza hacia la placa polarizada con una tensión positiva.

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2-3 PIEZOELÉCTRICO Principio de operación Los altavoces piezoeléctricos se basan en las deformaciones que sufren los cristales piezoeléctricos cuando se les aplica una tensión entre dos de sus caras.

La tensión modulada de la etapa de salida del amplificador se aplica a las caras laterales de una lámina de cristal piezoeléctrico, mediante unos electrodos de contacto. El cristal va unido mecánicamente a un diafragma, el cual entra en vibración con las deformaciones sufridas por el cristal (Figura. 2-19).

A causa de su elevada impedancia, los altavoces piezoeléctricos sólo se utilizan en aparatos para sordera, receptores de radio muy pequeños u otras aplicaciones en donde no es posible disponer de altavoces de mayor volumen. Como principales inconvenientes de los altavoces piezoeléctricos cabe citar su fragilidad si se le aplican potencias elevadas y la reproducción de toda la gama de frecuencias de audio. (Únicamente se utilizan para la reproducción de agudos).

Fig. 2-20. Diagrama eléctrico.

Fig. 2-19. Deformación de cristales.

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Dado que los altavoces piezoeléctricos han de acoplarse a la salida del amplificador utilizando un transformador de salida con un arrollamiento de alta impedancia, cosa prácticamente imposible, el acoplamiento del altavoz a la etapa de salida se efectúa a través de un condensador que aísle cualquier fuga de corriente continua del circuito de salida. El bajo rendimiento de los altavoces piezoeléctricos obliga a la utilización de trompetas exponenciales, con el fin de aumentar el nivel de salida.

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MULTIVÍAS

3-1 SISTEMA DE ALTAVOZ ÚNICO El amplificador solo alimenta al altavoz por medio de un canal de salida. Un solo altavoz es insuficiente en alta fidelidad para reproducir una parte muy vasta del espectro sonoro, no es preciso tratar al altavoz único con un absoluto y definitivo desprecio, por que un bafle con un solo altavoz, por su facilidad de construcción y su precio módico puede rendir grandes servicios. 3-2 SISTEMA DE 2 VÍAS El espectro sonoro procedente del amplificador será dividido en dos canales uno de los cuales alimenta al altavoz principal, que producirá las frecuencias bajas y una parte de las medias, y el otro alimenta un altavoz de agudos, que cubre las frecuencias altas medias y los agudos: La división se hace por medio de un filtro separador o repartidor de frecuencias de 2 canales. Por ejemplo el canal del altavoz principal cubrirá la gama de 40 Hz a 3000 Hz el del altavoz de agudos cubrirá de 3000 Hz a 20,000 Hz; la frecuencia de corte será de 3000 Hz. Haremos notar que el sistema de 2 canales no significa que sean solamente 2 altavoces, porque se pueden agrupar 3, 6, 4 altavoces en el sistema de 2 canales.

Fig. 3-1. Sistema de 2 canales.

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3-3 SISTEMA DE 3 VÍAS El espectro sonoro producido por el amplificador será dividido en 3 canales. El primero alimenta las frecuencias bajas; el segundo las medias y el tercero las agudas. Un filtro de 3 canales permite el reparto adecuado de las frecuencias a cada uno de los canales.

Por ejemplo, el canal de bajos cubrirá de 20 Hz a 600 Hz; el de medios, de 600 Hz a 5000 Hz y el de agudos de 5000 Hz a 20,000 Hz. En este caso el filtro tiene dos frecuencias de corte: 600 Hz y 5000 Hz. El sistema de 3 canales, no significa que tenga solo 3 altavoces: puede haber más de 3 canales con 4, 5 y 6 altavoces (Figura 3-4). En este montaje cada altavoz reproduce una banda de frecuencias.

Fig. 3-2. Sistema de 2 canales con 3 y 4 altavoces.

Fig. 3-3. Sistema de 3 vías.

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Estos sistemas son poco utilizados debido a su complejidad. En el dominio de los bafles, como en muchos otros, las soluciones más sencillas son, a menudo las mejores. Hablando claramente, un sistema de 2 canales con 2 altavoces de buena calidad, con una frecuencia de corte bien ajustada, será superior a otro de 3 canales con 3 altavoces de mediana calidad y con las frecuencias de corte mal situadas. Un sistema de 3 canales con 3 altavoces, bien elaborado, será superior a otro de 3 canales con 5 altavoces. La moda actual nos presenta una multitud de bafles que son de 5 ó 6 altavoces.

Fig. 3-4. Sistema de 3 canales con 4, 5 y 6 altavoces.

Fig. 3-5. Sistema de 4 canales. Las frecuencias bajas están escindidas en 2 partes, alimentando cada una de ellas un altavoz de graves.

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Solución que es defendible cuando se busca el máximo de potencia para un tamaño mínimo del lugar para sonorizar. Respecto a los altavoces de medios puede responderse negativamente, puesto que las frecuencias reproducidas por estos altavoces son las que percibe mejor el oído, incluso con volumen sonoro bajo. Referente a los altavoces de agudos, es suficiente uno solo, a menos que tengan un gusto particular por una gran riqueza de agudos. Hagamos notar que no es recomendable montar 2 altavoces de agudos con membrana cónica en la misma pared, ya que esto produciría la anulación recíproca de una parte de la energía sonora emitida. Si desean tener los agudos reforzados, es preciso montar los altavoces de agudos orientados, formando un ángulo por lo menos de 30° entre ellos, hacia el exterior (Figura 3-6).

Los altavoces de agudos en este caso están montados en un compartimiento situado en la parte superior del recinto. Si el altavoz de agudos elegido es de cúpula hemisférica no parece útil duplicarlo, porque este género de altavoces tiene un gran ángulo de difusión. El montaje de un segundo altavoz de agudos de cúpula solo rebajaría la calidad sonora del conjunto. La adición de múltiples altavoces no aporta diferencias espectaculares. La escucha comparativa entre estos y los modelos más sencillos no convence de la pretendida superioridad de los primeros.

Fig. 3-6. Forma correcta de montar 2 altavoces de agudos para sacarles el máximo rendimiento.

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3-4 DISPOSICIÓN DE ALTAVOCES 1, 2 Y 3 VÍAS

Sistema de altavoz único El altavoz está ligeramente desplazado hacia la parte superior de la pantalla acústica (la pantalla acústica es la pared del recinto donde están situados los altavoces).

Si a este altavoz se le agrega un radiador pasivo, éste se colocará debajo del altavoz activo.

Fig. 3-7. Disposición para un altavoz único.

Fig. 3-8. Disposición del acoplamiento activo más pasivo. (Los dos altavoces tienen el mismo diámetro).

Fig. 3-9. Disposición de 2 altavoces en el sistema de 2 canales.

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Sistema con 2 vías El altavoz principal está situado en la parte inferior de la pantalla acústica y el altavoz de agudos se sitúa encima de él. La distancia d, entre los ejes de los altavoces de bajos y de agudos deberá acercarse a la mitad de la longitud de onda de la frecuencia de corte. Por ejemplo, si la frecuencia de corte es de 6000 Hz tendrá una longitud de onda:

m57.06000340

==λ

de donde: ósea 28.5 cm.

Sistema de 3 vías La disposición clásica consiste en disponer el altavoz de graves en la parte inferior de la pantalla acústica. En la parte superior van los altavoces de medios agudos. Con un radiador pasivo será necesario, a veces, poner los altavoces de medios y de agudos casi al mismo nivel, para quedar en los límites de la excesiva acumulación.

Fig. 3-10. Sistema de 2 vías con altavoz pasivo. Para no obtener un tamaño excesivo se desplaza al altavoz de agudos.

Fig. 3-11 Disposición de los altavoces en un sistema de 3 vías.

md 285.0257.0

21

=== λ

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Todos los dispositivos han sido indicados para recintos acústicos cerrados. Para los reflejos son los mismos: la ventana se sitúa en la parte inferior de la pantalla acústica. Recordemos que el radiador pasivo únicamente se utiliza en los bafles recintos acústicos cerrados. Como ya hemos dicho, únicamente se impone la necesidad del recinto para el altavoz encargado de restituir las frecuencias bajas. El altavoz de medios tiene su parte posterior cubierta por una caja hermética que protege su membrana de las ondas posteriores emitidas por el altavoz de graves. Sucede lo mismo con el altavoz de agudos. De una manera general, y por razones de estética, se alojan todos estos altavoces en el mismo bafle pero es perfectamente factible realizar un recinto de 3 canales en el que solamente el altavoz de graves tendría su caja.

Fig. 3-12 Disposición de los altavoces en un sistema de 3 vías con radiador pasivo.

Fig. 3-13. Cada altavoz de este recinto de 3 vías es independiente.

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El altavoz de medios estaría dispuesto entonces en la cara superior de esta caja, lo mismo que el de agudos. Se podría fabricar un bafle pequeño que serviría sobre todo de soporte al altavoz de medios. Este montaje, sujeto a crítica desde el punto de vista de la estética, no lo es seguramente desde el punto de vista de la eficacia, antes al contrario, porque permite ajustar la posición de los altavoces en altura y en profundidad, por medio de fijaciones, lo que facilita la puesta en fase perfecta de todos los altavoces. Con un montaje como éste podrá sacarse el máximo de lo que pueden dar los altavoces. Es preciso dejar sueltos, los cables de conexión qué unen entre sí, los altavoces para permitir los ajustes en las posiciones más separadas. Una última recomendación: no se debe nunca hacer funcionar al aire libre, esto es, fuera de su caja, a un altavoz de recinto cerrado, porque se corre el peligro de su destrucción. Por el contrario, un altavoz normal, o sea para un bafle reflejo, puede funcionar al aire libre, pero entonces su límite de funcionamiento será el corto circuito acústico.

Fig. 3-14. Con estos altavoces independientes todos los ajustes son posibles.

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REDES DE FILTRO

4-1 FILTROS Un filtro permite a los diferentes altavoces de un sistema recibir las frecuencias que sus características de construcción puedan reproducir. Son simples circuitos compuestos por inductancias y condensadores. La reactancia capacitiva de un condensador: es mayor cuando menor sea la frecuencia de la corriente aplicada a sus bordes. La reactancia inductiva de un inductor: es mayor cuando mayor sea la frecuencia de la corriente aplicada a sus bordes. Al altavoz de graves se llaman filtros de pasa bajo. El filtro de paso banda no deja pasar más que las frecuencias que interesan al altavoz de medios. Los que distribuyen frecuencias al altavoz de agudos se llaman filtros de pasa alto.

A la combinación de elementos pasivos (resistencias (R), bobinas (L) y capacitores (C)) diseñados para dejar pasar una serie de frecuencias se denominan un filtro. Son usados para dejar pasar solamente las frecuencias que pudieran resultar ser de alguna utilidad y eliminar cualquier tipo de interferencia o ruido ajeno a ellas.

Existen dos tipos de filtros:

Filtros pasivos: son aquellos tipos de filtros formados por combinaciones serie o paralelo de elementos R, L o C.

Filtros activos: son aquellos que emplean dispositivos activos, por ejemplo los transistores o los amplificadores operacionales, junto con elementos R, L y C. Sólo dos componentes se utilizarán en la realización de los filtros: los condensadores y las inductancias o bobinas de autoinducción. 4-2 CONDENSADORES Se utilizarán condensadores ordinarios de papel o de película, cerámicos, etc. Cualquiera que sea el tipo que se use no serán polarizados. Es decir que se pueden conectar en cualquier sentido (al contrario que en los condensadores polarizados, en los que hay que respetar el sentido en la conexión, porque se podrían destruir rápidamente). Los condensadores se caracterizan por su capacidad y su tensión de servicio. La capacidad se expresa en faradios (F). En nuestros filtros este valor es demasiado grande, por lo que utilizaremos un submúltiplo: el microfaradio (μF).

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La tensión de servicio se expresa en volts (V) y es la tensión máxima que puede soportar el condensador. Por encima de esta se crea un arco entre las armaduras. El condensador produce un crujido y se destruye. Es preciso, pues, calcular la tensión soportada por el condensador cuando la potencia modulada es máxima. Para mayor seguridad, consideraremos que la potencia máxima es el doble de la eficaz. Se utiliza la fórmula:

ZPV *max=

siendo V = tensión en volts (V) P máx = 2 * P eficaz en Watts (W) Z = impedancia nominal, en ohmio (Ω) Papel del condensador En corriente alterna el condensador presenta una impedancia, llamada reactancia que es inversamente proporcional a la frecuencia.

Esta reactancia se expresa en ohmios (Ω) y tiene por valor: ωC1 siendo, C la capacidad y

ω la pulsación (2 π f). En otras palabras, la resistencia que ofrece al paso de la corriente disminuye o aumenta la frecuencia. Debido a esto el condensador dejar pasar las frecuencias altas y bloqueará las bajas, puesto que entonces la reactancia será muy importante.

Fig. 4-1. Condensador y su representación simbólica en los esquemas.

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El condensador no absorbe prácticamente potencia, pero la intensidad de la corriente queda desfasada en adelanto un cuarto de ciclo con relación a la tensión. 4-3 INDUCTORES Son las bobinas de hilo de cobre esmaltado, siendo el número de espiras función del valor deseado. Existen bobinas con núcleo central (varilla metálica que atraviesa el centro de la bobina) y también existen bobinas al aire sin núcleo; que son las que examinaremos a continuación. Una inductancia se caracteriza por su valor L expresado en henrios (H) unidad muy importante para muchos filtros; también utilizaremos un submúltiplo: (mH). Papel del inductor En corriente alterna la inductancia presenta una reactancia proporcional a la frecuencia. Esta reactancia se expresa en ohmios (Ω) y tiene por valor: ,*ωL siendo, L la inductancia y ω la pulsación (2 π f). La inductancia dejará pues, paso libre a las frecuencias bajas (su reactancia aumenta cuando la frecuencia crece) y bloqueará las agudas. La bobina produce el efecto contrario que el condensador. La inductancia, bien calculada, no absorbe prácticamente potencia, pero la intensidad de Ia corriente está desfasada un cuarto de ciclo por detrás de la tensión. Algunos valores de inductancias pueden encontrarse en el mercado, pero también puede fabricárselos uno mismo.

Fig. 4-2. Bobina con núcleo de aire y su representación simbólica en los esquemas.

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4-4 FABRICACIÓN DE BOBINA (GRÁFICA Y TABLAS) HI FI Ejemplo: tenemos que construir una bobina de una inductancia de 2,5 mH. Primeramente es necesario saber que una bobina de sección cuadrada dará un coeficiente de autoinducción que es el mejor para un mínimo de cobre. Se calcula el número de espiras aplicando la fórmula de Weeler:

cbanaHL

1096**315.0)(

22

++=μ

siendo L, el valor de la inductancia en microhenrios;

n, número de espiras; a, b, e, dimensiones de la bobina en cm.

Esta fórmula nos da buenos resultados más que si a, b y c son del mismo orden de magnitud. De la fórmula precedente se deduce:

2*315.0)1096(*

acbaLn ++

=

si

L= 2,5 mH, o sea 2,500 μH.

Fig. 4-3. Bobina de autoinducción. Las dimensiones b y c deben ser iguales del mismo orden de magnitud que la dimensión a para obtener mejor coeficiente de auto inducción.

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se tendrá 2183*315.0

))2*10()2*9()3*6((*25002 =++

=n espiras

a = 3 cm b = c = 2 cm Tomando hilo de cobre esmaltado de 12/10, se tendrán 15 capas, de 15 espiras cada una, lo que hace 15 x 15 = 225 espiras y las dimensiones finales de b y c, serán: 15 x 1,2 = 18 mm o sea 1,8 cm. Volvamos al ejemplo, o sea, confeccionar una bobina al aire de 2,5 mH. Primeramente se trata de evaluar las dimensiones X de la bobina definida en la figura 4-4. La bobina se construirá de cartón, madera o cualquier otro material aislante. El bobinado se ejecutará regularmente en capas sucesivas, con hilo de cobre esmaltado. Primero hay que procurar que la bobina tenga una resistencia lo menor posible, para que no absorba demasiada potencia: puede fijarse un ohmio como máximo, hasta 30 W efectivos de potencia por canal. En la figura 4-5, donde vemos que X = 19,05 mm. Esto conviene muy bien, puesto que tendremos una resistencia de 0,7 ohmios. Si se quisiera obtener una bobina más pequeña, es decir, X = 12,7, se tendría una resistencia excesiva, puesto que se acercaría a 1,5 ohmios.

Fig. 4-4. Representación de las dimensiones de bobinas.

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Con la figura 4-5 vamos a determinar el número de espiras necesario. El resultado es de unas 220 espiras. La figura 4-6 nos permitirá encontrar el diámetro del hilo esmaltado que vamos a utilizar. Vemos que el de 1,2 mm es el que conviene. Con la figura 4-7 se puede verificar la resistencia de la bobina definida. Aquí encontramos 0,7 ohmios. Es necesario hacer tantas verificaciones como sean precisas "a menudo" mientras la bobina no esté terminada. Si, por ejemplo, quisiéramos confeccionar una bobina de 5,5 mH, esto es, X = 25,4 mm que convendrían, el número de espiras sería entonces de 290 y el diámetro del hilo, sería 1,3 mm. Un cálculo rápido muestra que esta bobina no estaría completa, puesto que puede

contener =3.14.25 capas y 19 x 19 = 361 espiras.

La figura 4-7, demuestra que con un hilo de diámetro 1,3 mm y X = 25,4 mm se tienen 1,1 ohmios de resistencia (con un bobinado completo de 361 espiras). Pero como nuestra bobina no lleva más que 290 espiras se tienen finalmente: una resistencia de:

Ω= 88.0361

290*1.1

Fig. 4-5. Determinación de las dimensiones de la bobina en función de la inductancia y de la resistencia.

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Fig. 4-6. Determinación del número de espiras en función de la inductancia y de las dimensiones de la bobina.

Fig. 4-7. Determinación del diámetro del hilo en función del número de espiras y de las dimensiones de la bobina.

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X ( mm) Peso (Gramos) 6.35 14.2 9.52 49.6 12.7 120.5 19.05 397 5.4 936

38.1 3118 4-5 AGRUPAMIENTOS DE CONDENSADORES, INDUCTANCIAS Y RESISTENCIAS Los componentes pueden conectarse en serie, en paralelo o en serie paralelo (Figura 4-

9). En los agrupamientos donde los resultados se dan por sus inversas RLC1,1,1 se

aprecia que el valor resultante es menor que el menor de los constitutivos. Por ejemplo, calculemos el valor resultante de un agrupamiento de resistencias R1 = 10 ohmios, R2 = 8 ohmios y R3 = 5 ohmios, en derivación.

Fig. 4-8. Determinación de la resistencia de la inductancia para un diámetro de hilo y una dimensión de la bobina determinados. Estando el bobinado completo como se indica en la figura.

Tabla 4-1. Peso del hilo necesario para la fabricación de una bobina, en función de sus dimensiones.

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425.02.0125.01.051

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1011

=++=++=R

; 425.01=

R de donde Ω== 36.2

425.01R

Ejemplo de agrupamiento de condensadores Puede suceder que el valor de un condensador requerido por un filtro elevado y no pueda encontrarse en el comercio. Se agruparán en paralelo varios condensadores de capacidades menores para obtener el valor deseado. Por ejemplo agrupando en paralelo 4 condensadores de 12 μF se obtendrá el valor deseado de 48 μF.

C = C1 + C2 + C3 + C4 = 12 + 12 + 12+ 12 = 48

Fig. 4-9. Agrupamiento de resistencias. A serie, B, en derivación ó paralelo. C, en serie derivación ó mixto.

Fig. 4-10. Tabla que da las fórmulas que permiten calcular los agrupamientos de los diversos componentes.

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En general los filtros se clasifican en los siguientes:

Pasa bajas Pasa altas Pasa bandas

Filtro pasa bajas: Es el primer filtro que se tiene, su funcionamiento es a base de un capacitor y resistencia.

Funcionamiento:

El capacitor se comporta como una resistencia dependiente de la frecuencia por la relación de: Frecuencias muy bajas el capacitor al ser una resistencia muy alta, consume todo el voltaje, si se conecta la salida en paralelo al capacitor se tendrá el máximo de voltaje a la salida. Conforme aumentemos la frecuencia de la fuente el capacitor disminuye su impedancia, con lo que el voltaje que disipa disminuye, hasta tender a cero. Filtro pasa altas El único cambio que presenta es la conexión de la salida, la cual en vez de tomarse del capacitor se toma de la resistencia lo cual nos provoca que en vez de dejar pasar las frecuencias bajas pasen las frecuencias altas.

Fig. 4-11. Circuito eléctrico RC, filtro pasa bajas.

Fig. 4-12. Gráfica característica de un filtro pasa bajas.

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La frecuencia es demasiado baja, el voltaje se consume casi en su totalidad en el capacitor, el cual se comporta como una impedancia de valor muy alto, por lo que en la salida no se tiene casi voltaje, cuando la frecuencia aplicada es aumentada se tiene que el valor de la impedancia representada por el capacitor disminuye hasta que casi no consume voltaje, y la mayoría del voltaje se tiene a la salida. Filtro pasa bandas Este es un filtro que se compone de un filtro pasa bajas y uno pasa altas conectadas en cascada.

Fig. 4-13. Circuito eléctrico CR, filtro pasa altas.

Fig. 4-14. Gráfica característica de un filtro pasa altas.

A B

Fig. 4-15. Ejemplo de un circuito eléctrico característico de un filtro pasa banda.

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Filtros separadores de frecuencia Cuando se agrupan varios altavoces es necesario que cada altavoz no reciba más que las frecuencias para las que ha sido concebido. Un montaje tal como indica la figura 4-17, es inadecuado. En el cada uno de los altavoces recibe la totalidad de las frecuencias suministradas por el amplificador. El altavoz principal no peligra en lo absoluto, pero no sucede lo mismo en el altavoz de agudos, que deberá soportar las frecuencias bajas, que exigen unos desplazamientos muy grandes de la bobina móvil, y que van acompañados de las potencias más elevadas. El altavoz de agudos no está concebido para funcionar en estas condiciones y su destrucción está asegurada en plazo breve. El filtro es el accesorio que permitirá a los diferentes altavoces un sistema de funcionamiento en las mejores condiciones; no recibiendo más que las frecuencias que pueden reproducir.

Fig. 4-16. Gráfica característica de un filtro pasa bandas.

Fig. 4-17. Montaje inadecuado de dos altavoces especializados: El altavoz de banda ancha se acomodará a la situación; en cuanto al de agudos, se deteriorará rápidamente.

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Será preciso también que el nivel de potencia sea constante, cuando un altavoz deje de funcionar en la frecuencia de corte mientras otro toma el cambio. Un filtro bien calculado permite a los altavoces trabajar en las zonas en que sus impedancias son casi constantes.

Los filtros pueden comprarse en el comercio. Los fabricantes de altavoces presentan algunos modelos adaptados para las combinaciones de sus productos los catálogos de lengua inglesa, crossover significa red de cruce. 4-6 CARACTERÍSTICAS DE UN FILTRO Las principales características de un filtro son la impedancia, la frecuencia de corte y la pendiente de atenuación. A) Impedancia: se expresa en ohmios.

B) Frecuencia de corte: es aquella en que un altavoz debe dejar de funcionar para que otro lo haga, todo esto sin que en el nivel sonoro exista una variación. Es aquella frecuencia cuya amplitud es un 70.7 % el valor de la amplitud máxima. Es decir: La intensidad sonora se mide en decibelios, a la frecuencia de cruce la intensidad sonora será: 20 log 0.707 = 20 ( - 0.15) = - 3 dB

Fig. 4-18. Denominación de los diferentes elementos de un filtro.

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La frecuencia de corte es una noción importante, que debe estar bien determinada. Los fabricantes indican las frecuencias de corte aconsejadas para sus altavoces. No se debe cortar nunca un altavoz por debajo de su frecuencia de resonancia.

Fig. 4-19. Ancho de banda, f1 frecuencia mínima, f0 frecuencia de corte, f2 frecuencia máxima.

Fig. 4-20. Frecuencia de corte característica del filtro pasa bajas junto con un pasa bandas.

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Por ejemplo, un altavoz medio que tenga una banda pasante de 750 Hz a 6000 Hz y cuya frecuencia de resonancia está situada en 600 Hz, no deberá ser cortada a 600 Hz; esto es evidente puesto que sabemos que un altavoz no puede nunca funcionar correctamente por debajo de su frecuencia de resonancia. En realidad, el filtro no corta de una manera neta, lo que no es realizable, sino gradualmente. En el diagrama la frecuencia de corte (fc) está situada en los 3000 Hz. Vemos que el altavoz principal disminuirá su potencia a partir de los 1500 Hz; simultáneamente, entra en acción el de agudos. En 3000 Hz el altavoz principal no da más que el 50 % de su potencia, mientras que el de agudos la potencia incrementa en un 50 % lo que hace que tengamos siempre un nivel del 100 %. Continuando el proceso, el altavoz principal no funciona en 4500 Hz. Y es el de agudos el que llega a su pleno régimen. De esta forma se mantiene siempre el nivel general de potencia al 100 %.

Figura 4-21. Frecuencia de corte característica del filtro pasa altas.

Figura 4-22. Frecuencia de corte característica del filtro pasa bajas junto con un filtro pasa banda y un con un filtro pasa altas.

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En la zona de 1500 Hz a 4500 Hz, en la que los dos altavoces emiten conjuntamente, la potencia de uno de ellos disminuye a medida que la del otro crece. Esta es la llamada zona común de trabajo. Cuanto más reducida sea esta zona, mayor es la pendiente de atenuación. Finalmente, los altavoces utilizados son los que determinan la frecuencia de corte. C) Pendiente de atenuación Está normalizada en – 3 dB, depende del número de elementos: un elemento capacitivo ó inductivo tiene 6 dB / octava. Con dos 12 dB y tres 18 dB/octava. Se expresa en dB/octava. Según sus concepciones, los filtros producen una atenuación de 6, 12 ó 18 dB/octava. La de 12 dB/octava es la más utilizada. Cuando existe una mayor atenuación, tendremos por consiguiente un mejor filtro. Con una atenuación de 6 dB, cada vez que la frecuencia se duplica, es decir, una octava, la atenuación de la potencia será del 75 %. Por ejemplo en una frecuencia de 2000 Hz, donde comenzará la atenuación, se tendría la potencia del 100% de 10 W.

Relación de

potencias Valor en

dB Modificación del

nivel en dB Multiplicar la potencia por:

1 0 -6 0.25 2 3 -12 0.0625 3 4.8 -18 0.156 4 6 5 7 6 7.8 7 8.5

Fig. 4-23. La frecuencia de corte no es neta, sino que ocupa cierta zona, aquí de 1500 Hz a 4500 Hz, denominada zona común de trabajo.

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8 9 9 9.5

10 10 16 12 64 18 128 21 256 24

1000 30 Así pues, 10 W en 2000 Hz; 10 x 0.25 = 2.5 W en 4000 Hz; 2.5 x 0.25 = 0.325 W en 8000 Hz. Con los mismos datos, pero con una atenuación de 12 dB, tendríamos: 10 W en 2000 Hz; 10 x 0.0625 = 0.625 W en 4000 Hz; 0.625 x 0.0625 = 0.039 W en 8000 Hz. Se comprueba que con 12 dB la atenuación es 4 veces más rápida que con 6 dB. Una atenuación de 18 dB será 16 veces más rápida que una de 6 dB, acercándose al ideal, que sería un corte brusco. La figura 4-24, indica la eficacia de las atenuaciones de 6, 12

Fig. 4-24. Curvas comparativas de atenuaciones de 6, 12 y 18 dB/octavas.

Tabla 4-2. Relación de potencias en función del nivel sonoro.

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y 18 dB/octava en función de la relación f/fc, siendo f, la frecuencia considerada y fc, la frecuencia de corte. La frecuencia de corte es aquella en la cual la potencia suministrada a cada altavoz es igual (f/fc=1); las curvas de cada uno de los altavoces deben ser simétricas alrededor de este punto. Como sabemos, el corte deberá efectuarse sin "hueco". Para conseguirlo las curvas de atenuación se cruzan en un nivel de 3 dB inferior al total dado por el amplificador. 4-7 DESFASE ACÚSTICO Los filtros permiten resolver el problema de la restitución de un gran espectro sonoro con ayuda de altavoces especiales. A menudo, cuando se ha resuelto un problema se crean otros inherentes a la solución dada. Así sucede aquí; hemos visto que los condensadores y los inducciones que constituyen nuestros filtros ocasionan desfases eléctricos, los cuales se transformarán en las cercanías de la frecuencia de corte, en desfases acústicos. Fenómenos que habrá que remediar, porque es importante que todos los altavoces de un recinto y todos los recintos que deban funcionar conjuntamente estén en fase, para la obtención de una audición regular de nivel constante. Se dice que dos altavoces están en fase cuando sus membranas se desplazan simultáneamente hacia adelante o hacia atrás. Está claro que cuando los altavoces están en fase las presiones acústicas de cada uno de ellos se suman, y que cuando están desfasados se restan. En estereofonía es necesario que las conexiones eléctricas internas y externas de los dos bafles sean rigurosamente idénticas para que estén en fase. Si uno de los bafles está desfasado con relación al otro se pierde el efecto estereofónico y se observa una pérdida de potencia en la zona de la frecuencia de corte. La figura 4-26, muestra en A, una instalación estereofónica desfasada; las membranas de los altavoces de un recinto se desplazan hacia adelante, mientras que las del otro lo hacen hacia atrás.

Fig. 4-25. En A, los altavoces están en fase. En B, desfasados.

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Para llevar fácilmente las cosas a buen término en B. es suficiente con invertir las conexiones de uno de los recintos. Desfase de 6 dB/octava

Un filtro de 6 dB/octava produce un des fase de 90° en la frecuencia de corte o sea, 1/4 de onda. Por ejemplo, en un filtro cuya frecuencia de corte sea de 1000 Hz (la longitud de onda de esta frecuencia es de 0.34 m) sería preciso, para corregir el desfase, retrasar el altavoz de agudos en el interior del recinto, una distancia de m08.0434.0 = o sea, aproximadamente 8 cm. Decimos aproximadamente, porque la distancia exacta debe hallarse por tanteos. En efecto, no es la cara de apoyo de los altavoces en el panel acústico la que se debe considerar, sino la alineación de los vértices de los conos de las membranas (Figura 4-27).

Haremos notar a este: respecto que el altavoz de agudos de compresión conviene perfectamente, puesto que la longitud de su trompa sitúa la membrana en el interior del recinto.

Fig. 4-26. En A, la instalación está desfasada. En B, para restablecer la puesta en fase es suficiente con invertir las conexiones de uno de los recintos.

Fig. 4-27. En A, las señales están desfasadas. En B, el vértice de la membrana del altavoz de agudos está alineado con el del altavoz principal: las señales están en fase.

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Desfase de 12 dB/octava

Un filtro de 12 dB/octava produce un desfase de 180° en la frecuencia de corte, o sea, 1/2 onda. Se corrige este desfase invirtiendo sencillamente las conexiones de uno de los altavoces. Desfase de 18 dB/octava Con 18 dB/octava un filtro produce un desfase de 270°, o sea, 3/4 de onda. La corrección se hace asociando las soluciones preconizadas para 6 y 12 dB/octava: se invertirán las conexiones de un altavoz y se retrasará una distancia de 1/4 de onda en el interior del recinto. Todo esto es válido cuando la frecuencia de corte se encuentra en las frecuencias bajas, donde las longitudes de onda son importantes. Si la frecuencia de corte está por encima de 2000 a 3000 Hz, el fenómeno de desfase no es significativo.

Es de notar que el recinto de altavoces independientes (Figura 4-27) permite fácilmente la corrección de los desfases, puesto que se pueden desplazar a voluntad en el espacio cada uno de los altavoces. La de 18 dB/octava parece la más preferible, pero las correcciones de desfase y la realización, son más delicadas lo que hacen que esta atenuación no sea la más conveniente.

La de 6 dB/octava está dada por los filtros más sencillos (un condensador o inductancia), realización fácil de precio módico a la que se puede reprochar una atenuación poco rápida. La de 12 dB/octava, más eficaz que la anterior, es una solución adoptada comúnmente. Añadiremos que un filtro de 6 dB/octava, situado en la frecuencia de corte adecuada, con altavoces de buena calidad, dará mejores resultados que otro de 18 dB/octava mal concebido. Terminaremos diciendo que algunos filtros de sistemas multicanales tienen varias pendientes de atenuación: pueden tener, por ejemplo, 6 dB entre los altavoces de graves y medios y 12 dB entre los de medios y agudos. 4-8 REDES DE SEPARACIÓN Los filtros repartidores de frecuencias tienen un cometido extremadamente importante en un bafle. En efecto, es posible dividir en tres categorías la tarea efectuada por un bafle: la ebanistería, los altavoces y el filtro. Este último sirve para dirigir las diferentes frecuencias hacia los transductores apropiados. Gracias al filtro es posible igualar las curvas de respuesta y de impedancia, trabajar las rotaciones de fase. En general, se utilizan dos tipos de filtros: los filtros activos y los filtros pasivos. El tipo más corriente es de configuración pasiva. El filtro pasivo se sitúa entre la salida de un amplificador y los altavoces; funciona a baja impedancia y alta potencia.

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El filtro activo se utiliza en la multiamplificación, estando cada altavoz alimentado por su propio amplificador. En este caso, el filtro se sitúa entre el preamplificador y los amplificadores de potencia. Un filtro activo funciona en alta impedancia y baja potencia.

Una red pasiva llamada red de cruce o crossover, tiene como función principal dividir las señales eléctricas dentro del espectro audible en intervalos, para que un altavoz con buena respuesta en frecuencia en ese intervalo, pueda reproducir con la mayor fidelidad posible, las señales eléctricas en señales sonoras. Obviamente las señales eléctricas que alimentan a la red, deben de tener única y exclusivamente, frecuencias dentro del espectro audible para su reproducción.

Como se ha visto a lo largo de este tema, existe una división de los altavoces en base al rango de frecuencias de reproducción, esta división es:

Subwoofers o altavoces de muy bajas frecuencias

Woofers o altavoces de bajas frecuencias

Squakers, midrange o altavoces de medias frecuencias

Tweeters o altavoces de altas frecuencias

Supertweeters o altavoces de muy altas frecuencias

Fullrange o altavoces de rango audible completo

Un buen sistema de reproducción, es aquel que contemple cuando menos dos de estos altavoces. La práctica general es emplear dos o tres altavoces. Cuando se emplean dos altavoces, estos son un woofer(bajos) y un tweeter(altos). Cuando se emplean tres altavoces, estos son un woofer(bajos), un squaker(medios) y un tweeter(altos).

Debido al empleo de estos dos tipos de sistemas de reproducción, surgen dos tipos básicos de redes pasivas de cruce:

La red de cruce de dos vías (para dos altavoces)

La red de cruce de tres vías (para tres altavoces)

En base a la atenuación que deben de presentar conforme se duplica la frecuencia, es decir, la atenuación por bandas de octava. Estas redes a su vez tienen otra como ya se vio en el tema anterior la clasificación que es:

Red de cruce de 6 dB/octava



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Las características principales de un filtro pasivo son:

El número de vías

Las frecuencias de cortes

La impedancia de carga

La atenuación de las distintas células

El número de vías: una caja acústica realizada con un "woofer" y un "tweeter" necesitará un filtro de dos vías compuesto de un pasa bajos y un pasa altos (el pasa bajos corta las frecuencias altas al woofer y el pasa altos corta las frecuencias bajas al tweeter). Una caja acústica realizada con un woofer, un medio y un tweeter necesitará un filtro de tres vías compuesto de un pasa bajos, un pasa banda y un pasa altos (el pasa banda corta las frecuencias bajas y las frecuencias altas, dejando pasar sólo las frecuencias del registro medio).

Las frecuencias de cortes: un filtro de dos vías que tenga un corte de 3500 Hz significa que el woofer está cortado a partir de 3,500 Hz y que el tweeter arranca a partir de 3500 Hz. La impedancia de carga: un filtro está calculado y puesto a punto en función de la impedancia de los altavoces.

La atenuación de las distintas células: la atenuación ocasionada por una célula pasa altos o pasa bajos se puede efectuar con distintas pendientes. Las pendientes de atenuación utilizadas son generalmente de 6 ó 12 decibelios por octava y pueden llegar hasta 18 ó 24 dB/oct. Si una célula corta a 1000 Hz a 12 dB/oct, ello significa que a 2000 Hz la señal quedará atenuada 12 dB, y cada octava superior será, pues, reducida en 12 dB. Sea un filtro de 6 dB/octava y 2 vías; tenemos:

Fig. 4-28. Filtro de 6 dB/octava de 2 vías (altavoz woofer y tweeter).

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Las formulas para calcular el valor de la bobina y el capacitor son las siguientes: Capacitor: Inductor o bobina: Donde Z, es la impedancia del altavoz y f, la frecuencia de corte. Se debe tener en cuenta que el valor obtenido del capacitor no siempre resulta exacto, para realizar su compra, ya que existen diferentes valores comerciales ya definidos, lo que se recomienda es realizar el arreglo según sea el caso en serie o paralelo de varios elementos capacitivos de un valor comercial, a fin de obtener un valor aproximado o igual al que se obtuvo a través de la fórmula. Sea un filtro de 12 dB/octava y 2 vías paralelo; tenemos Las fórmulas para calcular el valor de las bobinas y los capacitores son las siguientes: Capacitor: Inductor o bobina: Donde Z, es la impedancia del altavoz y f, la frecuencia de corte.

fZC

π21

=

fZLπ2

=

Fig. 4-29. Filtro de 12 dB/octava de 2 vías paralelo (altavoz woofer y tweeter).

221

fZC

π=

fZLπ2

2=

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Sea un filtro de 12 dB/octava y 2 vías serie; tenemos Las formulas para calcular el valor de las bobinas y los capacitores son las siguientes: Capacitor: Inductor o bobina: Donde Z, es la impedancia del altavoz y f, la frecuencia de corte. Sea un filtro de tres vías de 12 dB/octava paralelo; tenemos:

Fig. 4-30. Filtro de 12 dB/octava de 2 vías serie (altavoz woofer y tweeter).

fZC

π22

=

22 fZL

π=

Fig. 4-31. Filtro de 12 dB/octava de 3 vías paralelo (altavoz woofer, squaker y tweeter).

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Las fórmulas para calcular el valor de las boinas y los capacitores son las siguientes: Bobina del woofer = Capacitor del woofer = Capacitor del squaker 1 = Capacitor del squaker 2 = Bobina del squaker 1 = Bobina del squaker 2 = Capacitor del tweeter = Bobina del tweeter = Estas fórmulas corresponden a las células de filtrado que se emplean generalmente. No obstante, conviene conocer otros sistemas que, cuando son utilizados correctamente, pueden dar resultados muy interesantes. Un parámetro importante es el tiempo de propagación de grupo, el cual no es optimizado en las ecuaciones arriba citadas. El tiempo de propagación de grupo está constituido por la variación en la respuesta en fase de la función de transferencia ligada a la frecuencia.

Cuando la respuesta en fase es lineal en función de la frecuencia, el tiempo de propagación de grupo es constante. Estos métodos recurren a células de relleno. Entre una célula pasa bajos y una célula pasa altos se añade una tercera célula, llamada de relleno. Esta tercera célula tiene por objeto equilibrar el sistema y funciona perfectamente en sistemas de dos altavoces, más altavoz de relleno.

122f

ZLW π=

221

1ZfCW π

=

221

21 Zf

CSq π=

221

12 Zf

CSq π=

31 2

2f

ZLSq π=

22 2

2f

ZLSq π=

221

4ZfCT π

=

422

fZLT π

=

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4-9 FILTRO DE 2 VÍAS El espectro sonoro está dividido en dos partes (Figura 4-32). Puede intentarse equilibrar los canales determinando una frecuencia de corte que permita conceder a cada uno un número equivalente en octavas. Por ejemplo con un corte en 1000 Hz se tendrán aproximadamente 5 octavas en cada canal. Para el altavoz principal: 1000 Hz a 500 Hz, 500 Hz a 250 Hz, 250 Hz a 125 Hz, 125 Hz a 62 Hz, 62 Hz a 31 Hz; para el altavoz de agudos: 1000 Hz a 2000 Hz, 2000 Hz a 4000 Hz, 4000 Hz a 8000 Hz, 8000 Hz a 16,000 Hz, 16,000 Hz a 20,000 Hz. Si se quieren evitar las correcciones de desfase se elegirá un corte hacia los 3000 Hz. De todas formas, si el constructor de altavoces aconseja una frecuencia de corte dada se seguirán sus indicaciones. Filtros de 2 vías, atenuación de 6 dB/octava Comencemos por la más sencilla de las realizaciones. Es suficiente montar un condensador en serie con el altavoz de agudos.

Fig.4-32. Esquema de un filtro de 2 canales, frecuencia de corte 1000 Hz.

Fig. 4-33. Un condensador en serie con el altavoz de agudos, o con el grupo de estos, constituye un filtro de 6 dB/octava.

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ALTAVOCES

Sabemos que la reactancia de un condensador disminuye de forma inversamente

proporcional a la frecuencia ωC1 . Por esta razón, el condensador no tiene prácticamente

influencia a partir del momento en que su reactancia es 1/4 de la impedancia de los altavoces. Así, en los montajes de la figura 4-33, si queremos que los altavoces de agudos funcionen a pleno régimen en 2000 Hz (punto A de la curva de la figura 4-33) será necesario que en esta frecuencia la reactancia del condensador sea 1/4 de la impedancia

de los altavoces, aquí Ω=Ω 24

8

Se tendrá: ω*

1Z

C =

Siendo ω = 2πf, estando f en Hz; Z = impedancia, en ohmios.

Así, pues: 2*000,2*1416.2*2

1Hz

C =

Esta fórmula da el resultado en faradios. Para hallar el valor buscado en μF es preciso en la fórmula anterior multiplicar 1 por 10 a la 6, o sea, 1,000,000 para obtener la fórmula adjunta, de empleo mucho más agradable:

ωZC

410=

Se tiene entonces: 2*000,2*1416.2*2

1Hz

C = = 39.8 μF

También se puede citar la fórmula práctica:

Z Ω = fHzFC *

155.159μ

, de donde, fZ

C*155.159

= , o sea, FHz

μ8.39000,2*2155.159

=

o sea, prácticamente 40 .Fμ

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ALTAVOCES

Se evitarán estos cálculos utilizando la figura 4-34. Basta con trazar una recta que pase por los puntos conocidos, aquí Z = 2 Ω Y f = 2000 Hz, para encontrar el valor de C en μF. Advertiremos que, la frecuencia de 2000 Hz del ejemplo no es la de corte, sino aquella en la que el altavoz de agudos funciona a plena potencia, El corte se hará entre 1000 Hz y 1500 Hz; no siendo necesario buscar el valor exacto.

Fig. 4-34. Para hallar el valor de C en función de Z y de f.

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ALTAVOCES

En estos montajes solamente se controlan las frecuencias elevadas, lo que protege a los altavoces de agudos de todas las frecuencias bajas: el altavoz principal, que recibe todo el espectro sonoro sin inconveniente, será preferentemente de banda ancha. Así, por sencillo que sea, este género de filtros da resultados, excelentes. En la figura 4-35, se muestra en forma real los esquemas de conexión eléctrica de arreglos de altavoces.

Siempre con una atenuación de 6 dB/octava, se pueden controlar las frecuencias bajas añadiendo una bobina al condensador. El altavoz principal puede ser entonces uno de graves que cubra una parte del espectro medio; con tal altavoz especial se obtendrá una mejor definición de los graves. Se han elegido dos montajes.

Fig. 4-35. Vista real de las conexiones eléctricas representadas en los esquemas de la figura.

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ALTAVOCES

1.- Montaje

Los altavoces están en paralelo, el condensador está en serie con el altavoz de agudos, y la bobina en serie con el de graves (Figura 4-36).

2.- Montaje Los altavoces están en serie, el condensador está en paralelo con el altavoz de graves, y la bobina en paralelo con el de agudos (Figura 4-37). Cuando se utilizan los montajes número 1 o 2, el valor de los componentes estará dado por las fórmulas siguientes:

Para el condensador: Zfc

xC**2

101 6

π=

Fig. 4-36. Filtro de 2 canales y 6 dB/octava; los altavoces están conectados en derivación o paralelo.

Fig. 4-37. Filtro de 2 canales y 6 dB/octava, los altavoces están conectados en serie.

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ALTAVOCES

siendo C la inductancia en μF; fc la frecuencia de corte en Hz; Z la impedancia en ohmios.

Para la bobina: fc

ZL*210* 3

π=

Siendo L la inductancia en mH. Se aprecia, viendo estas fórmulas, que cuanto mayor es la frecuencia de corte, menores serán los valores de los condensadores y bobinas, lo que reducirá el tamaño del filtro. Tomemos un ejemplo numérico: calcular un filtro con condensador y bobina para un sistema cuya impedancia sea de 8 Ω, siendo la frecuencia de 2000 Hz.

Se tendrá:

El valor de la bobina será: mHHz

xL 63.0000,2*1416.3*2

108 3

==

Recordemos que si se agrupan los dos altavoces de agudos en el registro, no cambiará nada el cálculo.

FHz

xC μ9.98*000,2*1416.3*2

101 6

==

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ALTAVOCES

Filtros de 2 canales, atenuación de 12 dB/octava También llamados filtros 2L Y 2C, porque llevan dos bobinas los condensadores (Figura 4-38).

fc

ZL*210* 3

1 π=

ZfcC

**210*6.1 6

1 π=

fc

ZL*2*6.1

10* 3

2 π=

ZfcC

**210*1 6

2 π=

En estas fórmulas se tiene: L1 y L2, inductancias en mH; C1 y C2, capacidades en μF; Z, impedancia en Ω; fc, frecuencia de corte en Hz. Calculemos un filtro 2L – 2C de 8 Ω que tenga su frecuencia de corte 1000 Hz, se tendrá:

mHHz

L 27.1000,1*1416.3*2

10*8 3

1 == FHz

C μ8.318*000,1*1416.3*2

10*6.1 6

1 ==

mHHz

L 79.0000,1*1416.3*2*6.1

10*8 3

2 == FHz

C μ9.198*000,1*1416.3*2

106

2 ==

Fig. 4-38. Filtro de 2 L y 2 C con una atenuación de 12 dB/octava.

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Se encontrarán estos valores más rápidamente utilizando la figura 4-39. Para hallar los valores de las inductancias y capacidades hay que trazar dos rectas entre los puntos conocidos: aquí Z = 8 Ω y fc = 1000 Hz. Estas rectas cortan a las escalas L1, L2 y C1, C2 justamente en los valores buscados. Este filtro será perfecto para asociar un altavoz de agudos con uno de graves de calidad. La frecuencia de corte está situada en una zona comprendida entre 600 Hz y 2000 Hz.

Fig. 4-39. Determinación de los valores de los componentes del filtro.

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ALTAVOCES

4-10 FILTRO TIPO T Y π 1° Filtro en π Llamado así porque la disposición de los componentes del filtro que interesan a cada altavoz recuerda la letra π. Los valores de las inductancias y capacidades están dados por las fórmulas siguientes:

fcZL

*210*2 3

3 π= ,

fcZL

*2*6.110* 3

4 π= ,

fcZL

*210* 3

1 π=

ZfcC

**210*6.1 6

5 π= ,

ZfcC

**210*1 6

3 π= ,

ZfcC

**2*210*1 6

4 π=

Fig. 4-40. Esquema de principio de un filtro en π.

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2° Filtro en T Las fórmulas siguientes permitirán encontrar los valores de los condensadores y bobinas del filtro en T.

fcZL

*210*2 3

3 π= ,

fcZL

*2*6.110* 3

4 π= ,

fcZL

*2*210* 3

2 π=

ZfcC

**210*2 6

1 π= ,

ZfcC

**2*6.110*1 6

2 π= ,

ZfcC

**210*1 6

3 π=

Para los filtros en π y en T se tiene: L1, L2, L3 inductancias en mH; C1, C2, C3 capacidades en μF; Z impedancia en Ω; fc frecuencia de corte en Hz.

Fig. 4-41. Esquema de principio de un filtro en T.

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Los filtros de 18 dB/octava son de realización más compleja que los anteriores. A esto es preciso añadir la corrección de los desfases y los precios de compra, naturalmente más elevados todo este contexto hace que este género de filtros sea poco utilizado. Que el bafle sea cerrado o con ventana no altera nada respecto a la determinación de los filtros. Suele ocurrir que los resultados de los cálculos no sean "redondos" por ejemplo 13,25 μF. Se tomará entonces el valor más aproximado del comercio, o sea, 12 ó 15 μF. Lo mismo sucede con las bobinas, donde será preciso admitir la realidad de una cierta tolerancia; habrá que disponer de un instrumento de control para verificar el valor exacto. Teniendo en cuenta el redondeo o la falta de precisión de los valores de los condensadores y bobinas, sucederá que un corte previsto para 2000 Hz se efectuará en realidad en 1900 ó 2100 Hz aproximadamente, lo que finalmente no tendrá mayor importancia. Si se quisiera obtener con gran precisión una frecuencia de corte determinada habría que considerar que los condensadores del comercio tienen un valor ajustado con una cierta tolerancia en más o menos. Sería preciso, verificar el valor exacto de todos los componentes; operación delicada y fuera del alcance del aficionado que no posee los aparatos control de controles adecuados. Hemos dado las reglas generales para el cálculo de filtros. Puede llegarse a dar el caso que el constructor de altavoces aconseje unos valores diferentes a los encontrados con los cálculos para los diversos componentes del filtro. Será preciso seguir sus indicaciones porque éstas son el fruto de una experimentación seria. Por otra parte, el constructor indica unos valores de filtros para sus propios altavoces; habrá que adoptar dichos valores para altavoces de otras marcas. 4-11 FILTRO DE 3 VÍAS El espectro sonoro está dividido en 3 partes (Figura 4-42). Cada vía puede, evidentemente, alimentar uno o varios altavoces. La frecuencia de corte baja se hace entre 200 y 2000 Hz, y la de corte alto entre 3000 y 6000 Hz. La elección de la frecuencia alta es muy delicada en los sistemas multivías.

Fig. 4-42. Esquema de un filtro de 3 canales con frecuencias de corte en 200 y 6000 Hz.

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ALTAVOCES

Se hallan las pendientes de atenuación de 6, 12 ó 18 dB/octava. Las atenuaciones entre los altavoces de graves y medios y los de medios y agudos pueden ser diferentes. Aunque se puede calcular fácilmente un filtro de 2 vías, tal como hemos visto, no será lo mismo con los filtros de 3 vías. La determinación de un buen filtro de 3 vías es relativamente compleja: la experimentación es importante. Algunos constructores recurren incluso a los servicios de un ordenador para el cálculo de los valores de los componentes de estos filtros. Las fórmulas que a continuación se presentan son una alternativa de diseño:

)1........(1

1 fZL w

π= , ( ) )5........(

122 ff

ZL s

−=π

)2........(4

1

11

wZfC

π= , ( ) )6........(

4 21

322

sZffffC

π−

=

)3........(2

4 fZL t

π= , ( ) )7........(

21

123 ff

ffZL s

π−

=

)4........(4

1

24

tZfC

π= , ( ) )8........(

41

123 ffZ

Cs −

=π

En todas las fórmulas, f1 es la frecuencia de cruce inferior, f2 es la frecuencia de cruce superior, f2-f1 es por lo tanto el ancho de banda comprendido entre estas frecuencias. La red formada por C1 y L1 suministran el potencial a Zw, y como este es un altavoz de bajas frecuencias, la red es un filtro pasa bajas. C2, L2, C3 y L3 proporcionan la cantidad de energía que debe de tener Zs y como es un altavoz de frecuencias medias, la red es un filtro pasa banda y por lo tanto resulta lógico que aparezca el ancho de banda en sus respectivas fórmulas. En última instancia, C4 y L4 le asignan en voltaje a Zt, y como se trata de un altavoz de altas frecuencias, la red es un filtro pasa altas.

Cabe mencionar que otra función de la red de cruce o crossover, es mantener la impedancia total en un valor fijo que oscila alrededor de los 8 Ω (que también se considera para la obtención de la fórmulas (1) a la (8).

Solo resta escribir la fórmula para el cálculo del número de vueltas en los carretes que se emplearán en los embobinados. Esta ecuación es:

[ ]2

121

6.31)(1096

rrrlrL

N−++

=

99

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Donde L está en microhenrios (μH), l es la longitud del carrete, r1 es el radio externo del carrete, r2 es el radio con el grosor del embobinado (r1 + incremento estimado por embobinado), r1, r2 y l están en metros. Para encontrar los radios correspondientes tenemos que:

21

1dr =

22

2dr =

Donde d1 y d2, son el diámetro interior y el diámetro exterior, r1 y r2 son los radios correspondientes. Aproximadamente d2 es de 5 cm.

Fig. 4-43. Carrete para la construcción de la bobina.

100

ALTAVOCES

BAFLES 5-1 BAFLES Se designa por bafle acústico el conjunto de caja propiamente dicha más un altavoz (la caja puede contener uno ó varios altavoces). El papel de la caja es el de eliminar el corto circuito acústico, lo que permite cargar acústicamente la membrana para que pueda funcionar hasta frecuencias lo mas bajas posibles. El bafle acústico aumenta la eficacia del altavoz. Existen dos tipos de bafles principales para construir una caja acústica: 1.- El altavoz está encerrado en una caja hermética: bafle cerrado. 2.- El altavoz está encerrado en una caja hermética, pero una de sus caras tienen un orificio cuidadosamente determinado: bafle con ventana o caja acústica reflejo. 5-2 BAFLES CERRADOS La caja rígida, está construida para evitar todas las fugas de aire. Los ensamblajes encolados o atornillados y las juntas con masilla o cola permitirán realizar este imperativo.

Fig. 5-1. Interferencia entre el sonido frontal y el posterior (corto circuito acústico del un altavoz).

5

101

ALTAVOCES

Da una respuesta musical lineal, equilibrada en todas las frecuencias, sin remontar de forma anormal el nivel de las frecuencias bajas, fenómeno que sí se observa en los bafles reflejos. Funcionamiento La membrana emitirá ondas hacia delante y hacia atrás. Estas últimas, naturalmente, se pierden, puesto que están encerradas en el interior de la caja, sin ningún medio de comunicación con el exterior. Este género de bafle, es de poco rendimiento, ya que la mitad de la energía sonora, en todas las frecuencias, se pierden. Para evitar que las ondas posteriores queden reflejadas por las paredes de la caja y puedan perturbar a la membrana, todas las paredes interiores, salvo la frontal, que soporta el altavoz, estarán tapizadas de materiales absorbentes: fieltro, espuma plástica, lana de vidrio, etc. En estos materiales de amortiguamiento, las ondas sonoras son absorbidas y se disipan en forma de calor. Por otra parte, la masa de aire encerrada en la caja tiene su propia frecuencia de resonancia, que es tanto más importante cuanto menor es el volumen del bafle. Durante el movimiento de está hacia atrás, cuando las frecuencias reproducidas son bajas, o sea, que existen grandes elongaciones, el aire encerrado se comprime. No será preciso aumentar exageradamente el volumen, porque la membrana quedaría entonces poco frenada neumáticamente, y es una fuente de distorsiones por intermodulación. Sabemos que los altavoces para bafles cerrados son especiales, están equipados con suspensiones muy ligeras adaptadas a este frenado neumático. El altavoz también presenta su frecuencia de resonancia. Instalado en un bafle cerrado, su resonancia disminuye en amplitud pero aumenta en frecuencia. La elevación de esta frecuencia puede ser de una octava cuando el volumen de la caja es reducido.

Fig. 5-2. Bafle cerrado con un altavoz.

102

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Construcción Para eliminar la resonancia de la caja es preciso que sea muy rígida y que esté construida con un material que presenta una gran inercia, o sea, de mucha densidad. El cemento, el yeso, la arena (comprimidos entre dos placas de madera responden perfectamente a esta condición). En la práctica los paneles de la caja serán de madera. Recomendamos más particularmente el “Novopán” (panel de partículas de madera aglomeradas por colado a alta presión): es de elevada densidad, se trabaja fácilmente y es muy barato. Con toda seguridad se adoptará el Novopán, cuyo espesor varía de 15 a 25 mm según las dimensiones de la caja. No se debe escatimar por lo que al espesor se refiere porque el bafle no debe vibrar nada en lo absoluto. Esto provocaría una resonancia indeseable denominada coloración. Añadiremos que los paneles de grandes espesores facilitan de una manera notable el montaje y la construcción. Cuando el bafle tiene un volumen importante (por encima de 100 3dm ), antes que tomar paneles de grandes espesores, es preferible reforzar la rigidez por medio de listones de madera que formarán un pequeño armazón. La forma de la caja tiene también importancia: para minimizar las reflexiones internas lo ideal sería que ninguna de las paredes fuese paralela. Dimensiones No es preciso que la altura sea mucho mayor que las otras dimensiones obtendría entonces una columna de aire, con el riesgo de tener efectos perturbadores debido a las ondas estacionarias. Se procurará por eso que la altura sea inferior al doble de la longitud, la cual deberá ser ligeramente superior a la profundidad. Recordemos que el volumen (en

3dm ), se obtiene multiplicando la altura por la longitud y por la profundidad:

Fig. 5-3. Caras de un bafle cerrado.

103

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V = A x L x P Estando A, L y P, expresadas en dm (1 dm = 10 cm), de esta fórmula se obtiene: L = 2 d + 20 % A = 2 L P = L + 20 % Donde: L = Largo A = Alto P = Profundo d = Diámetro del altavoz La respuesta musical es agradable, regular y lineal, porque aunque se pierda la mitad de la energía sonora en bajas frecuencias, sucede lo mismo en las medias y en las altas.

Fig. 5-4. Dimensiones para un bafle cerrado (alto, largo y profundo).

Fig. 5-5. Grafico de la impedancia en función de la frecuencia del bafle cerrado.

LxAVP =

PxAVL =

LxPVA =

104

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De donde: A: Al aire libre B: Bafle cerrado 5-3 BAFLES ABIERTOS También llamado bafle con ventana o antiresonante. El bafle acústico reflejo además de la supresión del corto circuito acústico permite reducir la frecuencia de resonancia del altavoz. De esta manera acrecienta su respuesta en las frecuencias bajas, aumentando además el rendimiento de estas frecuencias utilizando la onda posterior de la membrana. Es decir que con una misma potencia del amplificador, la potencia sonora suministrada por un bafle acústico reflejo será superior, en las frecuencias bajas, a la obtenida en un bafle cerrado. El altavoz está alojado en un bafle hermético, una de de cuyas paredes tiene un orifico llamado ventana. Esta puede ser un agujero corriente o prolongado por un conducto tubular llamado túnel. Generalmente la ventana está colocada en la pared frontal donde está el altavoz. Todo altavoz ordinario puede montarse en un bafle acústico reflejo. La suspensión de estos altavoces normales es mucho más rígida que la de los altavoces para bafles cerrados.

Fig. 5-6. Bafle abierto con un altavoz.

105

ALTAVOCES

Funcionamiento El principio del bafle acústico reflejo está basado en el resonador de Helmhotz, constituido por un recipiente de paredes rígidas, una de las cuales tiene un orificio que puede ser un simple agujero prolongado por un cuello o no. El aire encerrado en el recipiente hace el papel de muelle, mientras que el contenido en el cuello presenta una cierta masa. Cuando llega a los bordes del cuello una cierta frecuencia producida en el exterior, la masa de aire empujada al interior del cuello entra en resonancia con el aire encerrado en el recipiente. Esta resonancia ofrece la particularidad de reforzar las frecuencias próximas. También se puede obtener esta resonancia suministrando a una de las paredes del recipiente de un pistón animado de un movimiento apto para crear una frecuencia alterna. Se puede trasponer fácilmente este sistema al bafle acústico reflejo: el pistón quedará reemplazado por la membrana del altavoz. Una analogía mecánica hará comprender mejor los movimientos del aire en el bafle; supongamos un sistema compuesto por un muelle al que se le suspende un peso. Cuando el sistema está en reposo, el peso está equilibrado por la fuerza elástica del muelle. Si se tira el peso hacia abajo y se suelta bruscamente, éste se remontará hacia arriba. Sobrepasando, debido a su inercia, su punto de reposo. El peso comprimirá el muelle que volverá a enviar el peso hacia abajo, y así sucesivamente, hasta el paro total. Pero hacia el final del movimiento, cuando la amplitud de los recorridos es pequeña, las oscilaciones tendrán la misma frecuencia: esta frecuencia constante es la de resonancia mecánica del sistema. Tomemos el medio e imprimamos al sistema un movimiento vertical alternativo de la misma frecuencia de resonancia. Comprobaremos que cuando nuestra mano desciende el peso sube y que, cuando tiramos hacia arriba el peso desciende. Hay opción de fase entre los movimientos de la mano y del peso.

Fig. 5-7. Resonador de Helmhotz.

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Para trasponer este efecto al bafle acústico reflejo es necesario que la frecuencia de resonancia del aire encerrado en la caja esté de acuerdo con la resonancia del altavoz. Tal es el papel de la ventana, que debe estar determinada con precisión. Si se cumple esta condición obtendremos los movimientos acústicos siguientes: Cuando la membrana se desplaza hacia atrás el aire entra en el bafle por la ventana. Se vuelve a tener el movimiento mecánico (cuando nuestra mano desciende, el peso sube), pero comprobamos que los movimientos de la membrana y del aire tienen el mismo sentido, están en fase. En el movimiento inverso, la membrana se desplaza hacia delante y el aire saldrá de la caja. Este efecto permite radiar una parte de la energía sonora por el altavoz y otra por la ventana. Este principio no es válido más que en las frecuencias bajas: hasta unos 1000 Hz. Por encima de estos 1000 Hz, el sistema no es válido y el funcionamiento se hace más lógico, cuando la membrana retrocede, el aire sale por la ventana, y cuando la membrana avanza el aire entra por la ventana. El sistema acústico reflejo no aumenta, el rendimiento más que en las frecuencias bajas, donde radia la energía sonora en fase por el altavoz y la ventana. En estas frecuencias bajas la membrana se desplaza hacia atrás y el aire entra en la caja, donde se produce una sobrepresión. Obtendremos así un frenado neumático eficaz de la membrana. Esto permite anular la resonancia del altavoz, pero, en contrapartida, se obtendrán otras dos amplitudes casi iguales y desplazadas en frecuencia: una adelantada y otra atrasada con respecto a la frecuencia de resonancia del altavoz.

Fig. 5-8. Sistema masa resorte.

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Esta curva corresponde a un bafle acústico reflejo bien estudiado. Un bafle mal calculado hará aparecer resonancias superiores e inferiores desplazadas y amplitudes variables entre sí. Veamos ahora cómo funciona el altavoz en las diversas resonancias: En la resonancia superior, las ondas sonoras del altavoz y de la ventana están en fase y se sumas: el rendimiento es máximo. En la resonancia fundamental (la del altavoz al aire libre), la amplitud de las vibraciones de la membrana es pequeña. La sobrepresión del aire es máxima y frena enérgicamente los desplazamientos de la membrana. Esta es una ventaja del sistema acústico reflejo, que pueda reducir la amplitud de la carrera de la membrana en las proximidades de la frecuencia de resonancia fundamental, lo que no permite el bafle cerrado. La emisión sonora sólo se difunde por la ventana: no hay que temer distorsión procedente del altavoz. En la resonancia inferior, las ondas sonoras del altavoz y de la ventana tienden a ponerse en oposición, y debido a esto el rendimiento disminuye. Se comprueba que este altavoz, que tenía una frecuencia de resonancia de 50 Hz, puede, gracias al bafle acústico reflejo bajar su límite de funcionamiento hasta las proximidades de los 30 Hz. Así, con el sistema acústico reflejo el rendimiento en las frecuencias bajas será grande; no lo será en las frecuencias medias y, sobre todo, en las agudas, donde el sistema no tiene ninguna influencia. Esta importancia del volumen sonoro en las frecuencias bajas no agrada a todos los oídos y es un reproche corriente que se hace a este tipo de bafle, si no se busca la forma de equilibrar la respuesta en frecuencia en toda la gama de frecuencias. Si el reciento es de gran potencia se hace indispensable añadir un altavoz de agudos al altavoz principal para restablecer un nivel casi constante en todas las frecuencias reproducidas.

Fig. 5-9. Gráfico de la impedancia en función de la frecuencia del bafle abierto.

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ALTAVOCES

Construcción Son validas todas las indicaciones ya establecidas en el apartado construcción de bafles cerrados. Dimensiones Si la determinación de las dimensiones del bafle cerrado no creó apenas problemas, porque no son críticas, no sucede lo mismo en el reflejo. Será preciso determinar con precisión el volumen del bafle y la sección de la ventana para sintonizar acústicamente las resonancias del volumen de aire y del altavoz. Lo más común será pues, proceder a ajustes en el momento del armado, para obtener un resultado conveniente. La solución más prudente consiste en seguir las indicaciones dadas en los catálogos por los fabricantes de altavoces. Algunos dan las dimensiones de la caja y la sección de la ventana, determinadas en función de cada uno de los altavoces y de su gama. Puede construirse entonces el bafle con toda seguridad, sin necesidad de ajuste final. El volumen del bafle, se determina en función de la frecuencia de resonancia del altavoz, que debe ser conocida con precisión. Se puede verificar utilizando un generador de baja frecuencia y un voltímetro de corriente alterna. El altavoz debe colocarse en el centro de la sala de pruebas, alejando de todos los tabiques u otros obstáculos que puedan ocasionar reflexiones o resonancias inoportunas. La salida del generador de baja frecuencia, se ajusta a un nivel modesto y se pasan lentamente las frecuencias de 10 Hz a 100 Hz; en la frecuencia de resonancia busca la aguja del voltímetro se desviará notablemente. En la frecuencia de resonancia buscada se observará bruscamente subida del nivel sonoro. La altura debe ser igual a 1.5 veces aproximadamente a la anchura. La profundidad será igual, aproximadamente a la mitad de la altura. Las dimensiones no son críticas, por el contrario, la sección de la ventana debe determinarse con precisión. Esta sección puede ser cuadrada, redonda o rectangular, pero no se debe hacer un rectángulo muy largo y poco alto, que se reduciría a una ranura y podría producir resistencias acústicas. Se puede modificar la frecuencia de resonancia del bafle alterando la superficie de la ventana: Reduciéndola disminuye la resonancia. Agregando un túnel se puede también bajar la frecuencia de resonancia sin disminuir el volumen del bafle y está es la solución adoptada en bafles de pequeñas dimensiones. Se puede, estar tentado a reducir la sección de la ventana o añadir un túnel para reducir el volumen del bafle. Pero al hacer esto se disminuye la superficie de radiación sonora de la ventana. Para una frecuencia de resonancia dada, el volumen del bafle es tanto mayor cuanto mayor es la sección de la ventana.

109

ALTAVOCES

5-4 TÚNEL DE AJUSTE Cálculo del tubo de entonación: Determinar el diámetro y la longitud del tubo necesario para entonar un bafle de las siguientes dimensiones: 40 cm, ancho, por 30 cm de profundidad, por 65 cm de alto. La frecuencia de resonancia del altavoz de bajos (Woofer) es de 22 Hz. Determinar: 1.- La longitud del tubo 2.- El diámetro Ø = ? Datos: ancho = 40 cm = 0.4 m = 1.31 ft L = ? 1 ft =0.3048 m Profundidad = 30 cm = 0.3 m = 0.98 ft; Alto = 65 cm = 0.65 m = 2.13 ft; Fres= 22 Hz Vol = ancho x alto x profundidad = (1.13 ft) x (0.98 ft) x (2.13 ft); Vol = 2.75 2.- Una vez que obtuvimos el valor del volumen, tenemos que ir a nuestra tabla y ubicar este valor en la fila. Nuestro valor fue de 2.75, entonces si observamos en la figura 5-10, este valor estará comprendido entre 2.5 y 3. 3.- Como ya conocemos la resonancia de nuestro altavoz que es de 22 Hz, buscamos en la tabla ese valor en la columna de la derecha y vemos que está dentro de los valores de 20 y 25.

Vol = 2.75

FRES= 22 Hz

3ft

Diámetro

Longitud

Fig. 5-10. Tabla de valores para tubos de entonación cilíndricos.

110

ALTAVOCES

4.- Al ubicar la posición de nuestros valores en la tabla trazamos una línea perpendicular en el caso del volumen del bafle y una horizontal en el caso de la resonancia del altavoz para obtener un punto de cruce. Una vez obtenido ese punto podemos observar que no si no cae en un número establecido en la tabla tenemos que tomar los cuatro valores aledaños que en la figura están encerrados por un rectángulo como se muestra en la figura 5-11. 5.- Ahora tenemos que obtener 2 promedios, el primero será de 8

56 ’ hasta 433 ’ todo

esto dividido entre 5; el segundo será de 415 ’ hasta 4

32 ’ divido de igual manera entre 5

ya que este valor se toma de la columna de resonancia, porque existe una diferencia entera entre 20 Hz y 25 Hz de 5 Hz y dado que nuestra resonancia es de 22 Hz, nos conviene tomar de uno en uno para encontrar nuestro valor. Los valores obtenidos en el promedio 1 y en el promedio 2, para obtener los valores intermedios de longitud del tubo se deben sumar de forma ascendente, por ejemplo para el promedio 1 se obtuvo el valor de 0.575 el cual sumaremos con 3.75 ó 4

33 y así

sucesivamente hasta el último valor, también lo realizaremos con el valor obtenido del promedio 2. 6.- Una vez obtenidos nuestros valores realizamos una tabla como se muestra en la figura 5-12. Con estos valores realizaremos nuevamente un nuevo promedio pero ahora en tomando en cuenta los valores horizontales que obtuvimos solo en nuestra frecuencia de resonancia de 22, estos valores son 5.475 y 4.25, debemos obtener un promedio número 3 el resultado también se dividirá entre 5.

Fig. 5-11. Conjunto de valores aproximados para encontrar la longitud del tubo.

111

ALTAVOCES

7.- Ahora el valor del promedio 3, que fue de 0.245, debemos sumarlo de izquierda a derecha, iniciando con el valor de 4.25 de la columna del promedio 2 hasta llegar a la otra columna del promedio 1. Si observamos tenemos que donde cruza el valor del volumen del bafle que es de 2.75, tenemos los valores de 4.985 y 4.74, pero aún no tenemos un valor específico, debemos realizar otro promedio entre estos números pero divido entre 2, para ahora si encontrar nuestra longitud del tubo correspondiente a 22 Hz de resonancia del altavoz.

55..2233 44..998855 44..7744 44..449955

575.04023

54

33856

1Pr ==⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡ −=om 5.0

21

54

32415

2Pr ==⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ −=om

20 6.625 21 6.05 2222 55..447755 23 4.9 24 4.325 25 3.75

+ 0.575

+ 0.575

5.25 4.75 44..2255 3.75 3.25 2.75 + 0.5

+ 0.5

245.05

25.4475.53Pr =⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

=om

2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3

+ 0.245

Vol = 2.75

Fig. 5-12. Cálculo de promedios y valores intermedios de la tabla.

112

ALTAVOCES

Longitud del tubo = L = 4.8625 “=12.34 cm Diámetro del tubo = Ø = T 2 = 2 ” 5-5 ELECCIÓN DE LOS MATERIALES La densidad y la frecuencia de resonancia de los materiales juegan un papel fundamental. Si, por razones de costo, y pesos, estamos obligados a tomar esta clase de material, cualquiera que sea el tipo de caja acústica estudiado, es imposible obtener de ella una reproducción de buena calidad antes de llegar a eliminar las resonancias de sus paredes. Cuanto más grandes sean los paneles tanto más imperiosa es esta regla. El sándwich de arena entre hojas de contrachapado se aconseja para los paneles de grandes superficies. El ladrillo, el mármol y el cemento son excelentes, pero conducen a realizaciones intransportables pero es absolutamente necesario utilizarlos en espesores importantes (esta técnica es muy utilizada en algunas discotecas, realizándose cámaras de albañilería y gruesas paredes). De hecho, un estudio más a fondo nos revela que la mejor solución consiste en emplear diferentes materiales a fin de generar diferentes velocidades de propagación. Tablero de DMF: son fibras de madera mezcladas con una cola sintética y prensada a más de 20 toneladas de presión.

Vol = 2.75

2222 55..447755 44..2255

1225.02

74.4985.44Pr =⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

=om

44..998855 44..88992255 44..7744

+ 0.1225

55..2233 44..998855 44..7744 44..449955

Fig. 5-13. Cálculo de promedio y el valor final de longitud del tubo de entonación.

113

ALTAVOCES

Tableros de contrachapado: (es un tipo de madera, que habitualmente se compone de tres o más láminas diferentes, encoladas entre sí) existen diferentes combinaciones, laminados con abedul, nogal, roble, pino, etc., de su rigidez dependerá su frecuencia de resonancia. Nuestra recomendación es el contrachapado marino. Tableros de conglomerado: existen de muchos tipos, es una mezcla de maderas trituradas encoladas y prensadas, es la menos recomendable, por su baja calidad, muchos fabricantes la utilizan dado su bajo precio, reforzándola interiormente con listones de madera. Tablero de Polimetacrilato de Metilo: A veces llamado simplemente “acrílico”. Aunque este término describe a una familia numerosa de polímeros químicamente conexos el PMMA es un termoplástico amorfo, transparente e incoloro, duro, rígido, pero quebradizo y sensible a la entalla. Tiene una buena resistencia a la abrasión y a los rayos UV, una excelente claridad pero resistencia débil a las temperaturas, a la fatiga y a los solventes. A pesar de ser inflamable, su emisión de humos es débil. Fibra de vidrio: se compone de manta de vidrio, resina, y catalizador (endurecedor), se trata de fabricar los tableros (o formas elegidas) necesarias, a base de capas, extendiendo la manta y untando con un pincel o brocha la resina que previamente habremos mezclado con el catalizador en proporciones que indique el fabricante, y dándole el espesor necesario. El espesor mínimo de dicho material será de 6 m/m. Unión de los materiales Los cantos de las caras a unir deberán estar perfectamente pulidos, y deberán unirse entre sin la más mínima fisura. De no ser así deberemos rellenar con materiales lo suficientemente resistentes las fisuras existentes, (no es nada recomendable esta práctica, pero si no hay más remedio pondremos la máxima atención a este proceso). Para la madera: es de vital importancia el encolado y el atornillado de la caja, las colas que utilizaremos son: cola blanca para la madera de venta en almacenes de bricolaje. Primero haremos un agujero con una broca de 1 mm de grosor menor al tornillo que utilizaremos, la atornillaremos con tornillos para madera, 3 veces más largos que el espesor de la madera. Para el polimetacrilato: existen adhesivos técnicos para este material también de venta en tiendas especializadas (ferreterías, almacenes de bricolaje) y su atornillado será más cuidadoso que el de la madera, ya que hemos visto en sus propiedades su facilidad a resquebrajarse, la mejor solución para el acrílico será hacer rosca con unos machos, e introducir tornillos de rosca, 2 veces más largos que el grosor del acrílico. Refuerzos interiores: utilizaremos listones triangulares de la madera más fuerte que podamos encontrar (tipo arce o similar), alistonando todas las paredes interiores y pegando los refuerzos con cola de madera (para caja de madera, y adhesivos técnicos para el acrílico) de la caja.

114

ALTAVOCES

Cajas con tubo sintonía: Es el orificio por donde se drenara el aire del interior de la caja, este puede ser un tubo cilíndrico, el cual deberá de tener sus extremos en forma de embudo para evitar el silbido a la salida del aire, la medida del mismo formara parte del cálculo previo de la caja. El tubo también puede ser rectangular en vez de redondo, siempre que se conserve su área. Es de vital importancia también el sellado del tubo en la caja, para ello tendremos que utilizar a ser posible una corona dentada casi del mismo diámetro (dos milímetros menos que el tubo) de no ser posible utilizaremos una caladora y procuraremos seguir fielmente el trazo marcado es decir que no existan perdidas de aire y finalmente sellaremos el tubo a la caja. Existen tamaños estándar para los tubos de plástico, son varios los fabricantes que los comercializan; desde: 40 a 300 mm. Acabados de la caja Los acabados de la caja dependerán del material con que haya sido realizada, pero la forma más habitual será el tapizado de la misma, sea bien con moqueta o vinilo, una forma muy elegante es él pintarla con acabado brillo, previamente dándole fondo tapa poros, esta operación se reserva para profesionales de la pintura.

115

ALTAVOCES

TIPOS DE CAJAS 6-1 CAJA CERRADA Para evitar todo corto acústico entre las dos caras de la membrana, basta colocar el altavoz sobre una caja perfectamente estanca. La onda de atrás será amortiguada por materiales acústicos (lana de vidrio).

Parámetros de una caja cerrada:

Forma de la curva amplitud/frecuencia

Nivel acústico en cada frecuencia

Respuesta transitoria

Potencia eléctrica

Potencia acústica

Desplazamiento del cono

Volumen de la caja

Frecuencia de resonancia de la caja

Frecuencia de corte de la caja, en -3 dB

6

Fig.6-1. Corte de una caja cerrada.

116

ALTAVOCES

Forma de la curva amplitud/ frecuencia Es posible, para una caja cerrada, determinar su coeficiente de sobre tensión Q. Este depende de los parámetros mecanoacústicos del transductor elegido, así como de la ebanistería por la que será cargado. Volumen de la caja

( )

1

1

2

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

+=

FsFc

FsFc

α

α

αVASVAB =

VB = VAS, caja no amortiguada; VB = VAB / 1,2, caja amortiguada. α = relación, VAB = volumen de aire equivalente a la elasticidad de la suspensión del altavoz; VB = volumen de la caja. Frecuencia de resonancia de la caja cerrada: Fc

QTSQTCxFsFc =

FS = frecuencia de resonancia del altavoz al aire libre; QTC = coeficiente de sobretensión del sistema en la frecuencia de resonancia de la caja (QTC = 0.5, 0.71, 1, 1.4, 2, valores que se toman generalmente para los cálculos); QTS = coeficiente de sobretensión total del altavoz. Frecuencia de corte en - 3 dB: F3

212 −=

QTCA

243

2 ++=

AAFcxF


FcFxFN =

117

ALTAVOCES

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

=1

log10 24

4

AFNFNFNFdB

Fx = frecuencia en la que se calcula la atenuación o la sobretensión del sistema. Resultado positivo: sobretensión; resultado nulo: curva plana; resultado negativo: atenuación. FN = razón de Fx a Fc. FdB = nivel de atenuación o de sobretensión en dB. Potencia eléctrica en W: PER

33

243

0 10VASxFsBQTSVDF

nPARPER ==

on = rendimiento de la caja

)(102 33

36 VBmVBFxno−=

)(102 3

39 VBlitrosVBFxno−=

FsB = frecuencia de resonancia del altavoz montado en la caja. Potencia acústica en mW: PAR

9

243

102.1 xVDF

PAR =

xSDVD *=

SD = superficie activa de la membrana del altavoz; x = elongación máxima lineal del equipo móvil. Es igual a la altura del entrehierro menos la altura de la bobina. Desplazamiento del cono x

11

24 ++=

AFNFNx

6-2 CAJA BASS REFLEX En el caso de una caja cerrada, la emisión acústica producida por la parte trasera de la membrana se pierde en forma de calor a través del material absorbente. La caja bass reflex tiene por objeto recuperar una parte de esta energía. En la ebanistería está realizada una abertura llamada respiradero.

118

ALTAVOCES

La masa de aire que esta en este respiradero va a ser puesta en vibración por el volumen de aire comprendido en la caja. Tenemos, dos masas: el altavoz y el aire comprendido en el respiradero, separadas por una tercera masa, el volumen de aire comprendido en la caja. Esta última va hacer el trabajo de resorte. A muy baja frecuencia, el sistema estará en oposición de fase. Al subir la frecuencia, se pondrá en fase en la resonancia, para volver a descender a oposición de fase. Debido a este fenómeno, la presión acústica podrá aumentar y la caja tendrá, en general, una octava más en los graves. Haciendo variar el volumen de la caja y las dimensiones del respiradero, será posible optimizar las características del sistema. Parámetros de una caja bass reflex

Forma de la curva amplitud/ frecuencia


Respuesta en frecuencia

Potencia eléctrica

Potencia acústica

Desplazamiento del cono

Volumen de la caja


Frecuencia de corte de la caja, en – 3 dB

Diámetro óptimo del respiradero

Longitud del respiradero

Fig.6-2. Corte de una caja bass reflex.

119

ALTAVOCES

Forma de la curva amplitud / frecuencia Forma de la curva amplitud/ frecuencia depende del volumen de la ebanistería, del parámetro del altavoz, así como del respiradero. Esta forma está caracterizada por el coeficiente de sobretensión del sistema en la resonancia. Los coeficientes generalmente empleados para los cálculos son: S = 16, 11.3 8, 5.7, 4, 2.8, 2. Cálculo del volumen de la caja para una curva recta VB:

3.320VASQTSVB = Lo cual da una curva de frecuencia F3:

2

3VB

VASFRF =

VB = volumen de la caja; VAS = VAS altavoz al aire libre; QTS = coeficiente de sobretensión total del transductor; FR = frecuencia de resonancia del transductor al aire libre; F3 = frecuencia de corte de la caja, en – 3 dB. Cálculo del coeficiente de sobretensión de la caja S

2QTSVAS

VSS =

Cálculo del volumen de la caja y de la frecuencia de corte para un S dado

2SxVASxQTSVB =

VBVASxFRF

2

3 =

Cálculo del nivel de sobretensión RH

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

4.0log20

3.0)/( VBVASQTSRH

RH = nivel, en dB, del aumento o de la disminución de presión acústica del sistema en la resonancia.

120

ALTAVOCES

Frecuencia de resonancia del altavoz montado en la caja FSB.

VBVAS

=α

44.03 αFSBF =

13.031.0 3

αα FFSBFB ==

31.044.0

3ααFBFFSB ==

Cálculo de la potencia acústica PAR en mW

8

44

1033x

VDFPAR = )*( xSDVD =

Cálculo de la potencia eléctrica PER en W

( )VASFSBPARQTSx

nPARPER 3

6

0

102.1==

VBFxn 33

60 109.3 −= VB en 3m


FSBFxFN =

( ) ( )222224

4

log20BDFNFNACFNFN

FNR−++−

=

2

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

FSBFBA

FSBFB

QTSAB

7+=

FSBQTSFB

VBVASAC

71 +++=

121

ALTAVOCES

FSBFB

QTSD

71

+=

Diámetro óptimo del respiradero

Dv opt. = 4

20FbVD


VbFbL 2

2350'= L’ Longitud teórica

( ) dvvdLlv 73.0' 2 −= (lv = longitud real)

( )

'2'485.085.0 2

LlvL

dv++−

=

Método clásico

LvVbSv

LvVbSvCFb

ππ 2340

2== (Lv= longitud teórica)

Lv = L’v + L’’v → L’v = Lv- L’’v ( L’v = longitud real)

Método general Sea la elasticidad del aire en la caja:

20140449 xCVBVBCAB

ϕ==

Según esta ecuación, la masa acústica del respiradero se escribe:

CABFbMAP 224

1π

=

y la longitud:

18.1MAPxSvL =

Del mismo modo que en el caso precedente convienen efectuar una corrección de extremidad. En efecto, la columna de aire que es puesta en movimiento en el respiradero arrastra el aire próximo a sus extremidades, provocando un aumento de la masa acústica del respiradero. Conviene reducir la longitud teórica y hacer una corrección.

122

ALTAVOCES

Correcciones de extremidades Respiradero “bafle” en una de sus extremidades: SvvL 82.0'' = Respiradero “bafle” en dos de sus extremidades SvvL 95.0'' =

Desplazamiento del cono x La elongación del cono en cada frecuencia es igual a:

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−+

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

=

FRFbFx

x

FRFb

FRFbFx

FRFbFx

x

FRFbQb

xQEFRVASPER

Sdx

*

11

*

1

*

11**3

2

2

22

2

Qb = 7; Fx = frecuencia de cálculo; Sd = superficie activa del transductor; PER = potencia eléctrica. 6-3 CAJA CON RADIADOR PASIVO La caja con radiador pasivo, más conocida por el nombre de caja activa/pasiva, se deriva de la caja bass reflex. Se basa en el mismo principio de funcionamiento, pero en este caso la masa de aire del respiradero se sustituye por un altavoz pasivo. Un altavoz pasivo con un transductor que no tiene ni motor magnético ni bobina. La parte eléctrica está suprimida y sólo subsiste el funcionamiento mecanoacústico.

Fig.6-3. Corte de una caja activa/pasiva.

123

ALTAVOCES

Encontramos una membrana y un sistema de guía (araña suspensión periférica). El funcionamiento de un altavoz en caja con radiador pasivo es muy flexible. Permite obtener resultados similares a la caja bass reflex con volúmenes más pequeños. Parámetros de una caja con radiador pasivo:



Respuesta transitoria

Potencia eléctrica

Potencia acústica

Volumen de la caja


Frecuencia de corte de la caja, en – 3 dB

Valor de la masa del cono pasivo en función de las características de la caja

Forma de la curva amplitud/frecuencia La forma de la curva amplitud/frecuencia depende del volumen de la ebanistería y de los parámetros del activo y del pasivo. Esta forma está caracterizada por el coeficiente de sobretensión del sistema en la resonancia. Los coeficientes empleados para los cálculos son: 0.6, 1, 1.4, 3, 6. Volumen de la caja

αVASVB =

Cálculo de la frecuencia de resonancia de la caja

FRhFbFRFbh *=→=

Cálculo de la frecuencia de corte, en – 3 dB, de la caja

FRkFFRFk *33

=→=

Frecuencia de resonancia del pasivo

FRFPy =

124

ALTAVOCES

En el caso del cálculo de una caja con radiador pasivo, conviene tomar como base:

b=α ; CabCas

=α ; CabCapb =

Por tanto, Cas = Cap Para obtener un sistema coherente, es necesario que la elasticidad acústica del pasivo sea idéntica a la del activo. Cas = elasticidad acústica equivalente del altavoz Cab = elasticidad acústica equivalente de la caja (ebanistería) Cap = elasticidad acústica equivalente del pasivo

Valor de la masa del cono del pasivo

( )CmpWp

CmpWpMmp 2

12 1==

−

Cmp (elasticidad mecánica del pasivo) = 2SCap

Mmp: es igual a la suma de las masas de la membrana, la masa adicional y la masa de radiación del aire sobre el cono. Potencia acústica

xVdxFPAR 433= Vd = volumen del aire entregado por el activo en elongación lineal máxima. Potencia eléctrica

0nPARPER =

=0n rendimiento Qes

VASFRxC

*4 3

3

2π=

C = velocidad del sonido en el aire, 345 m/s.

125

ALTAVOCES

6-4 CAJA DE CARGA SIMÉTRICA Conocida por ASW o FAS, la caja de carga simétrica, mucho más reciente (1953) que las cajas carradas y bass reflex, es interesante por su principio de funcionamiento. El altavoz está cargado en la cara delantera por un resonador, y en la cara trasera, por una caja cerrada.

El resonador delantero tiene el cometido de ajustar el sistema y hace el orificio del filtro acústico pasa bajos. Este tipo de principio está reservado para una utilización de extremo bajo. Está muy aconsejado cortar el transductor de graves hacia 100 Hz. Parámetros de una caja de carga simétrica:


Volumen delantero

Volumen trasero

Diámetro del respiradero


Frecuencia de corte en -3 dB bajo

La forma de la curva amplitud/frecuencia depende de las características del altavoz elegido y de los volúmenes de la caja, así como del respiradero. La característica de sobretensión del sistema en la frecuencia de resonancia está dada en la tabla siguiente:

Fig. 6-4. Corte de una caja de carga simétrica.

126

ALTAVOCES

S 0.4 0.5 0.6 0.7 є 2.7 1.25 0.35 0

S = coeficiente de sobretensión; є = atenuación en la resonancia en dB. Cálculo de la frecuencia normalizada

QTSFRF =

FR = frecuencia de resonancia del transductor al aire libre; QTS = coeficiente de sobretensión total del altavoz. Cálculo del volumen delantero VB

224 VASQTSSVB = Frecuencia de corte alta FCH

1. Elegir la frecuenta de corte alta FCH (más 100 Hz, 120 Hz).

2. Deducir la relación.

QTSFR

FCHR *=

Cálculo de QTE

VFVASQTSQTE += 1

VF = volumen trasero

1. Determinar sobre la red de curvas parámetro en QTE la curva correspondiente a la frecuencia de corte alta en -3 dB (igual a R).

2. Anotar el valor de QTE.

3. Anotar sobre la red de corte baja en – 3dB: FCB nuevo valor de R.

4. Cálculo de la frecuencia de corte baja en – 3 dB: FCB.

QTSRFRxFSBRxQTS

FRFBC

=→=

Tabla 6-1. Frecuencia de resonancia.

127

ALTAVOCES

Cálculo del volumen trasero

12

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

QTSQTE

VASVF

Cálculo de las dimensiones del respiradero

VBFBSVLV

2

3000=

FRQTEQTEFB *=

LV = longitud del respiradero; SV = sección del respiradero; FB = Frecuencia de resonancia de la caja. Diámetro del respiradero dv: Será dv = x (x = 100 a 150 mm, para obtener un filtro pasa-bajos correcto). Conviene tener en cuenta el factor de extremidad; será:

SVLVlv 88.0−= (Respiradero en forma de tubo) lv = longitud definitiva del respiradero. 6-5 CAJA RJ La caja de descompresión laminar de Robin y Joseph es un derivado de la caja bass reflex. La amortiguación se efectúa por un resonador de Helmholtz. El ajuste óptimo de la caja RJ es algo más delicado que el de la caja bass reflex, pero se calcula del mismo modo.

Fig. 6-5. Caja RJ.

128

ALTAVOCES

El altavoz está montado en un pequeño bafle a algunos milímetros de la caja. El ajuste se hace alejando este soporte de la ebanistería. 6-6 CAJA CUARTO DE ONDA La caja cuarto de onda está constituida por un tubo que se puede replegar, el cual carga el altavoz. La longitud de esta línea acústica es igual a:

xFRCFR

C

l44

==

C = velocidad del sonido; l = longitud de la línea; FR = frecuencia de resonancia del altavoz al aire libre.

La sección de la línea acústica es igual a la superficie activa del transductor. Una buena realización de este tipo de caja proporciona un rendimiento en el extremo grave poco común. Además, se lleva perfectamente el equipo móvil. Sin embargo, queda un accidente en la curva amplitud/frecuencia entre 100 Hz y 150 Hz (según sea la longitud de la línea) debido a una oposición de fase. Afortunadamente, este accidente, muy en pico, no es perceptible al oído.

Fig.6-6. Corte cuarto de onda.

129

ALTAVOCES

6-7 CAJA JENSEN La caja Jensen pertenece a la familia de las bass reflex. En lugar de tener un respiradero clásico, tiene dos, dispuestos a ambos lados de la ebanistería. Esta caja se optimiza del mismo modo que un bass reflex convencional.

6-8 CAJA JENSEN CON PABELLÓN La caja de Jensen con pabellón consiste en el empleo de una carga de tipo Jensen para la parte trasera del altavoz, y un pabellón frontal corto para la delantera del cono. Gracias a este pabellón, es posible obtener un grave alto de gran rendimiento. Con un buen ajuste, se puede descender hasta 50 Hz ó 60 Hz.

Fig. 6-7. Caja jensen.

Fig. 6-8. Caja jensen con pabellón.

130

ALTAVOCES

6-9 CAJA CON PABELLÓN

Existe una multitud de tipos de cajas con pabellón. Una caja de este tipo, generalmente empleada en sonorización y realizada muy correctamente, podrá dar resultados muy interesantes en alta fidelidad.

Fig. 6-9. Caja con pabellón.

131

ALTAVOCES

ARREGLOS DE BAFLES 7-1 ARREGLOS VERTICALES Cobertura vertical extendida Todas las bocinas de los bafles tienen destinos independientes. El punto de referencia vertical es alcanzado, las bocinas inferiores deben ser retrasadas y deben poseer nivel y ecualización independiente como se muestra en la figura 7-1.

Cobertura vertical estrecha Las trompetas de la segunda y la tercera del bafle de rango completo (de arriba hacia abajo), están acopladas pero poseen destinos separados. El resultado es el estrechamiento del patrón si el ángulo de separación frontal es pequeño. Los bafles que poseen las trompetas acopladas generalmente son ecualizadas y retrasadas como un solo sistema. Si los bafles inferiores del sistema principal son retrasadas por separado, este tiempo tendrá que ser muy pequeño (menor a 1 ms).

Fig. 7-1. Arreglo vertical.

Fig. 7-2. Ángulo de separación frontal.

7

132

ALTAVOCES

Cobertura de tiro largo Las trompetas de los bafles del sistema principal están acopladas y orientadas hacia el mismo punto. Mientras que las trompetas se encuentren muy próximas se van a sumar como si fueran una sola unidad. El resultado es que el patrón vertical disminuye a la mitad la cobertura y la potencia en el eje aumenta 6 dB. Los bafles que poseen las trompetas acopladas deberán ser ecualizadas y retrasadas como un solo sistema. Cobertura vertical estrecha de tiro largo de alta potencia Opera de manera similar a la configuración previa, la diferencia es que el woofer ha cambiado de posición. La determinación de la mejor opción entre este arreglo y el anterior dependerá de la altura del arreglo y los requerimientos verticales de cobertura.

Fig. 7-3. Cobertura vertical de tiro largo.

Fig. 7-4. Cobertura estrecha vertical de tiro largo.

133

ALTAVOCES

7-2 ARREGLOS HORIZONTALES Arreglo horizontal estándar de un punto de origen Las partes traseras de los bafles hacen contacto y la parte frontal se encuentra separada. Cada bocina tiene destino independiente y se crea un punto de referencia horizontal. Este es el arreglo horizontal más común. El acoplamiento de los bafles mantienen los desajustes de tiempo de las bajas frecuencias al mínimo por lo que se produce acoplamiento de dichas frecuencias y respuesta de frecuencia uniforme. Arreglo separado de un punto de origen Los bafles están separados pero el ángulo de separación se mantiene. Cada bocina tiene un destino diferente creando así un punto de referencia horizontal. Los pequeños espacios entre las bocinas no son críticos para el acoplamiento de bajas frecuencias.

Arreglo horizontal con stagger vertical Los bafles de los extremos son orientados hacia abajo, proporcionando extensión en la cobertura vertical. El resultado es similar a 2 filas verticales, pero con la mitad de espacio vertical. Esto funciona bien siempre y cuando la dispersión horizontal de cada bafle sea de cuando menos 2 veces el ángulo trapezoidal del bafle.

Fig. 7-5. Arreglo horizontal estándar de un punto de origen

Fig. 7-6. Arreglo separado de un punto de origen.

134

ALTAVOCES

Esto permite que cada fila logre su cobertura horizontal completa. Todas las bocinas tienen diferentes destinos creando así un punto de referencia horizontal y vertical. Arreglos que no funcionan Arreglos de punto de destino (fuego cruzado) vertical Las trompetas de todos los bafles están separadas en su parte trasera y convergen para crear un punto de referencia falso enfrente de estas. Las bocinas se cruzan masivamente, produciéndose máxima interacción entre los bafles superior e inferior. El punto de referencia vertical no es alcanzado.

Arreglo separado en paralelo vertical Las trompetas de los bafles principales esta separadas y orientadas con el mismo ángulo. Esto produce interacción masiva entre los bafles. El punto de referencia vertical no es alcanzado.

Fig. 7-7. Arreglo horizontal con stagger vertical

Fig. 7-8. Arreglo de punto destino (fuego cruzado).

135

ALTAVOCES

Arreglo en paralelo horizontal La parte frontal de los bables está en contacto y la parte trasera está separada. Esto es un vestigio de la estrategia de diseño llamada pared de sonido. Muy popular en situaciones de alta potencia a cualquier costo. El resultado es máxima cancelación, la uniformidad de la respuesta de frecuencia es inexistente.

Arreglo de fuego cruzado horizontal Esta es otra variación de la mencionada pared de sonido la parte frontal de los bafles esta junta y la parte trasera están separadas, de tal forma que las bocinas apuntan hacia adentro. Suena muy fuerte, su dispersión es muy estrecha, produce máxima cancelación. La uniformidad de la respuesta de frecuencia es inexistente.

Fig. 7-9. Arreglo separado en paralelo.

Fig. 7-11. Arreglo de fuego cruzado horizontal.

Fig. 7-10. Arreglo en paralelo horizontal.

136

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Arreglo horizontal con bafles invertidos en el plano vertical Consiste en alternar los bafles derecho y al revés, pero el ángulo vertical es el mismo. El efecto principal de esta configuración es lograr que la cobertura horizontal y vertical sea aleatoria con incremento en las cancelaciones.

7-3 TIPOS Existen siete diferentes tipos básicos de arreglos de cajas acústicas. Cada arreglo tiene diferentes ventajas y desventajas y la mayoría son convenientes para alguna aplicación en particular. Cuando dos o más, bafles se colocan en proximidad uno con otro se clasifican como: Arreglos estrechos de punto de origen ("Point-source narrow") Cuando dos bafles se encuentran acomodados en un arco en donde los patrones individuales de las cajas son más amplios que el ángulo del arreglo. Esto resulta en un estrechamiento del patrón (entre los puntos de -6 dB).

Fig. 7-12. Arreglo horizontal con bafles invertidos en el plano vertical.

Fig. 7-13. Arreglos estrechos de punto de origen.

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Arreglos amplios de punto de origen ("Point-source wide") Cuando dos bafles se acomodan en un arco en donde los patrones individuales de los bafles se aproximan al ángulo del arreglo. Esto resulta en una ampliación del patrón (entre los puntos de -6 dB). Arreglos en paralelo ("Paralell") Cuando dos bafles se acomodan en un plano paralelo. Los patrones se empalman y crean una respuesta altamente inconsistente, no es recomendado. Arreglos de fuego cruzado ("Crossfire") Cuando dos bafles se acomodan de manera que los patrones se crucen directamente al frente de la trompeta. Esto conlleva problemas significativamente mayores de interferencia en comparación con el punto de origen y no tiene ventajas sobre de él. Por lo tanto no es recomendable.

Fig. 7-14. Arreglos amplios de punto de origen.

Fig. 7-15. Arreglos en paralelo.

Fig. 7-16. Arreglos de fuego cruzado.

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Arreglos separados de punto de origen ("Split point source") Cuando los bafles se acomodan en un arco extendido simularán una sola fuente en un punto. Este tipo de arreglo es todavía relativamente consistente, pero le falta un acoplamiento en bajas frecuencias. Arreglos separados en paralelo ("Split paralell") Cuando los bafles se colocan en paralelo sobre una línea extendida simularán una serie de diferentes fuentes en el rango de frecuencias altas y una sola fuente extendida en la región de bajas frecuencias. Se colocan en paralelo sobre una línea extendida simularán una serie de diferentes fuentes en el rango de frecuencias altas y una sola fuente extendida en la región de bajas frecuencias. Este arreglo es muy útil cuando el público se encuentra muy cerca de las cajas acústicas. Este arreglo trabaja bien mientras el área de empalme se mantenga al mínimo.

Fig. 7-17. Arreglos separados de punto de origen.

Fig. 7-18. Arreglos separados en paralelo.

Fig. 7-19. Arreglos separados en paralelo.

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7-4 INTERACCIÓN La interacción entre dos bafles varía con los diferentes tipos de arreglos. Primeramente veremos cómo leer las figuras y tablas de cada arreglo, de donde podemos observar la diferencia entre ellos. Debemos leer los dos pasos siguientes con atención y observar la figura. 1.- Lectura de la figura Las posiciones representan los puntos de 10 º (desde -40 hasta +40) sobre un arco a una distancia de 25 pies (8 metros) del bafle. Una línea se dibuja desde la segunda caja representando su llegada dentro del área de cobertura de la primera. Las figuras se encuentran sombreadas para representar la extensión de la interferencia, con sombras progresivamente más oscuras representando una interferencia mayor, lo que luego causa grandes cantidades en el "rizo" de la respuesta. 2.- Lectura de la tabla Los desajustes relativos de tiempo y nivel entre los bafles se calculan y se muestran en la tabla abajo de la figura. El cálculo del desajuste de tiempo se basa en las diferencias en la distancia de propagación y la atenuación axial. Esto a su tiempo, produce "rizo" en la respuesta de frecuencia. (Mientras aumenta el desajuste de tiempo, mas grande será el "rizo"). El desajuste de tiempo determina el rango de frecuencia más afectado por la interacción. La frecuencia donde ocurre la primera (y más grande) cancelación se muestra en la figura.

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Arreglos estrechos de punto de origen Los arreglos de cobertura estrecha pueden ser construidos colocando los bafles directamente adyacentes. Dichos arreglos tenderán a aumentar la potencia sobre el eje pero tendrán un menor efecto de amplitud en la cobertura del que se puede esperar sobre aquel con una sola unidad, y puede incluso estrecharlo. Estos sistemas son altamente interactivos porque los módulos se encuentran acomodados en ángulos más cerrados que los ángulos de la cobertura individual. El punto sobre el eje del arreglo contiene la mayoría del empalme, causando una suma sustancial en la presión sobre el eje, con menos empalme y suma al movernos hacia los extremos. Ya que el ángulo de cobertura se especifica con relación a la presión sobre el eje, la suma ahí puede causar que el ángulo disminuya de los bafles. Características: Cobertura: la acumulación central provoca que el área entre los puntos de -6 dB se estreche.

Fig. 7-20. Ejemplo de interpretación de Interacción de arreglos.

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SPL sobre el eje: suma máxima Distribución de nivel: suma grande en el área central. Menor en los lados. Buen acoplamiento de graves y medios. Distribución de respuesta de frecuencia: el área de empalme grande crea un área amplia con mucho "rizo" alrededor del centro. Más suave en los lados. Compensación en frecuencias: responde bien a la ecualización excepto en el área de empalme central. Donde usarlo: aplicaciones de tiro largo. Cuando el ángulo deseado de cobertura es menor que el de un solo bafle.

40° 30° 20° 10° 0° 10° 20° 30° 40° Mean Time offset

ms 1.1 1 0.8 0.65 0.45 0.1 0.1 0.3 0.5 0.6

1st null Hz 465 500 625 769 1111 5000 5000 1667 1000 1791.8

Level offset

dB 6.4 8.3 8.8 6.7 4.12 1.0 0.0 2.1 6.2 4.9

Rizo dB 9.0 6.5 6.0 8.5 11.5 24.0 30.3 19.0 9.0 13.7

Fig. 7-21. Interacción del arreglo estrecho de punto de origen.

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Arreglos amplios de punto de origen Un método alternativo para lograr un arreglo de punto de origen de amplia cobertura consiste en separar las partes frontales de los bafles. Esto reduce el área de empalme en el centro y distribuye la energía sobre un área mayor. Características: Cobertura: acumulación central mínima. Por lo tanto el patrón se amplía. SPL sobre el eje: suma mínima. Distribución de nivel: suave debido a la ausencia de empalme. Distribución de Respuesta de frecuencia: un área pequeña de empalme da un área estrecha con mucho "rizo" alrededor del centro. Es muy suave excepto en el área central. Compensación en frecuencias: responde muy bien a la ecualización, excepto en el área central de empalme. Donde usarlo: cuando el ángulo de cobertura deseado es mayor que el de un solo bafle.

Fig. 7-22. Interacción de arreglo punto de origen amplio.

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40° 30° 20° 10° 0° 10° 20° 30° 40° Mean

Time offset ms

2.2 2.1 1.7 1.5 1.1 0.7 0.3 0.1 0.25 1.1

1st null Hz 227 238 294 333 455 714 1667 5000 2000 1214.

3 Level offset

dB

12.7 13.7 14.6 13.0 11.4 9.2 7.1 2.0 5.1 9.9

Rizo dB 4.0 3.5 3.5 4.0 4.5 6.0 8.0 19.0 10.0 6.9 Arreglos en paralelo Este tipo de diseño tiene empalme máximo. Sin embargo, mientras el desajuste de tiempo aumenta el desajuste de nivel no aumenta. Esto causa cancelaciones altamente variables. El alinear las bocinas en una fila con orientación horizontal redundante provocará una respuesta de frecuencia desigual sobre el área del público. Mientras dichos arreglos pueden generar grandes cantidades de potencia acústica, la cobertura redundante formará grandes cantidades de "filtro peine", haciéndolo responder pobremente a la ecualización. Nótese en la tabla de la parte inferior que los desajustes de tiempo son relativamente bajos. Sin embargo, no existe virtualmente ningún desajuste de nivel en ninguna posición (ya que la orientación axial es casi la misma para ambas bocinas en cualquier posición). Esto resulta en demasiado "rizo" en agudos. La configuración paralela es útil solo para componentes de frecuencias graves donde el efecto de acoplamiento puede resultar útil. En este caso el desajuste de tiempo es lo suficientemente pequeño como para que la primera cancelación se encuentre sobre el punto de corte de frecuencias altas de los "subwoofers". Características: Cobertura: misma cobertura que con un solo bafle. SPL en el eje: suma máxima. Distribución de nivel: igual que un solo bafle. Distribución de respuesta de frecuencia: cada posición tiene su respuesta de frecuencia particular. El "rizo" de agudos es severo en todas las posiciones. Compensación en frecuencias: puede ser ecualizado solamente para un punto. Aun así, la ecualización deberá ser severa para rectificar el sistema. Donde usarlo: solo en "subwoofers".

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40° 30° 20° 10° 0° 10° 20° 30° 40° Mean Time offset

ms 1.2 0.8 0.7 0.4 0.06 0.04 0.7 1 1 0.7

1st null Hz 417 625 714 1250 8333 12500 714 500 500 2839.3

Level offset

dB 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0 0.2 0.3 0.3 0.2

Rizo dB 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 30.0 Arreglos de fuego cruzado Los arreglos de fuego cruzado (no recomendados) funcionan en forma similar a los arreglos de punto de origen estrechos pero tienen demasiadas cancelaciones. No existen ventajas de los arreglos de fuego cruzado sobre los de punto de origen. Por lo tanto, no son recomendados. Nótese que en la figura 7-24, la zona de empalme cubre la mayoría del área de cobertura del bafle principal. Esto provoca una gran cantidad de suma de potencia en el área central. Compare los desajustes de tiempo aquí con los desajustes del arreglo de punto de origen estrecho descritos anteriormente.

Fig. 7-23. Compensación en frecuencia de un arreglo en paralelo.

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Notará que son consistentemente mayores que los del arreglo de punto de origen estrecho, creando un área mayor de cancelaciones en el área central. Características: Cobertura: la acumulación central provoca un estrechamiento del área entre los puntos de - 6 dB. SPL sobre el eje: suma máxima. Distribución de respuesta de frecuencia: pobre, la mayoría del área central tiene demasiado "rizo'. Compensación en frecuencias: pobre, existe una alta variabilidad a través del área de cobertura. Donde usarlo: ¡¡¡no recomendable!!!

40° 30° 20° 10° 0° 10° 20° 30° 40° MeanTime offset

ms 1.4 1.4 0.6 0.2 0.2 0.65 0.9 1.6 1.9 0.9

1st null Hz 357 500 833 2500 2500 769 556 313 263 954.5

Level offset

dB 6.5 2.3 0.2 0.1 1.1 5.2 7.3 7.5 5.6 4.0

Rizo dB 9.0 17.5 30.0 30.0 24.0 10.0 8.0 8.0 10.0 16.3

Fig. 7-24. Interacción del arreglo de fuego cruzado.

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Arreglos separados de punto de origen Un arreglo alternativo para sistemas de relleno es el de punto de origen separado. Los bafles pueden ser colocados juntos y alcanzar un empalme mínimo utilizando la atenuación axial de estas. Este tipo de arreglo trabajará mejor si la cobertura tiene forma de arco. La profundidad del área de cobertura puede ser mayor que para los arreglos paralelos ya que el ángulo entre los bafles mantiene el área de empalme relativamente pequeño. Las áreas de empalme tienen un desajuste de nivel mayor que en el arreglo separado estrecho en paralelo. Esto reduce el "rizo" y mejora el aislamiento. Estos tipos de arreglos pueden ser ecualizados de manera muy efectiva en el área sobre el eje de uno de los bafles. (No trate de ecualizar en las zonas de empalme). Características: Cobertura: amplia SPL sobre el eje: el mismo que para un solo bafle más una suma mínima en el área central. El acoplamiento de graves será mínimo. Distribución de nivel: buena. Distribución de respuesta de frecuencia: los bafles actúan muy independientemente. El área de empalme es mucho menor que con los arreglos separados en paralelo. Compensación en frecuencias: la interacción es solo ecualizable en frecuencias muy bajas donde el arreglo se asemeja a una sola fuente. Los rangos de graves y medios deben ser solo ecualizados como fuentes individuales. Donde usarlo: aplicaciones de relleno donde la profundidad de cobertura es muy corta y amplia.

Fig.7-25. Interacción de un arreglo separado de punto de origen.

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40° 30° 20° 10° 0° 10° 20° 30° 40° Mean

Time offset ms

9 8.2 7 6 4.5 3 1.4 0.6 2.4 4.7

1st null Hz 56 61 71 83 111 167 357 833 208 216.4

Level offset

dB 9.7 12.5 13.1 11.9 9.4 7.5 3.0 0.7 6.8 8.3

Rizo dB 5.0 4.0 4.0 4.0 5.0 8.0 14.5 26.0 8.0 8.7 Arreglos de punto de destino La respuesta de los arreglos de punto de destino es la más variable de todos los arreglos separados. Debe de tomarse mucha precaución al diseñar estos arreglos en su sistema. Este tipo de arreglo tiene áreas extremadamente grandes de empalme y tiene una atenuación axial muy pequeña, resultando en un combing (cancelación) en todo el rango. El mejor uso de estos arreglos es para aplicaciones en relleno, (por ejemplo: donde se está tratando de alcanzar un área central desde los extremos). La clave es minimizar el nivel para estos sistemas de manera que solamente el área central sea cubierta. Entre más grande sea el área cubierta, será peor el combing. Se puede notar una semejanza de este tipo de arreglo con la configuración stereo estándar. Tenga en mente que los sistemas stereo (teóricamente) contienen diferentes señales para los canales izquierdo y derecho (L y R). Por lo tanto, la interacción es al azar debido a la diferencia de las señales. Esto es normal para stereo. Características: Cobertura: angosta. SPL sobre el eje: suma máxima. Distribución de nivel: área de acumulación central grande. Distribución de respuesta de frecuencia: cada posición tiene su respuesta de frecuencia propia. El rizo en agudos es severo justo fuera del centro; moviéndose hacia abajo en frecuencia mientras nos movemos a los lados. Donde usarlo: para cubrir un área central cercana. La profundidad de cobertura debe mantenerse al mínimo o el empalme excesivo causará cancelaciones profundas.

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40° 30° 20° 10° 0° 10° 20° 30° 40° MeanTime offset ms

16.6 14 11 8 4.5 1.5 2 6 10 8.2

1st null Hz 30 36 45 63 111 333 250 83 50 111.3

Level offset

dB 8.4 5.9 3.2 2.4 1.4 0.5 0.7 3.9 8.9 3.9

Rizo dB 7.0 9.0 14.5 17.5 22.0 30.0 28.0 12.0 6.0 16.2

7-5 COBERTURA Los arreglos de punto de origen con respecto al acoplamiento, combinación y aislamiento, dependiendo del ángulo de separación entre la parte frontal de los bafles. El diseño de un arreglo necesariamente produce uno de los efectos anteriores, y depende de cada aplicación. Por ejemplo: en el estilo de música "Heavy Metal" la preocupación fundamental es la potencia en el eje más que la uniformidad en la respuesta de frecuencia, como resultado dicho arreglo es altamente interactivo y presenta mucho "rizo".

Fig. 7-26. Interacción del arreglo de punto de destino.

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Por otro lado la prioridad fundamental en la sonorización de música clásica, es la uniformidad en la cobertura y la respuesta de frecuencia, como dicho arreglo presenta mínima interacción. Consideraciones para diseñar un arreglo:

Cobertura: al incrementar el empalme, la cobertura se estrecha, y viceversa.

SPL en eje: al incrementar el empalme, el SPL en el eje se incrementa significantemente. Al disminuir el empalme, el SPL en el eje casi no se incrementa.

Distribución de nivel: al incrementar el empalme, la distribución de nivel se vuelve

irregular, siendo más notorio en los sitios del área central conocidos como "hot spots". Al disminuir el empalme, la distribución de nivel se vuelve más suave.

Distribución de la respuesta de frecuencia: al incrementar el empalme la

distribución de la respuesta de frecuencia se vuelve irregular debido al "filtro peine". Lo anterior es el resultado de las cancelaciones de fase debido a los múltiples tiempos de llegada de las diferentes cajas en el área de la audiencia. Al disminuir el empalme, la distribución de la respuesta de frecuencia se suaviza debido a la disminución del "filtro peine".

Compensación en frecuencias: virtualmente cualquier arreglo es ecualizable en

un solo punto. Pero si asumimos que nuestra meta principal es lograr una curva de ecualización que sea apropiada para la mayor parte del área de cobertura, los arreglos con patrones de distribución uniforme se comportarán mejor.

7-6 ÁNGULO DE COBERTURA Sería de mucha utilidad que el ángulo de cobertura pudiera ser calculado simplemente sumando el ángulo de dispersión de cada bafle. Desafortunadamente esto es válido únicamente cuando el arreglo de bafles tiene empalme mínimo. Si los bafles se acomodan un junto al otro sin separar la parte frontal, el ángulo del arreglo puede hacerse más estrecho que el de un solo bafle, pero la potencia en el eje se incrementa considerablemente. El reto para diseñar el arreglo de los bafles está determinado por la potencia deseada en el eje, y la cobertura deseada.

Fig. 7-27. Ángulo de cobertura de un solo bafle.

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Las figuras 7-27 y 7-28, muestran el patrón de cobertura cuando el arreglo de bafles tiene empalme mínimo. El ángulo del arreglo es la suma del ángulo de cobertura de un bafle más el ángulo de separación entre la parte frontal de cada bafle adicional. Este cálculo no se cumple con arreglos estrechos. 7-7 SISTEMA DE REFUERZO SONORO Originalmente denominado por el término en ingles plubic adress (P.A.), y posteriormente llamado sound reinforcement (refuerzo sonoro), permite la audición en sitios donde las condiciones acústicas normales del ambiente no son adecuadas para este propósito. Sonorizar, consiste en reproducir sonido artificialmente en una zona denominada área de audiencia, que puede ser una sala o un espacio al aire libre. Existen dos tipos de sonorización: el refuerzo sonoro y la megafonía. El refuerzo sonoro fortalece el sonido de fuentes directas y consiste en la amplificación y distribución del sonido natural asociado a lugares como teatros, auditorios, iglesias, cines, etc. Puede tener diferentes funciones como el refuerzo de la voz de un orador o músico, brindando el nivel necesario para que la audiencia escuche adecuadamente, reforzar el sonido en grandes conciertos en vivo, en los que la señal obtenida es considerablemente mayor y menos directiva que la señal natural. El objetivo de los diseños de refuerzo sonoro es la reproducción del sonido con alta calidad, además de factores como son la direccionalidad, nivel de presión sonora requerida e inteligibilidad. La megafonía comprende los típicos sistemas de hilo musical u otro tipo de mensaje sonoro en iglesias, hospitales, estaciones, etc., y sus objetivos más importantes son la inteligibilidad y el recubrimiento uniforme del área de audiencia. En este caso el oyente no tiene referencias visuales y debe confiar únicamente en la señal sonora. El éxito en los sistemas de megafonía radica en la utilización de los altavoces adecuados, lo cual requiere un conocimiento del ambiente acústico en el que radiarían. En especial los ángulos de radiación y el factor de directividad son datos fundamentales.

Fig. 7-28. Cálculo de la cobertura para arreglos horizontales separados.

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Método de recubrimiento sonoro Consiste en disponer los bafles de tal manera que el nivel en la audiencia sea uniforme. Método centralizado El método de recubrimiento centralizado consiste en colocar los bafles agrupados en uno o dos puntos llamados clusters, cercanos a la zona del escenario o tras la pantalla en salas cinematográficas. Consiste en disponer cada altavoz en altura y ángulo, para conseguir sonorizar en campo directo la mayor área y uniformidad posible. Método distribuido Los bafles se sitúan en puntos diferentes de la sala para cubrir el área con más uniformidad. Básicamente, existen dos formas de distribuir los bafles: con bafles de pared y con bafles de techo.

Fig. 7-29. Ejemplo de recubrimiento sonoro.

Fig. 7-30. Método centralizado.

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7-8 COLUMNAS

Son apilamientos de bafles, que incluyen los distintos altavoces de las distintas vías usadas. El nombre de columna viene porque la colocación más común y efectiva es en columna, situando los altavoces de graves en la base de la columna, los de medios encima de estos y los de agudos arriba de todos.

Esta distribución tiene varios motivos, el primero y más simple es la estabilidad, los altavoces de graves son grandes y ofrecen una buena base, mientras que los de agudos, son los más pequeños. La razón técnica es que las altas frecuencias son absorbidas en mayor medida por el público que las bajas, por eso se colocan los radiadores de alta frecuencia por encima de las cabezas del público, para garantizar el camino directo entre el transductor y todos los oyentes.

Fig. 7-31. Método distribuido.

Agudo

Medio

Bajo

Fig. 7-32. Arreglo en “columna”.

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Además, frente a un obstáculo como puede ser el propio público, las bajas frecuencias sufren difracción (rodean el obstáculo) y continúan avanzando mientras que las altas sufren reflexión (rebotan) y no siguen avanzando.

En general también se llaman columnas de sonido a los bafles que alcanzan un cierto tamaño, en esto influye su forma alargada y su colocación en vertical.

7-9 CLUSTERS

Un cluster es una agrupación de bafles tipo racimo, que se coloca en el centro para radiar en todas direcciones. Es muy común encontrar clusters de bafles en pabellones deportivos, sobre la cancha colgando del techo. En grandes eventos, como conciertos o pabellones deportivos, no son suficientes una pareja de radiadores para cada margen de frecuencia.

La solución pasa por usar agrupaciones de bafles y de etapas de potencia. Según como se organicen esos bafles se tendrá un cluster o un line array.

Si se desea radiar en una dirección concreta, se utilizan line arrays, que consiste en un conjunto de altavoces colgados como una cadena radiando en la misma dirección. Se suelen encontrar lines arrays en conciertos, donde el sonido ha de partir del escenario hacia el público.

Fig. 7-33. Arreglo en grupo o clusters.

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7-10 LINE ARRAY

Es un grupo de bafles radiantes puestos en orden en una línea recta, espaciado de cerca y funcionando con igual amplitud y en fase. Produce cobertura vertical muy direccional. Consiste en disponer cada bafle del cluster, en altura y ángulo, para conseguir sonorizar en campo directo una mayor área y con mayor uniformidad posible.

Descrito por Olson en su texto de 1957 obras clásicas, la ingeniería acústica, arreglo lineal es útil en los usos donde el sonido se debe proyectar sobre largas distancias.

Toda la teoría de fuentes lineales fue desarrollada a principios del siglo XIX por FRESNEL y sus estudios realizados en el campo de la óptica, y en concreto, sobre la luz como una onda. Los conceptos desarrollados por Fresnel fueron decisivos a la hora de desarrollar un estudio serio de line array en acústica.

Ventajas:

1.- Mejora de la consistencia de la respuesta en frecuencia de sistema consiguiendo que todo el sistema se comporte como una única fuente de sonido.

2.- Mejora del “lanzamiento” sobe todo en altas frecuencias debido al alejamiento de la frontera entre “campo cercano” y “campo lejano”.

3.- Reducción importante del tiempo de montaje del sistema completo.

4.- Niveles superiores de SPL con un número menor de bafles.

5.- Logran una cobertura vertical muy direccional.

6.- Ahorro de Energía.

Fig. 7-34. Cobertura de la zona de audiencia.

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Diferencia entre “Cluster” y “Line Array”

La forma del frente de onda que genera cada uno de ellos sistemas “cluster”, el frente de ondas generado es esférico expandiéndose tanto en el plano horizontal como en el vertical, generará un frente de ondas cilíndrico.

Siempre habrá un punto en el que existirán interferencias entre los elementos radiantes, creando zonas donde se suman las señales y otras donde se cancelan variando el timbre del sistema.

En el line array la forma del frente de ondas generado es cilíndrica, expandiéndose el plano horizontal pero manteniéndose constante en el vertical.

El frente de ondas es prácticamente plano, no existen interferencias entre cada una de las fuentes sonoras.

La consecuencia de todo ello es que todas estas fuentes de sonido se suman coherentemente sus respuestas comportándose el sistema completo como una única fuente de sonido.

Ondas Esféricas Como ya sabemos, según la ley de la inversa de los cuadrados, tenemos una atenuación del nivel de presión sonora de 6 dB cada vez que doblamos la distancia. Esto es debido a la propagación del sonido como frente de ondas esféricas.

Así, cada vez que se dobla la distancia del oyente a la fuente, la energía radiada se dispersa en un área 4 veces superior, por lo que la densidad de energía se reduce a una cuarta parte, lo que supone esa caída de 6 dB.

Fig. 7-35. Propagación en el aire de una onda esférica.

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Ondas Cilíndricas En un line array, el frente de ondas generado por cada elemento es cilíndrico, manteniéndose constante en el plano vertical. Este frente de ondas es casi plano y por ello no existen interferencias entre cada una de las fuentes, por lo que tenemos una suma coherente comportándose como una única fuente de sonido.

De la figura 7-36, se aprecia que cada vez que doblamos la distancia del oyente al line array, el área en la que se dispersa toda la energía del sistema dobla su tamaño, por lo que esta densidad de energía se reduce solo a la mitad, lo que equivale a una caída de 3 dB.

Condiciones de Line – Array para que los efectos sean coherentes y aceptables

Para que la suma entre las fuentes individuales de sonido sea coherente, y no se produzcan cancelaciones la separación entre las fuentes (distancia entre centros) debe ser menor o igual que la longitud de onda dividida entre 2, correspondiente a la frecuencia máxima a reproducir por las mismas.

Ejemplo: dos altavoces de 15“ de diámetro, separados por una distancia de 46 cm, la frecuencia máxima hasta la que se tendrá una onda cilíndrica será:

El factor de radiación activo o ARF del sistema, La suma de todas las áreas de las distintas fuentes discretas (los difusores de altas frecuencias) debe ser como mínimo el 80 % del área total abarcada desde la primera fuente hasta la última del arreglo. Cuanto más se separen los bafles entre ellos menor será su “Factor de Radiación Activo” y menos coherencia habrá en la suma de sus elementos individuales.

2λ

≤d max344246.0

f≤× Hzf 375max ≤

Fig. 7-36. Propagación en el aire de una onda cilíndrica.

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Para los altavoces de altas frecuencias acoplados a difusores la separación entre los mismos debe ser mínima: Interferencias en los frentes de onda:

AHAHAH ×≥+×+× 8.0......21

Fig. 7-37. Representación gráfica de la segunda condición a satisfacer por un line array.

Fig. 7-38. Interferencias en los frentes de ondas.

Line array. Diseño especial de difusores que produzcan ondas planas:

Clusters: difusores

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Guía de ondas Para cumplir con las dos condiciones anteriores es indispensable que la reproducción de las frecuencias altas de un sistema line array utilice un dispositivo denominado: guía de onda. La curvatura del frente de ondas generado por los elementos radiantes ha de ser menor que la cuarta parte de la longitud de onda de la frecuencia máxima que ese elemento vaya a reproducir. Por ejemplo, en la vía de agudos, la curvatura máxima del frente de ondas generado por los difusores de los motores de compresión para que haya una suma coherente de todos ellos hasta los 16,000 Hz, ha de ser menor a 5 mm. Dispositivo que permita tener cuando menos ondas planas o una curvatura menor de 5 mm. Se ha de conseguir pasar de una sección circular (salida del motor de compresión) a una rectangular, de forma que todas las ondas lleguen al mismo tiempo, es decir, en fase. Cobertura del line array La cobertura de un sistema es el ángulo determinado por una caída de nivel de presión de 6 dB, o sea:

Fig. 7-39. Límite de curvatura de las ondas.

4λ

≤S Límite de curvatura

Fig. 7-40. Gráfica que muestra la relación de la longitud de onda en función del ángulo de cobertura.

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Para un line array lineal plano de 2 m su ángulo de cobertura vertical seria: Si f=100 Hz, lambda = 3.4 m o sea longitud / lambda = 0.59 en la figura 7-39, leemos > 150º. Mientras que si f=1KHz, lambda = 0.34 m longitud / lambda = 5.9 en la figura 7-39, leemos < 15º. Comportamiento teórico El line array se define como un conjunto de fuentes sonoras elementales (bafles) idénticas situadas una encima de la otra, formando una columna. Por lo tanto, será necesario definir una serie de términos con los que caracterizar a estos dispositivos:

El tamaño de un altavoz individual se va a representar por la letra D. El número de fuentes sonoras apiladas verticalmente se va representar por la letra

N. El tamaño global de todo el sistema se va a representar por la letra H para

determinar la altura y a para la anchura. A la distancia de separación entre los centros de 2 fuentes sonoras contiguas se le

va a denominar distancia STEP. A la distancia de audición se le denomina r.

Para determinar su funcionamiento teórico, el sistema formado por N fuentes sonoras se debe comportar como una única fuente lineal de altura H, de manera que el campo sonoro generado por un line array, se pueda aproximar al generado por una fuente sonora rectangular. Para el análisis del campo sonoro se realiza una división de éste, en dos zonas bien diferenciadas, la zona de Fresnel y la zona de Fraunhofer. La presión sonora producida por un line array de bafles, en condiciones de campo lejano (r>>H) o lo que es lo mismo en la región de Fraunhofer, va a ser directamente proporcional a 1/r2, ya que la propagación de la onda sonora dentro de esa zona va a ser esférica. Por el contrario, si nos encontramos dentro de la región de Fresnel, o lo que es lo mismo, en condiciones de campo cercano (r<<H), la propagación de la onda sonora va a ser cilíndrica, por lo que la presión sonora va a ser directamente proporcional a 1/r. Hablando en términos de Nivel de Presión Sonora (NPS), un sistema line array va a perder teóricamente 3 dB cada vez que se doble la distancia, si nos encontramos dentro de la región de Fresnel, mientras que si estamos dentro de la región de Fraunhofer, tenemos que esa pérdida va a ser de 6 dB.

160

ALTAVOCES

Distancia frontera La distancia frontera para un line array se va a definir como: Nos interesa que la distancia frontera sea lo más grande posible, como podemos deducir, esta va a aumentar de forma proporcional a la frecuencia. Para frecuencias menores que no existe campo cercano. Así un arreglo de 4 metros emitirá directamente en el campo cercano lejano para frecuencias menores a 80 Hz. Para frecuencias mayores la expresión del campo cercano es casi lineal con la frecuencia. Todo esto indica que el campo cercano puede extenderse muchos metros. Por ejemplo, en un arreglo de 4 metros de altura (H), a 3000 Hz, puede extenderse hasta 72 metros.

Hf

31

≤

Hf

31

≥

Fig. 7-41. Distancia frontera y regiones de Fresnel y Fraunhofer.

161

ALTAVOCES

Distancia a la frontera entre el campo cercano y campo lejano Dependiendo de la frecuencia, cuyo frente de onda resultante pasará de cilíndrico a esférico. Este punto separa el campo cercano del campo lejano, por ello cuanto mayor sea el número de cajas más lejos llegara el campo cercano. Si aplicamos la siguiente formula, tendremos la relación entre longitud del line array y el límite del campo cercano: H= altura del line array; f= frecuencia; c= velocidad del sonido Si la longitud del line array es de 5 m, entonces si f = 100Hz D = 3,7 m y si f =1KHz, D = 37 m En el campo cercano está sobre el eje de uno solo de los difusores de alta frecuencia altamente direccionales, pero recibe la energía de baja frecuencia de la mayor parte de los componentes del arreglo. Por esta razón, añadir más componentes al arreglo aumentará la energía de baja frecuencia en el campo cercano, pero las altas frecuencias permanecerán igual. Por ello, los arreglos lineales necesitan ecualización para aumentar las altas frecuencias en campo lejano, la ecualización efectivamente compensa la pérdida por propagación. En el campo cercano, compensa la suma constructiva de las bajas frecuencias y la proximidad a la guía de onda de alta frecuencia. Factor de Radiación Activo (ARF)

Para eliminar la aparición de lóbulos secundarios de gran potencia situados fuera del eje tenemos que:

162

ALTAVOCES

Esto se traduce, en que la superficie radiante del line array debe ser mayor o igual que el 82% de la superficie total del mismo. Como conclusión, podemos decir que a menor distancia de separación entre los centros sonoros adyacentes, mejores serán las prestaciones del sistema. Aumento angular máximo entre fuentes sonoras Se debe de determinar un ángulo de curvatura máximo entre dos bafles adyacentes, para que no se produzcan interferencias destructivas entre las respuestas individuales de cada una de ellas. Este ángulo máximo se define como:

Diseño asimétrico

Se ha adoptado por un diseño asimétrico de la caja del line array, en cuanto a la disposición de los altavoces y elementos radiantes.

En sistemas simétricos convencionales, el difusor de agudos se suele situar en el centro de la caja y ambos lados, los altavoces de medios.

Fig. 7-42. Diseño asimétrico, permite optimizar por separado cada vía.

163

ALTAVOCES

Diseño simétrico Los altavoces de medios dispuestos de esta manera se convierte en un line array horizontal: para evitar la formación de lóbulos importantes en la gráfica polar horizontal del sistema y conseguir la mayor cobertura posible en este eje, se deberá intentar acercar al máximo los altavoces de medios. Se añade un problema de que el difusor de los motores de agudos se encuentra situado entre ambos altavoces, con lo que inevitablemente la distancia entre ellos aumenta y la frecuencia más alta de funcionamiento disminuye obligando a hacer trabajar a los motores de compresión en frecuencias más bajas. Esto trae como consecuencia que debido a la configuración mecánica de los motores, aumente mucho la distorsión armónica. Por lo tanto, con una configuración simétrica, sino se quiere reducir la cobertura horizontal del sistema, con los mismos elementos se estará obligado a emplear frecuencias de corte más bajas entre elementos de medios y de agudos aumentando así la distorsión armónica en esas frecuencias. Una configuración asimétrica permite una optimización de forma independiente de todos los elementos acústicos tales como guía de ondas y difusores de cada una de sus vías. La importancia de la fase

Apilar dos de estos altavoces, uno sobre el otro, y operar ambos con la misma señal da como resultado un patrón de radiación diferente.

En puntos sobre el eje entre ambas habrá interferencia constructiva y la presión sonora aumentará por 6 dB relativos a la presión sonora de una sola unidad.

Fig. 7-43. Diseño simétrico, formación line array horizontal que produce errores es la gráfica polar horizontal.

164

ALTAVOCES

En otros puntos fuera del eje, las diferencias entre las trayectorias producirán cancelaciones, dando como resultado un nivel de presión sonora menor. Esta interferencia destructiva se llama "combing".

Una idea errónea y bastante común respecto a los line array es creer que éstos permiten a las ondas sonoras combinarse para crear una sola onda cilíndrica con características especiales de propagación.

Bajo la teoría de la acústica lineal, esto no podría ser, por lo que este argumento no es ciencia, sino una técnica de mercado. Las ondas sonoras no se pueden unir a las presiones sonoras usadas en sonorización, sino que pasan a través unas de otras linealmente.

Aún a los altos niveles de presión presentes en la garganta de los motores de compresión, las ondas sonoras cumplen con la teoría de ondas lineales y pasan unas sobre otras transparentemente. Incluso a niveles de presión de más de 130 dB la distorsión no lineal es menor a 1%.

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ALTAVOCES

PROYECTO LINE ARRAY 8-1 INTRODUCCIÓN

El objetivo principal de un sistema de refuerzo acústico es la reproducción lo más fiel posible del sonido fuente, y su distribución con una respuesta en frecuencia constante y de una forma predecible, en toda la zona donde se encuentra la audiencia.

Durante los últimos años han tenido una importante evolución los denominados LINE ARRAY o montaje en línea vertical de bafles, ofreciendo importantes ventajas sobre los tradicionales line array de tipo CLUSTER, sobre todo en cuestiones referentes a:

1.- Mejora de la consistencia de la respuesta en frecuencia de sistema (eliminando los conocidos filtros peine) y consiguiendo que todo el sistema se comporte como una única fuente de sonido.

2.- Mejora del “lanzamiento” sobe todo en altas frecuencias debido al alejamiento de la frontera entre “campo cercano” y “campo lejano”.

3.- Reducción importante del tiempo de montaje del sistema completo.

4.- Niveles superiores de SPL con un número menor de bafles.

8-2 CARACTERÍSTICAS

1.- Diseño asimétrico de la caja para una más efectiva optimización de cada una de las vías del sistema.

2.- Diseño de tres vías activas.

3.- Vía de graves: compuesta por un altavoz de 10’’ en bafle bass reflex.

4.- Vía de medios: compuesta por dos altavoces de 6.5 ‘’ acoplados.

5.- Vía de agudos: compuesta por un motor (drivers) de compresión de 1’’ de boca con conjuntos magnéticos dispuestos en posición vertical.

8

166

ALTAVOCES

8-3 DESCRIPCIÓN DE LOS ALTAVOCES

Altavoz de frecuencias bajas:


En la vía de graves se utilizará un altavoz de 10’’ sintonizado a una frecuencia relativamente baja ayudado por un diseño bass reflex. El altavoz de 10’’ empleado tiene las siguientes características: 1.- Se ha aumentado el tamaño del imán para conseguir una inducción mayor y aumentar así la velocidad de reacción del grupo móvil.

Fig. 8-1. Altavoz de bajas frecuencias.

Características técnicas:

Marca D.A.S audio Altavoz de bajas frecuencias Cono de 10” Potencia 1400 W Peso 11.6 kg Impedancia nominal 8 Ω RMS 700 W Sensibilidad 99 dB SPL, 1W/1m Rango de frecuencia 30 Hz – 2 000 Hz Frecuencia de resonancia 32 Hz Precio: $1,500.00 pesos

Fig. 8-2. Respuesta en frecuencias altavoz de graves.

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ALTAVOCES

2.- Se ha empleado el mismo tamaño de bobina móvil de 3’’ (77 mm) pero el bobinado se ha realizado en ambas partes del soporte. De esta manera se consiguen dos efectos importantes: Optimización de la refrigeración de la bobina; ya que ambas capas de hilo transfieren el calor sin impedimentos a través del hierro con la que la compresión de presión acústica por efecto de la temperatura es mucho menor y, a su vez, se aumenta en un 30 % la potencia emitida por el altavoz.

Aumento muy considerable de la resistencia mecánica de la bobina con lo que se reduce el peligro de ésta, con el tiempo, pueda llegar a rozar con el conjunto magnético del altavoz.

Altavoz de frecuencias medias:



Marca D.A.S audio Altavoz de Medias frecuencias Cono de 6.5” Potencia 800 W Impedancia nominal 8 Ω RMS 400 W Sensibilidad 98 dB SPL, 1W/1m Peso 9.4 kg Rango de frecuencia 60 Hz – 5000 Hz Frecuencia de resonancia 59 Hz Precio: $1,000.00 pesos

Fig. 8-4. Respuesta en frecuencias altavoz de medios.

Fig. 8-3. Altavoz de medias frecuencias.

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El altavoz de 6.5 ’’ empleado tiene las siguientes características: Para la reproducción de frecuencias medias se ha adoptado por el empleo de dos altavoces de cono de idénticas propiedades de 6.5 ‘’ de diámetro. Estos altavoces poseen un circuito magnético sobredimensionado para mejorar su respuesta en frecuencia medio agudo y reproducir sin ningún problema los transitorios más rápidos que se puedan producir en la música. Se ha empleado una bobina móvil de 1.5 ‘’ de diámetro con un tipo de hilo capaz de soportar una potencia continua de 120 W cada uno de ellos. El cono empleado se ha diseñado con una mezcla de materiales que le aportan la rigidez suficiente para que soporte elevadas presiones sonoras sin deformaciones y con una distorsión armónica realmente baja.

Altavoz de frecuencias Altas


Características

Marca D.A.S audio Altavoz de altas frecuencias Cono de 1” Potencia 75 W Peso 1.7 kg Impedancia nominal 8 Ω RMS 35 W Sensibilidad 111 dB SPL, 1W/1m Rango de frecuencia 1000 Hz – 20,000 Hz Precio $ 550.00 pesos

Fig. 8-5. Altavoz de altas frecuencias.

Fig. 8-6. Respuesta en frecuencias altavoz de agudos.

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ALTAVOCES

El altavoz de 1 ’’ empleado tiene las siguientes características: Para la vía de agudos se ha optado por el empleo de un motor de compresión de 1’’ de boca y conjunto magnético de neodimio situados en un eje vertical y acoplados a respectivos difusores que generan unas muy reducidas curvaturas del frente de ondas para una total coherencia en la suma de ellos. La curvatura del frente de ondas calculada para el sistema es de aproximadamente 4 mm lo cual implica una suma coherente hasta los 19,500 Hz. El uso de motores de 1’’ ofrece varias ventajas sobre otros tamaños ya que: 1.- La distorsión armónica y con ello, la agresividad del sistema, en ciertos márgenes de frecuencia es menor en motores de estos tamaños que en otros de diámetros mayores, obteniéndose así un timbre más natural a niveles de potencia mayores. 2.- La dispersión horizontal en altas frecuencias viene determinada por la anchura de la ranura vertical en la boca del difusor. Cuanto más estrecha sea dicha ranura, mayor será la dispersión a altas frecuencias. Esta claro que cuanto menor sea la boca de los motores de compresión, más estrecha será la ranura vertical del difusor. 3.- Cuando menor es el diámetro del diafragma y de la boca del motor de compresión, mayor es su eficiencia en altas frecuencias produciendo mayores niveles de presión en estos márgenes de frecuencia que motores de formatos mayores. Por lo tanto, se compensan de una forma más efectiva los efectos de pérdida de agudos por absorción del aire y por efectos climatológicos y, además, no es necesario forzar los motores con ecualizadores excesivas en frecuencias muy altas. Todo esto se ve además favorecido por el empleo de motores con estructura magnética de neodimio aumentando la inducción del entrehierro en un 60 % sobre los típicos imanes cerámicos en igualdad de tamaño. Por otro lado, para la construcción del diafragma se ha empleado un polímero técnico en lugar de titanio. Por una parte de su menor fatiga ante el desplazamiento hace que su vida útil se prolongue 4 veces más que en titanio conservando mucho mejor sus propiedades y, además, su distorsión armónica es mucho menor debido a que las resonancias propias del material se producen a frecuencias mayores que en titanio. Guía de ondas

Fig. 8-7. Guía de ondas para frecuencias altas.

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Tamaño del diafragma 1” Peso 0.85 kg 90º x 60 º dispersión Directividad:

Ángulo de cobertura horizontal 6 -dB Ángulo de cobertura vertical 6 -dB

Fig. 8-8. Patrones polares del guía de ondas.

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ALTAVOCES

Precio $ 60.00 pesos

8-4 DISEÑO EN TRES VÍAS El diseño del crossover (red de cruce), para cada cajón es como el que se muestra en la figura 8-9.

De la figura anterior, tenemos que para calcular los valores de las bobinas y de los capacitores nos apoyaremos en las siguientes fórmulas:

Para L1: 1

1 fZL w

π= , sustituyendo valores, tenemos:

mHyL 2.40042.06008

1 ===π

Para C1: wZf

C1

1 41


FdC μπ

160000165.0)8)(600(4

11 ===

Para L2: ( )122 ff

ZL s

−=π

, sustituyendo valores, tenemos:

( ) mHyL 79.0007957.06003800

82 ==

−=π

Para C2: ( )sZff

ffC21

322 4π

−= , sustituyendo valores, tenemos:

( ) FdC μ

π9.1300001396.0

)8)(3800)(600(46003800

2 ==−

=

Fig. 8-9. Red de cruce de tres vías.

172

ALTAVOCES

Para L3: ( )21

123 ff

ffZL s

π−

= , sustituyendo valores, tenemos:

mHyL 9.200290.0)3800)(600()6003800(8

3 ==−

=π

Para C3: ( )123 4

1ffZ

Cs −

=π

, sustituyendo valores, tenemos:

( ) FdC μπ

1.300000310.06003800)8(4

13 ==

−=

Para L4: 2

4 fZL t


mHyL 6.0000670.0)3800(

84 ===

π

Para C4: tZf

C2

4 41


FdC μπ

6.20000026.0)8)(3800(4

14 ===

Para la construcción de las bobinas utilizaremos un carrete con las siguientes medidas como el que muestra en la figura 8-10.

Para calcular en número de vueltas de cada bobina utilizaremos la siguiente fórmula:

[ ]2

121

6.31)(1096

rrrlrLN −++

=

Los valores están dados en μHy, por ejemplo en L1 valor obtenido fue de 4.2 mHy, el valor para la fórmula será de 4200 μHy, Ese valor será igual al número de vueltas utilizaremos alambre de cobre de 1 mm de diámetro.

Fig. 8-10. Dimensiones del carrete.

rrdrdr === 12

21

1 ;2

;2

173

ALTAVOCES

Para L1 el número de vueltas es:

[ ] 5.9541.956.31

5.684200===N


[ ] 5.4138.416.31

5.68790===N


[ ] 5.7928.796.31

5.682900===N


[ ] 3606.366.31

5.68600===N

La red de cruce queda de la siguiente manera:

Para la red de cruce de tres vías utilizamos las frecuencias de corte 650 Hz y 3800 Hz, la respuesta en frecuencia de los tres altavoces (graves, medios y agudos), queda de la siguiente manera:

Fig. 8-11 Red de cruce terminada.

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8-5 DISEÑO Y MEDIDAS DEL BAFLE Se eligió un diseño asimétrico, el bafle esta dividido en tres cámaras separadas y aisladas una de otra. En una de ellas irá el altavoz de graves, en la cámara del medio los altavoces de medios y el altavoz de agudos junto con su guía de ondas en la otra cámara. Características de caja 1.- Medidas.

Ancho 910 mm Altura frontal 480 mm Altura trasera 400 mm Profundidad 420 mm

2.- Peso (Neto): 60 Kg (incluyendo croosover y chasis de acero). 3.- Rejilla de protección: chapa de hierro de 1.5 mm de espesor con perforaciones circulares de 6 mm de diámetro pintada de color negro esmalte. 4.- Acabado: cubierta de resina y esmalte color negro. 5.- Sistema de arneses y asas de seguridad. 6.- CONECTORES: Señal INPUT – OUTPUT: Conectores XLR-3 de entrada y salida de señal hacia las demás unidades. El código de conexionada es Pin 1 masa Pin 2 señal no invertida (+) Pin 3 señal invertida (-)

Fig. 8-12. Respuesta en frecuencia de la red de cruce.

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Sus dimensiones se muestran a continuación:

La forma del cajón del lado lateral tiene una inclinación de 6 º, como se muestra en la figura (8-15).

Fig. 8-13. Conector hembra y macho.

Fig. 8-14. Vistas frontal y superior del bafle.

Fig. 8-15. Vistas Lateral del bafle.

Fig. 8-16. La respuesta polar del bafle 1000 Hz a 18,000 Hz.

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8-6 CONDICIONES

Frecuencia máxima hasta la que se tendrá una onda cilíndrica será: Donde 49 cm, es la separación entre centros de los altavoces de 10 “. Para un arreglo de 4.8 m emitirá directamente en el campo cercano lejano para frecuencias menores a 70 Hz.

Extensión del campo cercano.

ALTURA DEL ARREGLO FRECUENCIA EXTENSIÓN CAMPO CERCANO

4.8 m 250 Hz 8.6 m 4.8 m 500 Hz 17.2 m 4.8 m 1000 Hz 34.4 m 4.8 m 2000 Hz 68.8 m 4.8 m 4000 Hz 137.6 m 4.8 m 8000 Hz 275.2 m 4.8 m 16,000 Hz 550.4 m

Distancia entre el campo lejano y campo cercano H = altura del line array 4.8 m

FRECUENCIA DISTANCIA

250 Hz 8.37 m 500 Hz 16.74 m

1000 Hz 33.4 m 2000 Hz 66.97 m 4000 Hz 133.95 m 8000 Hz 267.90 m

16,000 Hz 535.81 m

Respuesta en frecuencia del sistema : 56 Hz – 19,500 Hz

Cobertura vertical: 90 ° (-6 db) / 110 ° (-10 db)

Potencia: 900 W rms 3600 W pico

Máximo SPL (calculado): 134 db continuo, 140 db pico

Hzf 358)2(48.0

344==

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ALTAVOCES

8-7 ALIMENTACIÓN Y CONEXIÓN Para el altavoz woofer o de bajos, la potencia del amplificador se recomienda que tenga una salida 500 W RMS ò 1200 W nominal ó PMPO, para alimentarlo y además brindar protección a los altavoces. Para el altavoz de medios, la potencia del amplificador de salida será de 250 W RMS ó 600 W nominal ó PMPO. Para el altavoz de agudos como soporta la misma potencia con la que el altavoz de medios, la potencia de salida del amplificador será la misma.

8-8 ASPECTOS DE SEGURIDAD El sistema se ha diseñado para la construcción de matrices lineales acústicas. Las matrices lineales acústicas, consisten en columnas independientes de sistemas de sonido y para su máximo rendimiento y óptima cobertura, deben ser volados bajo unas especificaciones concretas. El hecho de tener que elevar y suspender a una cierta altura un sistema de sonido de directo, cuyo peso es elevado, implica el obligado cumplimiento de una normativa existente específica, para ello así como seguir una norma de seguridad y prevención sobretodo antes de realizar cualquier montaje.

Fig. 8-17. Conexión del arreglo.

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Es responsabilidad del usuario el cumplir con dichas normativas: coeficientes de seguridad con las cargas, supervisiones del estado de los distintos elementos, etc. En cuanto a los coeficientes de seguridad con las cargas, hasta el momento no existe una norma a nivel internacional específico para los sistemas de sonidos volados y sus sistemas de anclajes. Independientemente a ello, los coeficientes aplicados por los distintos fabricantes de sistemas de sonido, varia entre una relación de 5:1 para los recintos, llegando incluso a factores de seguridad 7:1. El sistema, ha sido objeto de ensayos de tracción hasta la rotura realizados por institutos tecnológicos relacionados con el sector metálico mecánico y debidamente registrados y autorizados. Como resultado de dichos ensayos realizados en condiciones normales, y mediante la maquinaría adecuada, los resultados obtenidos fueron: Carga de rotura pare el sistema de volar + bafle: 53500 Newton. Lo cual supone aproximadamente unos 5400 Kg. Aplicando ambos factores de seguridad: Factor 5:1; 1080 Kg, factor 7:1; 775 Kg Esto implica que para ambos factores de seguridad, el número máximo de recintos que se pueden volar en estructura de matriz lineal son: Factor 5:1; 18 bafles Factor 7:1; 12 bafles Importante: revise siempre antes de cada instalación el estado general de los distintos elementos de volado del sistema, la estructura metálica rectangular superior, los elementos de enganche entre la caja y caja delanteros y traseros, elementos metálicos de los recintos así como pasadores y todos aquellos elementos que estén soportando un esfuerzo de tracción. Recuerde que debido al uso de una pieza en mal estado o un montaje defectuoso, se puede ocasionar un grave accidente e incurrir en un delito de seguridad pública. 8-9 ELEMENTOS DE VOLADO El sistema dispone de otro sistema de elevación que va incluido en la misma caja que dispone de dos estructuras metálicas a ambas partes formadas por diversos tubos de hierro soldados y acabados en el mismo color que la caja de madera. Ambas estructuras se encuentran fijadas a la caja mediante una serie de tornillos de gran diámetro y resistencia mecánica atornillados a sus respectivos insertos metálicos situados en la cara interior de la madera.

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Incluidas también en el recinto y en el interior de estas dos estructuras metálicas, se encuentran dos piezas delanteras de aluminio de 10 mm de espesor fijadas mediante pasadores que harán las veces de bisagra del line array. Como ya se vio anteriormente, se podrá ajustar el ángulo vertical entre recintos de 0° a un máximo de 6° en pasos de 1° en 1° dada la forma del cajón. La pieza de rigging delantera, saldrá automáticamente al sacar el pasador de seguridad delantero superior en ambos lados. Este pasador, se colocará en el agujero inferior para impedir que la pieza bisagra tenga movimientos. También se ha comentado que, dependiendo de la posición del pasador en las guías traseras del sistema de rigging, y de donde se fije con la pieza trasera de rigging, se podrá emplear tanto para volar el sistema de line array vertical como para montarlo sobre una superficie.

1 ° 2 ° 3 °

6 ° 4 ° 5 °

Fig. 8-18. Ajuste del ángulo vertical.

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8-10 COBERTURAS VERTICALES Se ha visto anteriormente que las características principales de los recintos line-array son su estrecha cobertura vertical generando un frente de ondas prácticamente plano, y una cobertura horizontal lo más amplia posible. Cuando se monte un sistema de line-array, la cobertura horizontal del sistema será la misma que la de cada elemento individual, variando la cobertura vertical dependiendo de la configuración del sistema. Para poder controlar y optimizar la cobertura vertical, es fundamental poder articular o curvar en mayor o menor medida el sistema completo, y la forma más efectiva de hacerlo es variando el ángulo entre recintos adyacentes mediante el sistema de volado. Mediante las siguientes figuras, se muestra el montaje de un line array y el ángulo de cobertura generado por dicho sistema. Un sistema de line array vertical con ángulos entre recintos adyacentes de valores próximos a 0 °, nos dará una estrecha cobertura vertical con un mayor lanzamiento que un sistema con ángulos mayores con el que se obtendrá una mayor cobertura vertical. 1.- El siguiente sistema de 4 (mínimo) aportará como ya se ha dicho, una mayor proyección del sonido con una cobertura vertical muy estrecha (0°).

Fig. 8-19. Sistema rigging.

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2.- El mismo sistema que en el caso anterior ajustando con los máximos ángulos entre cajas adyacentes, dará como resultado un menor lanzamiento pero una cobertura vertical mayor concretamente 18 °.

Fig. 8-20. Cobertura vertical 0°.


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3.- En sistemas convencionales, es decir, con un número mayor de recintos, se realizarán combinaciones de los dos casos anteriores: a.- Se dispondrá de un número de cajas en la parte superior con unos ángulos cercanos a 0° entre ellas, para lanzar el sonido lo más lejos posible. b.- Habrá otras cajas en la parte inferior del line array vertical con el ángulo máximo entre ellas de forma que aparten menor presión acústica a las zonas de audiencia más cercana al sistema y además, tengan una mayor cobertura vertical. c.- Entre ambas zonas, se dispondrá de un número de cajas con unos ángulos intermedios que cubrirán las zonas intermedias.


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Ejemplos de mejora de la cobertura vertical Sabemos que, dependiendo del tamaño y forma de la zona de la audiencia, deberemos emplear un ajuste angular entre recintos adyacentes determinado para optimizar la cobertura del sistema de line array vertical. A continuación, veremos varios ejemplos de cómo mejorar las coberturas verticales de un sistema en la sonorización de una zona de audiencia relativamente complicada: como por ejemplo, un teatro con varias alturas de tribunas. 1.- Si la zona a sonorizar es la de la figura, se puede observar que, si se ajusta 0° entre recintos, se tendrá mucha presión acústica en una zona muy concentrada de la audiencia, mientras que otras zonas de ella quedan sin cubrir.

Los mismos 4 recintos, con otra configuración de grados distintos entre bafles nos proporcionarán una cobertura vertical de la zona de audiencia mucho más homogénea y coherente.

Fig. 8-23. Ajuste a 0°.

Fig. 8-24. Ajuste a 6° por cajón.

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2.- El mismo teatro puede sonorizarse con el sistema de line array vertical, volando los recintos de forma que la cobertura de la zona de audiencia sea la idónea y obteniendo además un montaje mucho más limpio y estético. En el primer caso, no se dispondrá de una cobertura homogénea del sonido en la zona de audiencia centrando la mayor parte de presión sólo en una zona de ésta.

Situando unos ángulos correctos entre recintos, aseguraremos una cobertura vertical homogénea y coherente en toda la zona de la audiencia.

Esta situación, demuestra que: No por usar un número mayor de recintos, se va a sonorizar mejor un recinto, sino que dependerá en mayor medida de cómo se realice la distribución de ángulos entre los recintos adyacentes.

Fig. 8-25. Arreglo volado.

Fig. 8-26. Cobertura vertical en toda la zona de audiencia.

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8-11 COSTOS Altavoz de agudos = $ 1,500.00 Altavoz de medios = $ 2,000.00 par Altavoz de graves = $ 550.00 Guía de ondas = $ 100.00 Total Altavoces: $ 4150.00 pesos Madera tipo MDF 18 1.22 * 144 mm: $ 140.00 pesos Acabados: $ 50.00 pesos por cajón Herrería: $ 100.00 pesos Conectores: $ 60.00 pesos / par Cable: $ 40.00 pesos Crossover (red de cruce): $ 120.00 pesos Piezas ringing: $ 150.00 pesos Seguros metálicos: $ 80.00 pesos/ par Total por bafle: $ 4890.00 pesos Por 20 bafles $ 4890.00 x 20 = 97,800.00 pesos Mano de obra = $ 20,000 pesos Precio real del sistema: $ 127,800.00 pesos El precio del sistema reduce a la mitad el precio establecido por fabricantes extranjeros, dejando bien claro que todos los materiales empleados son de primera calidad, asegurando los resultados obtenidos en el diseño del sistema calculado anteriormente Si se utilizan materiales de menor calidad los resultados pueden variar a los calculados pero si se respetan las condiciones necesarias que debe cumplir un line array serán aceptables reduciendo aún más el precio total del sistema.

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CONCLUSIONES

Con este proyecto se ha comprobado que para poder construir y diseñar un sistema de arreglo lineal de calidad, se deben tomar en cuenta diversos aspectos, tales como: que tipo de altavoz es el más adecuado para esta aplicación, siendo el altavoz electrodinámico el cual se eligió, por que es quien reúne más características técnicas y ventajas en cuanto al altavoz electrostático y altavoz piezoeléctrico. Para construir el recinto acústico se considero la caja tipo bass reflex por la reproducción de frecuencias bajas (30 Hz – 2000 Hz), este diseño es el más eficiente, por que podemos alcanzar frecuencias menores a la frecuencia de resonancia de nuestro altavoz, lo que significa que tendremos un mayor rango en bajas frecuencias; para la reproducción de frecuencias medias se utilizó, el tipo de caja cerrada, debido a su respuesta lineal, es decir que no presenta ningún refuerzo en algún rango de frecuencia específico, esto no representa gran problema, ya que en la reproducción de medias frecuencias (60 Hz – 5000 Hz) no afecta, por último para colocar el motor y su guía de ondas para frecuencias altas (1000 Hz – 20,000 Hz), también se construyó un tipo de caja cerrada. Al final se unieron estos tres recintos para hacer el bafle utilizando un diseño asimétrico, obtuvimos y observamos que el bafle tiene una respuesta en frecuencia de 56 Hz – 19500 Hz. Para el filtrado de frecuencia se calculó y construyo un crossover de 12 dB/octava, porque es más eficiente que uno de 6 dB/octava debido a que es más corta su pendiente de atenuación, si escogiéramos el de 18 dB/octava resultaría más complicado y costoso construirlo, teniendo como resultado los siguientes cortes en frecuencia: para frecuencias bajas medias es de 600 Hz, y de frecuencias medias altas es de 3800 Hz, decimos que trabaja correctamente. De los arreglos que se vieron como el de Columnas, Clusters y Line Array es claro que los tres son importantes. Cada uno de ellos tiene ciertas características que los hacen único, la diferencia principal que se encontró, es el área de cobertura que se desea. Pero la ventaja principal que tiene un sistema Line Array ante los otros dos es que se obtienen tiros más largos de cobertura vertical a un nivel de presión sonora aceptable y esto se pudo comprobar ya que el sistema genera ondas cilíndricas lo que quiere decir que cada vez que se duplica la distancia se atenuará 3 dB y no 6 dB como ocurre con los otros dos. Así que al realizar el diseño de un sistema y cumpliendo con las condiciones necesarias para construir un Line Array, obtuvimos que con un altura de 4.5 m tendremos una distancia máxima de 505.4 m, con una cobertura vertical de 29°; una potencia de 900 W RMS; un SPL de 134 db a 1 m de distancia, para proporcionar a un área de cobertura de hasta 90 dB a 120 metros de distancia, y al ocupar un sistema de ringing podemos lograr coberturas verticales mucho mayores incluso en lugares donde exista plana baja y planta alta. El costo de este sistema resulto que es mucho menor al precio de los sistemas comerciales, aún utilizando materiales de primera calidad, lo que significaría un gran ahorro en el consumo de este sistema.

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GLOSARIO

Sonido: es la vibración de un medio elástico, bien sea gaseoso, líquido o solidó. Sensación detectada por nuestro oído, que producen las rápidas variaciones de presión en el aire; las rápidas variaciones de presión se centran entre 20 y 20,000 veces por segundo (igual a una frecuencia de 20 Hz a 20,000 Hz), denominado también rango audible. Altavoz: es un dispositivo transductor que convierte señales eléctricas en ondas de presión, y densidad sonora que conocemos como sonido. Bafle: es la integración de uno o varios altavoces, a un recinto construido de madera, novopán, plásticos, etc., ósea de un material solidó denominado también, como caja acústica. Frecuencia Hz: es el número de pulsaciones (ciclos) que tiene por unidad de tiempo (segundo). La unidad correspondiente a un ciclo por segundo es el hertzio (Hz). Decibelio o decibel (dB): es una unidad logarítmica de medida utilizada en diferentes disciplinas de la ciencia. En todos los casos se usa para comparar una cantidad con otra llamada de referencia. Se utiliza para comparar la presión sonora, en el aire, con una presión de referencia, este nivel de referencia es una aproximación al nivel de presión mínimo que nuestro oído es capaz de percibir. Presión Acústica: es la presión que se genera en un punto determinado por una fuente sonora. El nivel de presión sonora SPL: se mide en dB(A) SPL y determina el nivel de presión que realiza la onda sonora en relación a un nivel de referencia 20 μ pascales. Intensidad Acústica: la cantidad de energía sonora transmitida en una dirección determinada por unidad de área. Potencia Acústica: es la cantidad de energía radiada por una fuente determinada. Ruido rosa: Es un ruido cuyo nivel sonoro esta caracterizado por un descenso de tres decibelios por octava, no tiene el mismo nivel en todas las frecuencias, normalmente se genera entre 20 Hz y 20,000 Hz. Su sonido es muy parecido al que podemos oír cuando se sintoniza entre dos emisoras de FM.

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BIBLIOGRAFÍA MANUAL DE ALTA FIDELIDAD Y SONIDO PROFESIONAL Serie: Mundo electrónico Ed. Marcombo, S.A ALTAVOCES Y CAJAS ACÚSTICAS Charles Henry Delaleu Ed. Paraninfo, S.A RECINTOS ACÚSTICOS HI-FI Pierre Chaunigny ALTA FIDELIDAD Francisco Ruiz Vassallo Ed. Ceac

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