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historia acustica
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HISTORIA DE LA ACÚSTICA.
Los primeros estudios matemáticos del sonido se realizaron ya en la escuela de Pitágoras
(s. VI a. de C.), donde se establecieron relaciones numéricas entre el tono de las notas
musicales y la longitud de las cuerdas que las producen. El estudio de sus propiedades
físicas se abordó tímidamente en el s. XVII con dos experiencias acerca de la naturaleza
del sonido: la del estudio de su propagación en el vacío y la observación, mediante
pequeñas esferas, de las vibraciones de un vaso de vidrio al emitir un sonido. A principios
del s. XIX se llevan a cabo estudios más profundos y la acústica se constituye como rama
de la física con entidad propia, gracias fundamentalmente a los trabajos de E. Chladni y F.
Savart.
El sonido consiste en una serie de sucesivas compresiones y dilataciones, que se
propagan a través de un medio material. Posee dos cualidades: tono y timbre.
El tono es el número de vibraciones por segundo (conocido también como frecuencia). La
sirena de Cagniard de Latour permite medir el tono de un sonido por medio de una
corriente de aire que acciona un disco con orificios, el cual al girar emite un sonido, tanto
más agudo cuanto mayor sea su velocidad. Dispone, además, de un mecanismo que
permite contar las revoluciones cuando el instrumento ha alcanzado el tono deseado.
Otros instrumentos permiten obtener una representación gráfica de la frecuencia gracias
al registro de las vibraciones. Por ejemplo, si situamos en el extremo de un diapasón una
aguja, y la hacemos deslizar por un cilindro giratorio ennegrecido con humo, el trazado
blanco sobre el fondo negro será la representación gráfica del tono.
En el fonógrafo de Edison las vibraciones producidas por un sonido hacen vibrar a su vez
una membrana provista de una aguja, y ésta traza unas hendiduras sobre la superficie de
un cilindro. En los primeros modelos se utilizó un cilindro de estaño, que más tarde se
sustituyó por cilindros de cera. Al pasar nuevamente la aguja por la superficie del cilindro
el movimiento de la misma hace vibrar la membrana reproduciendo así el sonido original.
Aquí presentamos un modelo denominado tin-foil que utilizaba cilindros de estaño.
La otra cualidad que caracteriza el sonido, el timbre, permite diferenciar una misma nota
emitida por instrumentos diferentes. Generalmente, y salvo en el caso del diapasón, los
sonidos rara vez son puros, esto es, compuestos por una única frecuencia.
El diapasón / martillo se utiliza para producir un sonido de una única frecuencia, gracias a
la vibración que este dispositivo imprime al aire que le rodea. La mayoría de los sonidos
están compuestos, además, por otras frecuencias que se superponen a la principal,
constituyendo los armónicos.
En esta exposición podemos ver dos instrumentos que permiten descomponer y
recomponer un sonido a partir de sus armónicos. El sintetizador de Helmholtz permite
esta recomposición mediante una serie de diapasones excitados eléctricamente y de
manera continua, que emiten un sonido apenas audible. Detrás de cada diapasón se sitúa
un resonador para amplificar su sonido. La boca de estos resonadores está cerrada por
una pestaña metálica que se retira al presionar la tecla correspondiente, y como resultado
podemos oír el armónico aislado.
El analizador de sonidos se emplea para determinar si un sonido es simple o compuesto,
permitiendo en este último caso determinar los armónicos que lo constituyen. Para ello
está provisto de catorce resonadores, acordados cada uno según sus dimensiones para
aislar y reforzar una nota. Los resonadores se conectan a una conducción de gas, el cual,
al arder, produce una llama cuyas vibraciones pueden observarse de forma continua en
un espejo giratorio, con lo que se facilita el análisis del sonido.
Como ya se ha indicado, el sonido se produce por las vibraciones que se generan en un
medio material. En las placas de Chladni, este medio material es una placa de metal. Si
espolvoreamos sobre ellas una capa de finos polvos de licopodio y rozamos su borde con
un arco de violín, o lo golpeamos con un martillo, se forman diferentes figuras que
dependen del tamaño y forma de las placas, debido a que el licopodio se deposita allí
donde no se produce vibración. En el caso del caleidófono el medio en vibración son unas
varillas, también metálicas. Aquí es la sección de las varillas la que determina las figuras
formadas por los extremos de éstas al vibrar. Estas figuras son las conocidas figuras de
Lissajous.
El medio material es necesario no sólo para la producción del sonido, sino también para
que éste pueda propagarse. Esto se demuestra, por ejemplo, gracias a una campana de
vacío con un timbre en su interior. A medida que el vacío es mayor, el sonido producido
por el timbre es más débilmente audible.
El Sonido
a- Componentes físicas del sonido: ¿Cómo es el sonido?
El sonido está formado por ondas que se propagan a través de un medio que puede ser
sólido, líquido o gaseoso. Las partículas materiales que transmiten tales ondas oscilan en
la dirección de la propagación de las mismas ondas.
Si sujetamos una soga desde un extremo atada al otro y hacemos movimientos contínuos
hacia arriba y abajo lograremos hacer ondas.
Una forma de generar una onda
también puede ser con botellas de
plástico puestas una al lado de otra
y tumbar una. Veremos como se tumban unas tras otra generando una onda. También se
puede experimentar con las fichas de un dominó.
Las ondas a las que
llamamos sonoras son las
que pueden estimular al
oído y al cerebro humano
dentro de ciertos límites
que son aproximadamente de 20 ciclos por segundo a cerca de 20.000 ciclos por
segundo. Estos son los límites audibles, las ondas de sonido inferiores al límite audible se
llaman infrasónicas y las que superan el límite superior se llaman ultrasónicas.
Los perros son sensibles a frecuencias de hasta 30.000 ciclos por segundos y los
murciélagos a frecuencias de hasta 100.000, es decir que estos animales escuchan
sonidos ultrasónicos.
b- Medio de propagación del sonido: ¿Cómo llega el
sonido hasta nuestros oídos?
Cuando arrojamos una piedra al agua la misma genera
una serie de ondulaciones en la superficie que se
dispersan y propagan hacia todas direcciones. Esto
sucede porque las partículas del agua oscilan y transmiten
su movimiento a las partículas contiguas sucesivamente
en todo el volumen de agua. Luego de cierta longitud desde el impacto las ondulaciones
se atenúan hasta desaparecer.
El sonido llega a nuestros oídos gracias a que las partículas que componen el aire vibran
y transmiten su oscilación.
c- El sonido en el
espacio: ¿Hay sonido
en el espacio?
Como el sonido
necesita un medio
transmisor compuesto
de partículas que se empujan unas tras otras podemos deducir que en el espacio
interestelar no puede existir sonido ya que no se compone de ningún elemento material
que pueda propagar ondas. En el espacio hay vacío y sólo se pueden propagar las ondas
de luz y de radio. Los astronautas deben comunicarse a través de radiotransmisores
porque no podrían escucharse estando muy cerca ni aún gritando fuertemente.
d- La velocidad del sonido. ¿Cuánto tarda mi voz para llegar a la otra esquina?
Según el medio donde se transmita el sonido será más lento o más rápido.
El sonido viaja en el aire a 331,3 metros por segundo y en el agua a 1.450 metros por
segundo. La transmisión del sonido es más rápida en el agua porque sus partículas están
mas juntas y propagan antes la vibración.
Si gritamos desde una esquina el sonido tardará hasta llegar a la otra:
331,3 ms.--------1 seg.
100,0 ms.--------x= (100,0 ms. x 1 seg.) / 331,3 ms.
X = 0,301 seg.
(O sea, la tercera parte de 1 segundo).
Se necesitarán 3 cuadras de 100 metros para que nuestro grito tarde aproximadamente 1
segundo en llegar.
Si fuésemos ballenas sumergidas en agua, nuestro grito tardaría en cubrir 3 cuadras:
1.450 ms.--------1 seg.
300 ms.--------x= (300 ms. x 1 seg.) / 1.450 ms.
X= 0,207 seg.
(Menos de la cuarta parte de 1 segundo).
¡En el agua el sonido es más rápido que en el aire!
e- Las
ondas:
frecuencia y longitud de onda. ¿Qué forma tiene el sonido?
Como dijimos antes el sonido es una onda que viaja a través de un medio que puede ser
el aire, pero existen muchos tipos de ondas, entre ellas las que producen sonidos agudos
y sonidos graves. Los primeros se componen de ondas que están muy juntas entre sí, y
las segundas por ondas más separadas.
En un sonido agudo
existen más ondas en
una fracción de tiempo
que en un sonido grave. Al número de ondas que caben en un tiempo determinado se lo
llama frecuencia, y se lo mide en Hertz, la unidad de frecuencia. Un Hertz es una onda de
una sola ondulación que se produce durante un segundo.
La medida del espacio que existe entre una onda y la siguiente se llama longitud de onda,
entonces cuanto más alta es la frecuencia menor es la longitud entre las ondas en un
mismo tiempo.
La altura que alcanza las ondas se llama amplitud y determina el volumen o nivel sonoro.
Cuando escuchamos música a bajo volumen la amplitud de las ondas sonoras no es
perjudicial para el oído, pero al escuchar música a muy alto volumen los niveles de
amplitud son tan altos que pueden dañar el tímpano del oído.
f- El sonido
puro. ¿Cómo
es la onda del
sonido de
una flauta?
Un sonido
puro es aquel
que está
compuesto por ondas que poseen una frecuencia y longitud de onda iguales en el
transcurso del tiempo, es decir, que es constante. Por ejemplo, la flauta dulce, el silbato,
una cuerda de guitarra, una nota en la escala musical, un silbido, etc., pueden emitir
ondas puras.
g- Generadores de sonido. Construyendo un instrumento musical.
Todo lo que es capaz de producir ondas que estimulan al oído es un generador de sonido.
La caja de cilindros de un auto donde se produce explosiones, las cuerdas vocales, el
roce entre materiales y cualquier efecto que produzca vibraciones audibles es un
generador de sonidos.
Si a una caja de
zapatos le hacemos
un agujero en el
centro, le colocamos
alrededor una bandita
de goma, la estiramos
soltándola luego
rápidamente
lograremos dentro de
la caja hacer resonar el sonido de golpe producido por la bandita, generando una onda
pura. La resonancia es el fenómeno que producen las ondas dentro de un volumen de
determinadas dimensiones. Casi todos los instrumentos musicales poseen su caja de
resonancia. Por ejemplo la boca es una cavidad resonante; cuando acercamos un caracol
al oído y creemos escuchar el ruido del mar, en realidad es el ruido del ambiente
resonando dentro del caracol.
h- Generando sonidos con la
computadora.
Los sonidos pueden generarse también
electrónicamente a través de un parlante
e impulsos eléctricos que lo exciten.-Por
un parlante se pueden reproducir toda la
gama de frecuencias audibles y aún más. Con la ayuda de una computadora podemos
generar impulsos eléctricos cuyas ondas pueden ser tratadas, aumentando o disminuyendo
su frecuencia, amplitud, sumando ondas, anulando, etc. Podríamos generar un programa
capaz de emitir todo tipo de sonidos y ruidos y automáticamente graficar sus ondas.
También cabría la posibilidad de registrar sonidos y analizarlos gráficamente, convirtiendo
a la computadora en un osciloscopio o analizador de espectro. La computadora multimedia
nos permite en la actualidad realizar todas estas posibilidades.
Ejemplo de un programa de computadora que permite editar, registrar, amplificar, invertir,
etc., sonido.
2- El Ruido.
a- El Ruido: ¿Ruido o Sonido?
El ruido es un sonido o conjunto de sonidos mezclados y desordenados. Si vemos las
ondas de un ruido observaremos que no poseen una longitud de onda, frecuencia, ni
amplitud constantes y que se distribuyen aleatoriamente unas sobre otras.
En un sonido musical las ondas de distintas frecuencias se superponen ordenadamente
siguiendo una estructura armónica en función del tiempo. Por estas causas un ruido es
desagradable para el oído y una pieza musical puede resultar placentera.
La música es el arte de combinar los sonidos formando melodías y armonías, todo lo
contrario al ruido.
B- Ruidos de colores: Rosa,
Blanco, Marrón.
Un sonido agudo como un Piiiiiiiii
nos puede recordar a un color
claro. Un sonido grave como un
Buuuuuu nos puede recordar a un color oscuro.
Existen tres tipos de ruidos básicos: el ruido blanco que se compone de todas las
frecuencias audibles a la misma amplitud y es parecido a un Shshshshsh también
producido por el televisor cuando se corta la recepción. El ruido rosa que se compone
principalmente por frecuencias graves y agudas, medias atenuadas, parecidas a un
Fsfsfsfsfsfs (pronunciando la "f" y la "s" al mismo tiempo). El ruido marrón compuesto
principalmente por ondas graves y medias, parecidas a un Jfjfjfjfjfjfjfjfjf (pronunciando la "j"
y la "f" al mismo tiempo).
c- Medidores de nivel sonoro.
Para tal caso se utilizan medidores llamados decibelímetros que generalmente constan de
un micrófono patrón, extremadamente calibrado y que responde a todas las frecuencias
audibles por igual y una pantalla gráfica analógica (con aguja móvil) o digital (luces o
displays de cristal líquido), y una llave selectora de sensibilidad.
También existen los analizadores de espectros, que pueden graficar las frecuencias que
componen un ruido determinado, pero estos equipos tan especializados sólo se utilizan
para mediciones críticas y desarrollos e investigaciones especializadas.
d- Contaminación acústica. El ruido de
la ciudad.
La contaminación acústica es el conjunto
de sonidos y ruidos que circulan a nivel
aéreo por las calles de una población.
Como generalmente las ciudades poseen
gran cantidad de elementos generadores
de ruido, como ser el tránsito e industrias,
se produce en conjunto un alto nivel
sonoro que puede llegar a perjudicar la
integridad física y psíquica del habitante
urbano.
El oído humano sólo puede soportar ciertos niveles máximos de ruido, sin embargo el
nivel que se acumula en las regiones centrales de la ciudad en reiteradas ocasiones
supera ese máximo. Algunos ruidos de la ciudad se encuentran por encima del "Umbral
del dolor". (Por encima de los 120 dB.)
Estos ruidos pasan a formar parte de la contaminación acústica de una ciudad y deben
ser restringidos y controlados por las autoridades para mantener la salud de los
ciudadanos que circulan por las calles. De acuerdo a las mediciones obtenidas con los
alumnos hemos registrado niveles sonoros picos en el centro de la ciudad y se detallan en
el ítem de experiencias en la calle.
EXPERIENCIAS
1- Experimentos con sonidos y ruidos.
- Entendimos la diferencia entre oír y escuchar realizando prácticas al respecto.
- Escuchamos un sonido puro y luego un ruido.
- Intentamos
describir la
diferencia entre lo
escuchado.
- Salimos a la
vereda de la
escuela y
escuchamos el
ruido de la
ciudad.
2- Charla divulgativa con especialista.
- Charlamos con un especialista en el tema. Le hicimos muchas preguntas.
- Observamos el movimiento de un altavoz o parlante cuando se generaba una onda de
sonido muy grave. Observamos que el parlante se mueve hacia atrás y hacia adelante
rápidamente moviendo el aire y provocando un sonido muy bajo, sintiendo también
vibración, como el que se escucha de los barcos que están en el puerto de Rosario a más
de 30 cuadras de la escuela. El sonido era algo parecido a un Buuuuuuuuu....
-Observamos que el parlante dejaba de moverse al hacer el sonido más agudo. Esto era
porque el altavoz se movía tan rápido que no podíamos verlo y el sonido que salía del
mismo era algo así como un Piiiiiiiiiiiiii.....
- Entendimos que el sonido era una vibración que se producía a través de un medio: el
aire.
- Comprendimos que sin aire no hay sonido, entonces en el espacio, donde no hay aire,
no existe el sonido.
3- Experiencias con instrumentos especiales: osciloscopio.
- Observamos los mismos sonidos generados en el parlante pero con un aparato llamado
Osciloscopio. Allí logramos "ver" las ondas, que eran parecidas a las que se forman
cuando tiramos una piedra al agua.
- Observamos como las ondas se acercaban más unas a otras, es decir se comprimían
cuando el sonido se hacia cada vez más agudo.
- Comprendimos que en un sonido grave las ondas se encuentran más separadas que en
un sonido agudo y viceversa.
- Comprobamos también que el parlante se movía sincronizadamente con la forma de las
ondas que mostraba el osciloscopio.
- Observamos un ruido por el osciloscopio y vimos que no se componía de una onda sino
de un montón de rayas parecidas a las ondas pero todas desordenadas.
- Observamos la música por el osciloscopio y comprendimos que se compone por la
mezcla de muchos sonidos puros y ordenados. Diferente al ruido desordenado.
4- Experiencias con instrumentos especiales: analizador de espectro, generador de
ondas.
- Observamos el sonido y el ruido con un "analizador de espectro".
- Vimos que un sonido puro contenía solo una frecuencia auditiva, que podía ser grave,
media o aguda.
- Las graves estaban en la zona izquierda del aparato, las medias se veían en la mitad y
las agudas en la zona derecha.
- Generamos ruido y lo observamos en el analizador de espectro.
- Observamos que el ruido se componía tanto de sonidos graves como de medios y
agudos.
- Generamos ruido llamado "blanco" y vimos que contenía graves, medios y agudos,
todos por igual, todos casi a la misma intensidad.
- Generamos ruido llamado "rosa"y vimos que contiene medios y agudos.
- Generamos ruido llamado "marrón" y vimos que contenía sonidos graves y medios.
5- Experiencias en la calle: mediciones de nivel sonoro en distintos puntos de la
ciudad.
- Con un decibelímetro medimos el nivel de ruido entre las calles Corrientes y San Luis,
donde hay mucho tránsito y tomamos ese punto como centro geográfico de la
investigación.
- Nos alejamos cinco cuadras de ese punto y volvimos a medir. Luego diez cuadras, luego
quince, veinte, veinticinco, treinta, y cuarenta cuadras alejados del primer punto de
medición.
- Anotamos en tablas y realizamos gráficas de ruido en función de la distancia al centro de
la ciudad.
6- Experiencias en la calle: mediciones de nivel sonoro en un sitio a diferentes
horarios.
- Con el decibelímetro medimos intensidad de ruido durante todo un día en la esquina de
Corrientes y San Luis de la ciudad de Rosario, Argentina.
- Medimos a las 8 hs, y luego a las 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, y 21hs.
- Anotamos los resultados en tablas y realizamos gráficas de intensidad de ruido en
función de la hora del día.
- El Prof. midió el nivel de ruido en una confitería bailable durante su función.
7- Búsqueda de información en Secretaría Municipal de Medio Ambiente de la
Ciudad de Rosario. La circular nº 332 del 5 de diciembre de 1972.
8- Desarrollo de un programa por computadora que muestra ruidos y sonidos
puros.
A través del lenguaje de programación Visual Basic se desarrolló un programa multimedia
capaz de reproducir sonidos puros y ruidos previamente registrados. Los archivos de
ondas se guardaron en formato WAV, 16 bits de resolución, 44 Khz. de velocidad de
muestreo.
El programa posee botones que al activarlo se reproduce un sonido característico por los
parlantes de la computadora y una breve explicación de lo que puede oírse. La salida de
parlantes está conectada también a un osciloscopio que permite graficar las ondas
generadas por la computadora y así poder comparar las formas de las ondas de los
distintos sonidos que el programa permite reproducir. Por ejemplo, haciendo "clic" con el
ratón el botón voz humana se podrá escuchar a una persona cantar y a la vez observar
sus ondas en el osciloscopio. Lo mismo sucederá con el botón guitarra, marcianos, fritura,
etc. Se adiciona también la posibilidad de observar y comparar las ondas de sonidos
graves, medios y agudos y los ruidos blanco, rosa y marrón. Todos los efectos sonoros
generados por la computadora podrán ser observados en el osciloscopio.
9- Investigación para el futuro.
Durante el transcurso del trabajo propusimos una nueva investigación: "Efectos del ruido
sobre la gente". Realizaremos un análisis entre las edades y capacidades auditivas así
como también costumbres y lugares de trabajo relacionados con la falta de audición.
Por falta de tiempo realizaremos este trabajo en las ferias de ciencias donde nos
presentemos y les realizaremos test auditivos a las personas que se acerquen a nuestro
stand. Así lograremos una gran cantidad de mediciones para realizar una estadística.
I) LA ECUACIÓN DE ONDA
El movimiento ondulatorio puede expresarse en forma matemática mediante una ecuación
que describa un movimiento vibratorio avanzando por un medio. Para ello es preciso partir
de la ecuación que define la oscilación del foco u origen de la perturbación. Si el
movimiento es armónico simple su ecuación correspondiente será:
Y = A · sen t
Y = A · sen (2ft)
Donde la elongación se representa, en este caso, por la letra Y, pues en ondas
transversales, como sucede en las cuerdas, equivale a una altura.
Dado que la perturbación avanza a una velocidad v, en recorrer una distancia r
Eso significa que el estado de perturbación de cualquier punto P situado a una distancia r
del foco O coincidirá con el que tenía el foco t' segundos antes. Se trata de un tiempo de
retardo que indica en cuánto se ha retrasado la perturbación al llegar a P respecto del
foco.
Por tanto, si en la ecuación de la elongación que describe la situación del foco, se cambia
t por t-t' se obtiene una ecuación que describe el estado de perturbación del punto P:
Dado que t y r hacen referencia a instantes genéricos y distancias genéncas respecto del
foco O, la anterior ecuación describe el estado de perturbación del medio, medido por la
altura Y en cualquier punto y en cualquier instante, lo que constituye una buena
descripción matemática de una onda armónica.
El argumento de la función seno correspondiente puede expresarse también en la forma
dado que = 2/T y v = /T; lo cual permite escribir la ecuación de ondas en función de
sus parámetros o constantes características, tales como la amplitud A, el periodo T y la
longitud .
La ecuación de onda recibe también el nombre de función de onda y puede referirse a
una perturbación genérica que no consista precisamente en una altura, si se sustituye Y
por la letra griega que designa la magnitud de la perturbación. En tal caso, la función de
onda toma la forma
en donde puede representar la alteración, con el tiempo, de propiedades físicas tan
diversas como una densidad, una presión, un campo eléctrico o un campo magnético, por
ejemplo, y su propagación por el espacio.
APLICACIÓN DE LA ECUACIÓN DE UNA ONDA
La ecuación de una onda permite determinar el estado de perturbación en cualquier
instante y en cualquier punto del medio, por lo que define completamente a la onda
correspondiente. En el caso de una onda armónica viene dada por la expresión
siendo A (amplitud), T (periodo) y (longitud de onda) las constantes o parámetros que la
caracterizan y t y r las variables que indican el instante de tiempo considerado y la
distancia al foco del punto en el que se desea estudiar la perturbación. Si se conocen A, T
y es posible escribir la ecuación de y viceversa, si se conoce por comparación
pueden identificarse los valores de A, T y .
La ecuación de una onda transversal que se propaga a lo largo de una cuerda viene dada
por la expresión
= 0,1 · sen (2t - 4r)
Se trata de determinar a) la amplitud A de la onda, b) su periodo T, c) su longitud de onda,
d) la velocidad de avance de la perturbación, e) la magnitud de la perturbación en un
punto que dista 0,2 m del foco al cabo de 0,5 segundos de iniciarse el movimiento. (Todas
las cantidades están expresadas en unidades SI.)
Para resolver las cuestiones a, b, c basta con identificar la ecuación general con la que
corresponde al movimiento ondulatorio concreto que se pretende analizar. Por tanto:
a) Comparando el factor que multiplica en ambas a la función seno resulta
A = 0,1 m.
b) Comparando el argumento o ángulo de la función seno, también llamado fase de la
onda correspondiente, resulta:
En lo que respecta a los coeficientes respectivos de la variable t se tiene:
c) En lo que respecta a los coeficientes de la variable r :
d) La velocidad v es el cociente entre y T:
e) Sustituyendo los valores de t = 0,5 s y r = 0,2 m en la expresión de resulta:
= 0,1 · sen (2 · 0,5 - 4 · 0,2) = 0,02 m
Es decir, en ese punto y en ese instante la magnitud de la perturbación, medida por la
altura que alcanza la cuerda, es de 0,02 m, la quinta parte de la máxima altura o
elongación dada por la amplitud A = 0,1 m.
APLICACIÓN: LA INFLUENCIA DEL MEDIO EN LA VELOCIDAD DEL SONIDO
En los medios gaseosos como el aire el sonido se propaga más lentamente que en los
medios sólidos. Así, la velocidad del sonido es 15,4 veces mayor en el hierro que en el
aire. Se trata de calcular en cuánto se retrasaría la recepción del sonido del silbato de un
tren propagado por el aire respecto del ruido de sus ruedas propagado por los raíles para
un observador que se encuentre a dos kilómetros de la locomotora, considerando la
velocidad del sonido en el aire a la temperatura ambiente igual a 340 m/s.
Dado que el sonido en un medio homogéneo se propaga a velocidad constante, se
cumplirá la relación v = s/t y por tanto:
El tiempo de retraso entre ambas será su diferencia, es decir:
t = taire - thierro = 5,9 - 0,4 = 5,5 s
TRANSMISIÓN DE LA ENERGÍA EN UN MOVIMIENTO ONDULATORIO
La propagación de una onda lleva consigo un flujo o transporte de energía del foco emisor
al medio a lo largo de la dirección en la que la onda avanza. Si la perturbación que se
propaga consiste en un movimiento vibratorio armónico es posible determinar la magnitud
de dicho flujo de energía.
En un medio elástico el movimiento vibratorio de cada punto se conserva en el tiempo, no
hay disipación de la energía de vibración y, por tanto, la energía mecánica total, suma de
cinética y potencial, se mantiene constante. Dado que en un M.A.S. la energía total
coincide con la energía potencial máxima o con la cinética máxima, para cada partícula
del medio alcanzada por la perturbación se cumplirá:
siendo vmax = A y = 2f, es decir:
Si n es el número de partículas contenido en la unidad de volumen del medio alcanzado
por la perturbación, la energía de vibración acumulada en dicho volumen unidad será:
Ev = n · E = 22 mnf2 A2 = 22f2A2
donde representa la densidad del medio y coincide con el producto de m · n, es decir,
con la masa de las partículas contenidas en una unidad de volumen.
Dado que la intensidad I de un movimiento ondulatorio representa la energía que
atraviesa la superficie unidad en la unidad de tiempo, equivaldrá a la energía total de
vibración contenida en el cilindro obtenido cuando una superficie unidad avanza una
longitud igual a la que recorre la onda en un segundo. Dicho volumen, igual al producto de
la base por la altura, coincidirá con la velocidad v de la onda:
V = base x altura = 1 m2 x v · 1 s = v
y por tanto la intensidad vendrá dada por el producto de Ev por V:
I = Ev · V = 22vf2A2
Es decir, la intensidad de un movimiento ondulatorio, y por tanto la energía asociada a la
onda, es directamente proporcional al cuadrado de su amplitud A y al cuadrado de su
frecuencia f. Las ondas de alta frecuencia serán más energéticas que las de frecuencia
baja y lo mismo sucederá respecto de la amplitud.
DEFINICIÓN Y ELEMENTOS.La etapa de potencia es la encargada de suministrar la
potencia a los altavoces al ritmo de la señal de entrada. Los altavoces transforman la
potencia eléctrica en potencia acústica. Se habla de etapa de potencia, o amplificador de
potencia, en el ámbito del audio profesional, fuera de éste, se habla de amplificador.
Un amplificador doméstico y una etapa de potencia tienen como principal tarea la misma:
amplificar la señal, si bien tienen diferencias importantes. La señal eléctrica a la salida de
la etapa de potencia tiene igual forma de onda que a la entrada, pero varían las
magnitudes. En lugar de tensiones de decenas de milivoltios (mV), alimenta a los
altavoces con tensiones de decenas de voltios (V) y corrientes de varios amperios (A). La
señal de línea que entra al amplificador se mide en miliwatios, es decir, tiene una potencia
más de 1000 veces menor que la que tendrá a la salida. El producto del voltaje por la
intensidad de corriente, es la potencia (P) en vatios (W), I · V = P. Toda esta tensión y
corriente que se empleará en mover los altavoces, sale de la fuente de alimentación
interna que a su vez la toma de la red eléctrica general.
Señal a la entrada (izda.) y a la salida (dcha.) de una etapa de potencia
en relación a su amplitud en voltios.
La figura de arriba representa cómo la etapa aumenta la tensión (V) de la señal sin
perturbar la forma de onda, además suministra gran cantidad de corriente (I).
La principal característica que define a una etapa de potencia es la potencia que puede
entregar a la salida, que es mayor que la que puede entregar un amplificador doméstico.
Por contra, la calidad o fidelidad de sondo que da una etapa de potencia profesional, es
menor que la de un amplificador doméstico HI-FI (se amplía en Características).
Las etapas de potencia no tienen ciertos elementos típicos de los amplificadores como
son los previos, selector de previos o controles de tono. La típica etapa de potencia tendrá
una tecla de encendido, un par de controles de nivel por ser estéreo y algún dispositivo
que indique el estado de trabajo instantáneo: bien leds (lucecitas) o bien medidores de
aguja (uno por canal).
La estructura global de una etapa de potencia es la siguiente:
Por amplificador o etapa de potencia se entiende todo el conjunto exceptuando el altavoz
de la derecha.
Control de entrada: es el punto a donde llega la señal de entrada. Esta sección define la
impedancia de entrada del aparato y es donde se selecciona el nivel de amplificación
deseado. Aumenta un poco la tensión de la señal de entrada antes de pasarla al driver.
Los mandos que controlan la potencia de salida trabajan sobre esta etapa.
Driver o excitador: es la encargada de "excitar" la etapa de potencia. Para ello amplifica
mucho la señal que recibe del control de entrada para elevar mucho su voltaje antes de
pasarla a la etapa de potencia.
Etapa de potencia o de salida: por su importancia da nombre a todo el conjunto. Es la
encargada de dotar de potencia a la señal. La señal que recibe tiene mucho voltaje, pero
muy poca intensidad. Esta etapa es la que proporciona varios amperios de intensidad de
corriente eléctrica a la señal, sin embargo, apenas aumenta el voltaje que traía desde
driver. Maneja tensiones y corrientes muy elevadas y es la que más recursos energéticos
demanda de la fuente de alimentación, es decir la etapa que más consume. Esta es la
etapa que "ataca" al altavoz, donde se consume la energía eléctrica, transformándose en
movimiento que genera ondas acústicas y calor.
Fuente de alimentación: es un dispositivo que adapta la electricidad de la red eléctrica
general (la del enchufe), para que pueda ser usada por las distintas etapas. Como la de la
figura, estas fuentes de alimentación suelen ser simétricas. Tiene que ser suficientemente
grande para poder abastecer a la etapa de salida de toda la energía que necesita en el
caso de estar empleándose el aparato a plena potencia. Un punto débil de las etapas de
potencia suele ser la fuente de alimentación, que no puede abastecer correctamente a la
etapa de salida. Una etapa de potencia estéreo tiene que duplicar las tres etapas
(entrada, driver y salida) y puede usar una fuente de alimentación para todos. Los equipos
de calidad estéreo incorporan dos fuentes de alimentación, una por canal.
Protecciones: las etapas de potencia actuales incorporan diversas medidas de
protección contra avería, que son más o menos sofisticados en función de la calidad y
coste del equipo. Pueden ir desde el típico fusible a dispositivos activos de control de
potencia. Las protecciones que se pueden encontrar normalmente son:
Protección electrónica frente a cortocircuito y circuito abierto.
Protección térmica para transistores de salida y transformador.
Protección contra tensión continua.
Protección contra sobrecarga.
Protección contra transitorio de encendido.
Además suelen incorporar una luz de aviso de protección activada y otra de clipping,
que se enciende en los picos de señal cuando la etapa de potencia está empezando a
saturarse y corre peligro de avería o de que salte alguna protección que la deje fuera de
funcionamiento por un tiempo; normalmente hasta que se refrigera lo suficiente.
CARACTERÍSTICAS.
Potencia entregada a la carga (altavoz). Existen dos medidas de potencia definidas:
1.- Potencia Nominal, RMS, Eficaz o Continua: Se define como la potencia que el
amplificador es capaz de proporcionar a la carga nominal (normalmente 8 ohmios), con
ambos canales excitados simultáneamente en un margen de frecuencias de 20 Hz a 20
KHz y con una distorsión armónica THD menor que la determinada. La señal que se
utiliza para esta medida es un tono sinusoidal puro de 1.000 Hz. Esto significa que se
excitan ambos canales con 1 KHz, a la salida se conecta la carga correspondiente según
el fabricante y se sube la potencia hasta que la THD llega a la indicada por el fabricante;
entonces se ha alcanzado la Potencia Nominal.
Debido a que la señal musical que suele excitar los amplificadores tiene poco que ver con
la señal sinusoidal usada para medir la Potencia Nominal, se recurre a la Potencia
Musical.
2.- Potencia Musical o de Pico: es la máxima potencia que puede dar el amplificador
a intervalos cortos de tiempo. Una de las señales propuestas como señal utilizada es
una sinusoide de 1 KHz pero con picos de 20 ms donde el nivel pasa a ser diez veces
mayor. Al contrario que ocurre con la Potencia Nominal, no hay un procedimiento
estándar de medida con lo que los valores resultantes tienen que venir acompañados
del método de medida usado para tener validez. Por este motivo, a la hora de decidir
entre dos amplificadores, es mejor contar con la información de la potencia nominal.
En las especificaciones técnicas de una etapa o amplificador de potencia, se habla de
Potencia sin más. Ésta es potencia nominal o eficaz. Los sufijos (nominal, musical, RMS)
se usan más, curiosamente en amplificadores domésticos, a veces, para "estirar" la
potencia real del aparato y otras para complicar su comprensión.
Respuesta en frecuencia. El concepto está explicado en el apartado Equipos de audio >
Calidad de audio. Únicamente hay que decir que en general la respuesta en frecuencia
será peor que en amplificadores HI-FI domésticos. Además la respuesta en frecuencia de
las etapas de potencia es mejor cuando trabaja a baja potencia que cuando trabaja a
máxima potencia. Esto es debido a que en el segundo caso, tiene que manejar grandes
tensiones e intensidades.
Slew rate. Es una medida de la rapidez con la que la etapa puede variar la tensión a la
salida. Las unidades de esta medida son voltios partido unidad de tiempo (V/s), aunque
se suele expresar en V/µs (voltios / microsegundo). Esta medida nos dice exactamente
cuantos voltios puede aumentar la tensión de salida en un mircrosegundo (0,000001
segundos). Cuanto mayor sea el valor del Slew-rate del equipo, mejor será éste. El
problema que se da cuando el equipo tiene un slew rate insuficiente, es que no puede
seguir las variaciones grandes de señal, provocando el efecto de triangulación, es decir,
deformando la señal y generando distorsión. Este efecto de triangulación, se producirá
cuando el equipo trabaje a alta potencia, ya que es ahí donde se le exigen grandes
variaciones de la tensión de salida.
Representación de un caso de triangulación
En la figura se muestra en amarillo una forma de onda hipotética que tiene que presentar
el amplificador de potencia a la salida, y en rojo la forma de onda que muestra al estar
limitado el valor del slew rate y no poder seguir esa onda. El problema se hace más
palpable en las grandes excursiones de tensión (al principio de la forma de onda). El
amplificador eleva la tensión de salida lo más rápido que puede (20 V/µs), pero no es
suficiente para seguir la forma de onda, en el caso extremo, describe una forma de onda
triangular.
Sensibilidad de entrada. Es el valor en voltios de la tensión que hay que aplicar a la
entrada de la etapa de potencia, para obtener a la salida la potencia nominal, cuando el
aparato trabaja a la máxima potencia. La sensibilidad es una medida de calidad, cuanto
más sensible sea la etapa de potencia, mayor calidad tendrá. La sensibilidad de entrada
en una etapa de potencia, equivale a la agudeza auditiva de un oyente; si tiene poca
sensibilidad, es duro de oídos.
La sensibilidad se mide de la siguiente forma: con el control de nivel a máxima potencia,
se va aumentando el nivel de tensión de la señal sinusoidal de entrada de 1000 Hz, hasta
que a la carga (altavoz) se le esté entregando la potencia nominal. La potencia consumida
en la carga se puede calcular porque se conoce el valor de la misma (R ohmios) y se
mide la tensión en bornes (V voltios), así la potencia nominal en watios es: P = V2/R.
Impedancia de entrada. Es la resistencia eléctrica que "ve" el equipo anterior. Los
valores más normales se encuentran entre 10 y 50 KW. En audio, lo que se busca es
cumplir el principio de máxima transferencia de energía. Es decir, impedancias de salida
de los aparatos muy bajas (alrededor de 1 ohmio) e impedancias de entrada muy altas
(del orden de decenas de miles de ohmios).
Impedancia de salida. Es la resistencia que "ve" el equipo posterior a la etapa. Es útil
cuando se usan modelos eléctricos simplificados. Se trata de un valor sólo resistivo que
hace que parte de la potencia generada se consuma en la salida misma del amplificador.
El criterio de adaptación en tensión busca que la impedancia de salida del amplificador
sea la menor posible y la de la carga (altavoz) sea la mayor posible. De este modo la
mayor parte de la potencia se consumirá en el altavoz. La intensidad de corriente es la
misma para las dos cargas ya que están en serie, por tanto, la de mayor valor consumirá
más potencia.
Factor de Amortiguamiento (FA). El factor de amortiguamiento y el damping factor (DF)
son la misma cosa. Es la relación entre la impedancia de la carga y la impedancia de
salida del amplificador: DF=FA=Recarga/Rsalida_ampli.
Resistencia de carga
Factor de Amortiguamiento
=
Resistencia de salida del
amplificador
Fórmula teórica para el cálculo del Factor de Amortiguamiento.
Por impedancia de la carga se entiende exclusivamente la impedancia del altavoz. Se
suele tomar el valor nominal, que es sólo resistivo. Lo que hacen muchos fabricantes es
dar el Damping Factor para un valor concreto de Resistencia de carga. Por ejemplo,
FA=150 para Recarga = 8 ohms a 1kHz. Con lo cual se puede despejar que la impedancia
de salida a 1kHz es 8/150 = 0.053 ohms. Son distintas formas de presentar el mismo dato,
la impedancia de salida. FA=DA=150 significa que la carga consume 150 veces lo que
consume la salida de la etapa o que la salida consumirá aproximadamente 1/150 de la
potencia total.
La medida teórica que realiza el fabricante no incluye la resistencia que añade el cable. Lo
que es normal, ya que eso dependerá de la instalación final. Cuando entre la carga
(altavoz) y la salida de la etapa hay cable, la resistencia de este ha de añadirse a la
impedancia de salida de la etapa para obtener el nuevo valor de del Factor de
Amortiguamiento.
Resistencia de carga
Factor de Amortiguamiento
(real) =
Res. Salida amplificador + Res. del
cable
Fórmula real para el cálculo del Factor de Amortiguamiento en una instalación.
Un cable malo, tendrá un valor de resistencia alto, que se multiplicará por los metros de
cable, haciendo que disminuya el Factor de Amortiguamiento. Es decir, ahora a la carga le
llega menos potencia. Si el cable tiene una resistencia en total de 1ohm, ahora
FA=8/(0.053+1) que es casi lo mismo que 8/1, con lo que ahora FA=8; lo que significa que
de cada nueve partes de potencia, una se consume antes de llegar a la carga y ocho en la
carga. De 100W, sólo 88.8 se consumen en la carga.
El Factor de Amortiguamiento se relaciona con la capacidad del amplificador de controlar
al altavoz en bajas frecuencias, debido a las tensiones provenientes del bobinado del
altavoz en los grandes desplazamientos. Al igual que para mover un altavoz de graves
hace falta mucha tensión, la tensión producida por la fuerza contraelectromotriz que se
genera en la bobina al atravesar el campo magnético, también es alta. Por este motivo, el
Factor de Amortiguamiento afecta especialmente en bajas frecuencias.
Si el amplificador tiene a su salida un valor de damping bajo, las tensiones a su salida
provenientes del altavoz cancelarán las que él genera, con lo que no podrá controlar bien
el altavoz. Cuanto mayor sea el valor del Factor de Amortiguamiento, en mejores
condiciones (con menos cancelaciones) llega la señal que genera el amplificador al
altavoz. Resumiendo, el Factor de Amortiguamiento en cuanto a pérdidas de potencia se
refiere, afecta a todas las frecuencias. Respecto al control de los altavoces afecta
básicamente a las bajas frecuencias.
Rendimiento. Este dato informa de cuanta energía entrega a su salida (cable +
altavoces) la etapa de potencia, de toda la que consume. El rendimiento se calcula:
Fórmula empleada para el cálculo del rendimiento.
La parte de energía que no sale se consume en forma de calor. La mayor parte de este
calor se produce en la etapa de potencia, que es la que maneja grandes tensiones e
intensidades. Para que el exceso de calor no la dañe, se emplean disipadores de calor y
ventiladores para forzar el flujo de aire. Para instalaciones grandes del tipo de megafonía
o escenarios que dependen de grupos electrógenos autónomos, el rendimiento es un
factor importante en la elección del modelo de las etapas de potencia que se emplearán.
Otros. También se suelen dar otros valores que definen la calidad del equipo. Los más
típicos, de los que no se han nombrado arriba, son la Diafonía (crosstalk) y la Relación
señal-ruido. Las definiciones generales de estas características están dadas en el
apartado Equipos de Audio > Calidad de Audio.
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TIPOS DE ETAPA
Los amplificadores de potencia se clasifican en función del tipo de elemento modulador
que llevan en la etapa de potencia o de salida. Este elemento es el encargado de dejar
pasar la corriente eléctrica procedente de la fuente de alimentación, en función de la
tensión que recibe de la etapa anterior (driver). Es una especie de grifo que se abre y
cierra al ritmo de la señal de entrada, dejando pasar más o menos corriente a la carga.
A su vez, el dispositivo modulador, puede ser de varios tipos en función de su
configuración. Los dispositivos moduladores son el corazón del amplificador de potencia y
están basados en uno o varios transistores. Estos transistores pueden estar asociados de
distintos modos: normal (un único transistor), paralelo (se consigue mayor corriente
máxima de salida), serie (se consigue mayor tensión máxima de salida) y darlington (se
consigue mayor ganancia).
Etapa de potencia Crest Audio, modelo 8002
Independientemente de como esté configurado el dispositivo modulador, las etapas se
clasifican según el número y disposición de dispositivos moduladores. La clasificación es
la siguiente:
Clase A: un solo dispositivo modulador. Sólo produce distorsión por la alinealidad del
dispositivo. Esta clase es más teórica que práctica porque no se implementa en etapas
reales porque dan poca potencia y bajo rendimiento.
Clase B: dos dispositivos moduladores en modo push-pull, uno conduce los ciclos
positivos y otro los ciclos negativos. Produce la distorsión anterior más distorsión de
cruce, cuando se pasa de un ciclo positivo a uno negativo. Mejora la potencia pero
empeora el rendimiento. Esta clase tampoco se implementa.
Clase AB: es una clase B pero mejora la polarización de los moduladores para disminuir
la distorsión de cruce, a costa de aumentar el consumo energético. Consumen
aproximadamente el doble de lo que suministra.
Existen otros tipos de clases A, que se basan en mejoras de la red de polarización para
mejorar la distorsión de cruce.
Clase C: uno, dos o cuatro dispositivos moduladores, cada uno conduciendo en una parte
del ciclo. Si tiene n dispositivos moduladores, cada uno conduce 1/n de ciclo. Elevada
distorsión pero gran rendimiento. Se usa para señales de banda estrecha. Era típico en
radiofrecuencia, pero ahora usan del tipo AB.
Clase D: dos o cuatro dispositivos moduladores que amplifican señal PWM (señal
cuadrada). Después se filtra paso bajo la señal amplificada. Destacan por la mejora del
rendimiento y la nueva filosofía de trabajo. Su forma de trabajo consiste en modular el
ancho de los pulsos (ciclo de trabajo) de una onda cuadrada (portadora), con la señal de
entrada (hace de moduladora); a continuación se amplifica la señal modulada resultante y
finalmente se filtra paso bajo para volver a obtener una señal banda base. También se la
conoce como amplificación digital.
Diagrama de bloques de una etapa de potencia clase D. Modulador - Amplificador - Filtro
paso bajo
Clases E y G: son la misma clase pero se denominan distinto en Europa y en USA. Es
una clase AB pero con dos tensiones de alimentación y un dispositivo de interconexión
automático que usa una tensión de alimentación para señales bajas y otra para señales
altas. Con esto se mejora el rendimiento que tenía la clase AB, ya que con señales
débiles, se consume mucha menos potencia.
Clase H: son como las clases E y G pero incorporan más tensiones de alimentación para
mejorar aún más el rendimiento.
Etapas de potencia Altair, modelos Mos Fet de la clase H
En las especificaciones de una etapa de potencia se encuentra fácilmente la clase a la
que pertenecen. Sin embargo es menos común encontrar el dato de cómo se montan los
transistores, en paralelo, darlingnton... Otro dato que suele aparecer es el tipo de
transistor utilizado, sobretodo cuando se trata de transistores de efecto de campo o FET
(Field Effect Transistor), tanto J-Fet como Mos-Fet. Los transistores Fet destacan frente a
los Bipolares comunes por su reducido ruido y distorsión, además de otras
características que los hacen "mejores" para su uso en amplificadores de potencia.
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CONEXIÓN
En los amplificadores o etapas de potencia dedicados al audio se tiene que dar la
adaptación en tensión, que consiste en que la resistencia de salida sea mucho menor que
la resistencia de la carga. Teniendo en cuenta que la impedancia nominal de los altavoces
puede ser de 2W, 4W, 8W, o 16W (generalmente 8W), la resistencia de salida de la etapa
de potencia tiene que ser muy pequeña.
La relación entre resistencia de la carga o impedancia nominal del altavoz, e impedancia
de salida del aparato, se denomina Factor de amortiguamiento (F.A.) y se calcula: F.A. =
Rcarga / Rsalida. En audio profesional se busca que F.A. sea mayor de 100.
Conexión de una etapa de potencia estéreo.
La figura de arriba representa una etapa o amplificador de potencia estéreo. Cada
rectángulo representa un amplificador de potencia completo como el de la figura de la
estructura. Según la configuración del aparato pueden compartir o no la fuente de
alimentación.
En las etapas de potencia dedicadas a radiofrecuencia se tiene que dar la adaptación en
potencia, lo que significa que la impedancia de salida de la etapa, la impedancia de la
carga y la impedancia nominal del cable han de tener el mismo valor. Esto es debido a las
altas frecuencias que se manejan en radiofrecuencia (varios MHz), mientras que en audio,
se trabaja en banda base (hasta 25 KHz), que comparando con radiofrecuencia, equivale
a muy baja frecuencia. El caso extremo de desadaptación en potencia equivale a carga
desconectada (impedancia infinita), en este caso, se genera una onda estacionaria en el
interior del cable que provoca a la salida del amplificador una tensión dos veces la
original, con lo que la etapa de potencia corre serio peligro de avería. Aunque estas
precauciones sólo son necesarias para radiofrecuencia, es aconsejable no dejar una
etapa de potencia trabajando sin carga para evitar dañarla.
Modo Bridge o Puente. Este modo de trabajo permite a aquellas etapas estéreo que
están diseñadas para ello, trabajar con una sola carga. Lo que se hace es conmutar
internamente las salidas ( - ) de cada canal de salida mediante un interruptor del modo
bridge. El usuario tiene que conectar los bornes de la carga a las dos salidas activas ( + )
de cada canal. De este modo, si cada canal entregaba 200W, ahora se entregarán 400W
a una sola carga o altavoz.
Conexión de una etapa de potencia estéreo en modo puente.
Aunque la conexión es sencilla, hay que asegurarse que la etapa está diseñada para
soportar este tipo de trabajo antes de conmutar los negativos "a mano" y poner los
positivos a la carga, ya que se puede estar condenando el aparato. En este modo de
trabajo, un canal amplifica los semiciclos positivos y el otro los negativos.
Como se ha explicado antes las cargas pueden tener valores desde 2W a 16W, o superior
(la etapa puede sobrecargarse al reducir la carga, no al aumentarla). La potencia que
entrega la etapa de potencia es depende de la carga a la que esté conectada, como se ha
mencionado, P = V2/R. De este modo y en teoría, si se reduce la carga a la mitad,
aumenta la potencia entregada al doble. A continuación se muestra una tabla con los
valores teóricos para distintas cargas y los reales para el modelo MF-8 de Altair, que
proporciona 240W por canal con una carga de 8W.
Impedancia de la carga Potencia teórica Potencia real*
Estéreo 8W 240W 240W
Estéreo 4W 480W 400W
Estéreo 2W 960W 500W
Bridge 8W 960W 800W
Bridge 4W 1920W 1000W
En la tabla se aprecian diferencias considerables entre teoría y realidad. En el caso de
estéreo a 4W hay 80W de diferencia por canal, estos pueden ser debido la propia
construcción de la etapa. En el caso de estéreo a 2W la diferencia es de 460W, lo cual es
mucho. El motivo es principalmente uno: la fuente de alimentación no puede entregar
más potencia a la etapa de salida, en este caso se puede ver que el tope son 1000W,
500W por canal.
En el caso de trabajo en modo bridge, vuelve a suceder algo parecido, a 8W da un poco
menos de lo esperado. Pero cuando se baja la carga a la mitad (4)W, no da el doble, ya
que otra vez la fuente de alimentación limita la potencia máxima.
Como queda demostrado, la fuente de alimentación es la que limita la potencia máxima
que puede entregar una etapa o amplificador de potencia, de ahí la importancia de que
ésta esté bien calculada. Generalmente se ponen fuentes de alimentación capaces de
suministrar más de la potencia nominal a 8W , para poder abastecer la demanda de
energía cuando la carga cae a la mitad o a la cuarta parte. Por otro lado, si luego el
amplificador de potencia no se usa más que con 8W, se están desperdiciando recursos y
dinero. Por este motivo se llega a una solución de compromiso que da como resultado los
valores de potencia real suministrados en la tabla.
Cuando los dos canales comparten la fuente de alimentación, se tienen que repartir la
potencia que ésta entrega. Una picardía empleada a veces (sobretodo en amplificadores
domésticos) es medir la potencia que entrega un canal cuando el otro no está
amplificando, con lo que toda la potencia de la fuente de alimentación se dedica sólo al
canal medido. Si tenemos que las especificaciones dicen "potencia por canal = 100W",
puede que los dos no puedan entregar los 100W a la vez porque la fuente de alimentación
no llega a suministrar los 200W. En cualquier caso, en etapas de potencia profesionales
no se suelen dar estas estratagemas, ya que se indica el método de medida utilizado o
bien se trata de grandes casas en las que se puede confiar.
Sólo queda apuntar dos cosas más. Una es que los cables que conectan etapa de
potencia y carga (altavoces o filtros), han de estar dimensionados acorde con la
intensidad que circulará por ellos. Además, cuanta mayor calidad tenga el cable, menor
resistencia presentará y menor potencia se consumirá en el mismo. Los cables de
potencia no necesitan apantallamiento ya que el ruido que se puede introducir por
inducción es despreciable comparado con las altas tensiones (y corrientes) que circulan
por él.
Otro factor a tener en cuenta son las conexiones. Se suelen usar conexiones seguras que
protejan a la persona de descargas y al aparato de cortocircuitos. Por este último motivo
no se usan conectores tipo Jack, ya que al sacarlos o introducirlos, hay un momento en
que se conectan los polos positivo y negativo; si en ese momento el amplificador de
potencia está encendido y trabajando, se puede quemar la etapa de salida. Los
conectores más usados son XLR o SPEAKON.
Conector XLR machoConnector SPEAKON macho
ANALOGÍA ELÉCTRICA MECÁNICA ACÚSTICA
INTRODUCCIÓN
El concepto de sistemas análogos es muy práctico para tratar o analizar determinados
tipos de sistemas. Así, en vez de construir un sistema mecánico, se puede realizar el
sistema análogo eléctrico o electrónico, que generalmente es más sencillo de manipular
contando además con una amplia gama de herramientas de simulación disponibles. De
hecho, los computadores electrónicos analógicos son ampliamente utilizados para simular
el comportamiento de cualquier sistema físico, ya que el principio de analogía es aplicable
a cualquier tipo de sistemas siempre que sus ecuaciones diferenciales o funciones de
transferencia sean idénticas. De esta forma, también es posible por ejemplo obtener el
circuito mecánico análogo de un sistema acústico dado, y analizarlo mediante el programa
a través de una nueva analogía a sistema eléctrico.
COMPRENDIENDO LAS ANALOGÍAS ELECTROMECÁNICAS
Para comprender las analogías vamos a ver un caso sencillo de un circuito mecánico con
un grado de libertad. No importa en ningún caso la complejidad de los sistemas, solo
importa que las ecuaciones que rigen su comportamiento sean iguales.
En este sistema M es la masa, R el coeficiente de rozamiento o amortiguamiento, K la
constante de elasticidad del muelle, x el desplazamiento lineal y F la fuerza aplicada. La
ecuación diferencial que define su comportamiento es:
(Expresión A)
Esta correspondencia es conocida como analogía de impedancia, o Fuerza-Tensión,
y se representa en la siguiente tabla:
Sistema Mecánico Sistema Eléctrico
Fuerza (F) Tensión (v)
Desplazamiento (x) Carga (q)
Velocidad (dx/dt) Corriente (i)
Cte. elasticidad (K) Capacidad (1/C)
Rozamiento (R) Resistencia (R)
Masa (M) Inductancia (L)
Existe otro tipo de analogía, también muy útil, entre sistemas mecánicos y eléctricos que
es la analogía de movilidad o admitancia y que es simplemente la dual de la
anterior. De hecho, es este tipo de analogía la que se suele emplear (y la que se ha
empleado en el análisis que realiza este programa) por la facilidad con que se halla el
circuito eléctrico a partir de su mecánico análogo, y porque el circuito eléctrico es
fácilmente analizable eléctricamente usando análisis nodal.
La correspondencia mecánico-eléctrico de la analogía de movilidad se muestra en la
siguiente tabla:
Sistema Mecánico Sistema Eléctrico
Fuerza (F) Corriente (i)
Desplazamiento (x) Carga (q*Z)
Velocidad (dx/dt) Tensión (v)
Cte. elasticidad (K) Inductancia (1/L)
Rozamiento (R) Resistencia (1/R)
Masa (M) Capacidad (C)
LA IMPEDANCIA MECÁNICA
En el punto anterior hemos visto las analogías entre elementos mecánicos y eléctricos,
manejando sus componentes. Vamos ahora a entrar más en detalle sobre cada uno de
los componentes mecánicos en concreto y sus análogos eléctricos.
La impedancia mecánica Zm se define como la relación compleja entre la fuerza eficaz
que actúa sobre un área de un dispositivo mecánico (o un medio acústico) y la velocidad
eficaz compleja lineal resultante a través de tal área. Sus unidades son los Ohmios
mecánicos (N*seg)/m.
La inversa de la impedancia compleja mecánica recibe el nombre de movilidad mecánica,
y se representa por Zm . Su unidad es el Mho mecánico.
En los circuitos mecánicos vamos a manejar tres componentes básicos:
Resistencia mecánica Rm
Masa mecánica Mm
Compliancia mecánica Cm
estando los tres están relacionados con la impedancia mecánica, como se verá.
COMPONENTES DE LA IMPEDANCIA MECÁNICA
En los circuitos mecánicos vamos a manejar tres componentes básicos, relacionados con
la impedancia mecánica:
Resistencia mecánica Rm
Masa mecánica Mm
Compliancia mecánica Cm
CANTIDADES GENÉRICAS EN LOS CIRCUITOS
Aparte de los elementos ya vistos que forman un sistema mecánico existen tres
cantidades genéricas en cualquier circuito:
Magnitud del elemento del circuito.
Flujo a través de un elemento.
Caída en un elemento.
Debe tenerse en cuenta que la caída en el elemento, no tiene por qué ser una tensión
eléctrica, ni el flujo una corriente eléctrica. En ocasiones, la caída puede representar una
fuerza, una velocidad, una presión, o una velocidad volumétrica. Lo mismo puede decirse
para el flujo que pasa por el elemento. De modo similar, la magnitud no tiene por qué ser
eléctrica (capacidad, resistencia, etc) sino que puede ser cualquier cantidad, como la
masa, la compliancia, etc. El significado físico de los elementos del circuito (la magnitud
que los define) depende de la manera en que se elija interpretar el flujo y la caída, con la
restricción de que el producto de caída*flujo tiene en todos los casos dimensiones de
potencia.
Además de los componentes mecánicos ya comentados, se introducen en los circuitos
fuerzas que excitan los diferentes elementos. Como hemos visto, según el tipo de
analogía se cumple la siguiente correspondencia:
Analogía tipo Analogía tipo
impedancia admitancia
Fuerza <--->
Tensión
Fuerza <--->
Corriente
MÉTODO PRÁCTICO DE CAMBIO DE ANALOGÍA (MOVILIDAD A IMPEDANCIA)
Como hemos visto, lo normal (ANALOGIA.EXE también lo hace así) es crear el análogo
de movilidad de el circuito mecánico. Si queremos obtener el análogo de impedancia,
podemos obtenerlo a partir de el circuito eléctrico de movilidad a través de la propiedad de
dualidad.
En la práctica, existe un método gráfico que permite de forma simple obtener el circuito de
movilidad a partir del de impedancia. Es el llamado "método del punto".
Sea el siguiente circuito mecánico de movilidad generado a partir de un sistema mecánico
determinado:
El procedimiento es el siguiente:
1. Marcamos un punto en el centro de cada malla del circuito y otro fuera (malla
dato), numerando sucesivamente todos los puntos.
1. Unimos todos los puntos mediante líneas, de modo que pase una línea a través de
cada elemento y que ninguna línea pase a través de más de un elemento.
1. Dibujamos un nuevo circuito de modo tal que cada línea que une dos puntos
contenga ahora un elemento inverso del que la línea corta en el circuito original (se
cambian bobinas por condensadores y a la inversa, generadores de corriente por
generadores de tensión, y resistencias por resistencias).
De esta forma se obtiene el circuito dual, esto es, hemos conseguido obtener el análogo
de impedancia (y de igual forma se haría para obtener el de movilidad a partir del de
impedancia).
Por tanto las fuerzas aplicadas al circuito se modelan en el análogo eléctrico como
generadores eléctricos independientes de corriente o de tensión.
II)FILTROS.
FILTROS Y ECUALIZADORES
Los filtros fijos son aquellos que sólo permiten al usuario acutar para conectarlos o
desconectarlos. Asociados a los reproductores de vinilo existían muchos tipos de filtros
que han caído en desuso.
Tenemos varios ejemplos de estos filtros. El filtro MPX es un filtro paso bajo que evita la
introducción de la subportadora piloto de FM en las grabaciones de esta fuente. La
frecuencia de corte suele estar en 18KHz y la atenuación mínima es de 18dB. Otro tipo de
filtro fijo del que a veces se dispone es un filtro paso alto que introduce una atenuación de
más de 18dB a la frecuencia de red (50Hz) para que no se escuche el típico zumbido que
se produce cuando la fuente de alimentación no aísla bien esta frecuencia.
El control de Loudness tiene como misión producir una igualación de los niveles de
sonoridad a pesar de que el nivel general baje. El oído es menos sensible en bajas
frecuencias cuanto más baja en nivel (explicado en Audición y frecuencia). Lo que se
consigue al activar este control, es un refuerzo de la señal principalmente en baja
frecuencia, y a veces también en alta frecuencia.
Los filtros variables o controles de tonalidad más usados en el campo doméstico son los
controles de graves, de medios y de agudos. Estos controles son capaces de variar la
ganancia a gusto del usuario tanto para realzar como para atenuar. Las frecuencias a las
que actúan son fijas. Los controles de graves suelen actuar para frecuencias por debajo
de 400-600 Hz, los de agudos suelen actuar por encima de los 2-4 KHz. Los controles de
medios suelen actuar en las frecuencias entre 400 Hz y 2 KHz. La variación de ganancia
suele ser de ±6 dB.
Los ecualizadores gráficos están explicados en el apartado Procesadores de frecuencia.
Cualquier combinación de elementos pasivos (R, L y C) diseñados para dejar pasar una
serie de frecuencias se denominan un filtro. En los sistemas de comunicaciones se
emplean filtros para dejar pasar solo las frecuencias que contengan la información
deseada y eliminar las restantes.
Los filtros 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.
Los filtros activos son aquellos que emplean dispositivos activos, por ejemplo los
transistores o los amplificadores operacionales, junto con elementos R L C.
En general se tienen los filtros de los siguientes tipos:
TIPOS DE FILTRO
Filtro paso bajo
Filtro paso alto
Filtro paso banda
Es necesario saber qué es físicamente el sonido para entender los
procesos acústicos.
FILTRO PASO BAJO
Es un dispositivo electrónico que sólo deja pasar las componentes de baja frecuencia.
Sus parámetros son la frecuencia de corte y la pendiente de atenuación. La frecuencia de
corte es aquella en que la atenuación es de 3 dB. La pendiente de atenuación se mide en
decibelios atenuados en un tramo de frecuencia: dB/octava o dB/década. Una octava es,
por ejemplo, el tramo entre 400 Hz y 800 Hz. Una década es el tramo de frecuencia entre
400 Hz y 4KHz.
Filtro paso bajo ideal
Filtro paso bajo real. Pendiente -12 dB/oct.
FILTRO PASO ALTO
Es un dispositivo electrónico que sólo deja pasar las componentes de alta frecuencia. Sus
parámetros son la frecuencia de corte y la pendiente de subida. Cuanto mayor sea la
pendiente, más se aproxima el filtro real al filtro ideal.
Filtro paso alto ideal
Filtro paso alto real. Pendiente +12 dB/Oct.
FILTRO PASO BANDA
Es un dispositivo electrónico que sólo deja pasar las componentes de media frecuencia.
Sus parámetros son la frecuencia central, el ancho de banda, la pendiente de subida y
bajada. El ancho de banda se puede referir en octavas (1/3 de octava, 1/2 de octava...) o
en función del Q del filtro. Un ancho de banda de una octava equivale a un Q = 1.41; de
1/2 equivale a un Q = 2.87; 1/3 de octava es un Q = 4.42. Como se puede ver el Q no
tiene unidades y cuanto más alto sea su valor más selectivo es el filtro. Los filtros paso
banda suelen ser simétricos, con lo que tienen igual pendiente de subida que de caída.
Filtro paso banda ideal
Filtro paso banda real. Pendiente 12 dB/Oct.
Ancho de banda de 1/2 Oct.
A veces se habla de filtro banda eliminada. Este es una combinación de un paso bajo y un
paso alto. La representación sería la siguiente:
Filtro banda eliminada ideal
Pasa altas
Pasa bajas
Pasa bandas
Para cada uno de estos filtros existen dos zonas principales las cuales son llamadas
Banda de paso y la banda de atenuación.
En la banda de paso, es donde las frecuencias pasan con un máximo de su valor, o hasta
un valor de 70.71% con respecto a su original (la cual es la atenuación de –3 dB)
FILTRO PASA BAJAS:
Es el primer filtro que se tiene, su funcionamiento es a base de un capacitor y resistencia.
Su funcionamiento es el siguiente:
El capacitor se comporta como una resistencia dependiente de la frecuencia por la
relación de :
Es decir, para frecuencias muy bajas el capacitor (por la regla de división de voltaje) al ser
una resistencia muy alta, consume todo el voltaje, si s e 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.
Este tipo de filtro tiene una grafica de respuesta en frecuencia:
En cualquier frecuencia se puede determinar la salida de por medio de la regla divisora de
voltaje:
O para expresarlo en magnitud y en fase:
Separando en magnitud y fase
Entonces la magnitud queda expresada como:
A un ángulo de fase :
La frecuencia de corte se define como el punto de Vo=.7071Vi
Sustituyendo obtenemos que:
FILTRO PASA-ALTAS
Este es el segundo de los filtros pasivo, 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 frecuencia bajas pasen las frecuencias altas.
Como ya se menciono el circuito físicamente es igual que el anterior, solamente la salida
se toma de la resistencia.
Explicación, cuando 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.
Grafica de salida:
Estos dos filtros tienen un valor llamado frecuencia de corte, la cual es el valor de la
frecuencia a partir del cual se considera que ya esta filtrando las señales.
Esta frecuencia esta determinada como la frecuencia en la que el valor de la salida con
respecto a la entrada tiene una atenuación de -3dB. (o la salida es .717 del valor de la
entrada).
Dependiendo de los valores elegidos de resistencia y capacitancia será el valor de la
frecuencia de corte.
Pero, para una resistencia fija, el valor de la frecuencia de corte depende del valor de el
capacitor.
Siguiendo un procedimiento similar al anterior obtenemos que para el filtro pasa altas:
FILTRO PASA BANDAS:
Este es un filtro que se compone de un filtro pasa bajas y uno pasa altas conectados en
cascada.
Los componentes se deben de seleccionar para que la frecuencia de corte del filtro pasa
altas sea menor que la del filtro pasa bajas.
Las frecuencias de corte se pueden calcular con las formulas anteriores.
La característica mas importante de este circuito es el ancho de banda que permitiremos
pasar, el ancho de banda es igual a la resta de las frecuencias de corte.
FILTROS ACÚSTICOS.
El espectro acústico puede ser dividido en tres bandas (muy aproximadamente)
— graves (hasta 400 [Hz])
— medios (desde 400 hasta 4000 [Hz])
— agudos (desde 4000 [Hz] en más)
y en general la tecnología de los reproductores electroacústicos determinan un costo
accesible con un rango espectral limitado, y que se diseñan cumpliendo estas bandas.
Sus nombres respectivos son
— woofer (graves)
— squawker (medios)
— tweeter (agudos)
Consideraremos en nuestros estudios a estos parlantes siempre con una impedancia que
es resistiva pura, acercándose bastante esta aproximación en la práctica.
Primeramente presentamos un diseño sin control de medios (squawker)
Tw = vw / v L = Rw / ( Rw + X ) = 0 / ( s + 0 ) ; 0 = Rw / L ; Tw(0) ~ 0,707
TT = vT / v L = RT / ( RT + X ) = s / ( s + 0 ) ; 0 = 1 / RTC ; TT(0) ~ 0,707
PTOTAL = TT(0)2TW(0)2 = 1
y ahora con un reproductor de medios
Tw = 0 / ( s + 01 ) ; 01 = Rw / Lw ; TW(01) ~ 0,707
TT = s / ( s + 02 ) ; 02 = 1 / RTCT ; TT(02) ~ 0,707
TS = s / ( s2+s n + n2 ) = s / ( s+01 ) ( s+02 )
donde
= RS / LS
n = ( LS CS )-1/2
= / n
01 = ( / 2 ) . { [ 1 - [ ( 4 LS / RS2CS) ]1/2 }
02 = ( / 2 ) . { [ 1 + [ ( 4 LS / RS2CS) ]1/2 }
que para el diseño deberá evitarse polos conjugados y con ello sintonías indeseables
RS2CS > 4 LS
DISEÑO
Sean los datos para un diseño de dos filtros
f0 = ... PLmax = ... Rw = ... RT = ...
Calculamos por las ecuaciones vistas
C = 1 / RT0 = ...
L = Rw / 0 = ...
Hallamos la máxima corriente eficaz por el woofer
Iefwmax = ( PLmax / Rw )1/2 = ...
lo que determinará un diámetro mínimo del inductor. Si adoptamos una densidad de
corriente por el mismo de 3 [A/mm2]
Ø = ... 0,00065 Iefwmax1/2 = ...
pudiéndose fabricar la bobina según lo explicado en el capítulo de inductores.
III) MICRÓFONOS:
parte I
Principales diseños de micrófonos
Existen seis diseños comunes de micrófonos:
De mano - tipo de micrófono que usa en la mano el
talento o en entrevistas en locación
Lavaliere - Solía colgar de un cordel alrededor del cuello. Una variación más
actualizada es el micrófono personal (de corbata o solapa) o de clip
Cañón (shotgun) - usado en producciones en locación para captar sonidos a
distancia de la cámara
Micrófono piezoeléctrico - llamado PZ o PZM, este tipo de micrófonos ofrecen una
óptima captación de sonidos transmitidos a través de superficies duras, como por
ejemplo una mesa
Micrófonos de contacto - captan el sonido en contacto directo con la fuente sonora.
Este tipo de micrófonos se encuentran generalmente montados en instrumentos
musicales.
Micrófonos de estudio - es la categoría mas grande de micrófonos e incluye varios
diseños según su aplicación
Estas seis categorías poseen diferentes tipos de transductores o elementos encargados
de convertir las ondas sonoras en energía eléctrica.
En este módulo discutiremos los tipos más populares y sus características comenzando
con los...
MICRÓFONOS DINÁMICOS.
Los micrófonos dinámicos (también llamados de bobina móvil) son considerados como los
micrófonos profesionales mas resistentes. Este tipo de
micrófono es una buena elección para la labor periodística
(ENG) donde comúnmente se encuentra una variedad de
condiciones difíciles (como el incendio aquí ilustrado).
En un micrófono dinámico las ondas sonoras golpean un
diafragma soportado en una bobina de cable fino. La bobina
se encuentra suspendida en un campo magnético
permanente.
Cuando las ondas sonoras golpean el diafragma este hace vibrar la bobina en el campo
magnético. El resultado es una pequeña corriente eléctrica generada por la fricción, esta
corriente tendrá que ser después amplificada miles de veces.
Una de sus mayores ventajas es que no requieren de una fuente externa de energía para
operar y son particularmente resistentes al abuso físico. Sin embargo su fidelidad no
siempre es la mejor. Cuando se requiere de menor tamaño, excelente sensibilidad y la
mejor calidad de respuesta, otro tipo de micrófono es preferido: el micrófono de
condensador.
MICRÓFONOS DE CONDENSADOR / CAPACITOR.
Los micrófonos de condensador (también llamados
capacitores o micrófonos de condensador eléctrico) poseen
una incomparable calidad de respuesta. Además pueden ser
tan pequeños que son fáciles de esconder. Sin embargo, la
mayoría de los micrófonos de condensador no son tan
resistentes como los dinámicos y el trabajo en condiciones
climáticas adversas puede resultar un problema.
Los micrófonos de condensador funcionan bajo el principio
de un condensador eléctrico o capacitor. Un diafragma de
metal ultra delgado es fuertemente estirado sobre una pieza
plana de metal o cerámica. En la mayoría de los micrófonos
de condensador una fuente de poder provee una carga eléctrica entre ambos elementos.
Las ondas sonoras que golpean el diafragma causan fluctuaciones en la carga eléctrica
que deben ser posteriormente amplificada en el preamplificador (pre-amp). Dicho
preamplificador puede estar integrado al cuerpo del micrófono o estar ubicado en un
dispositivo separado.
Debido a que estos micrófonos requieren de un preamplificador ello implica que, a
diferencia de sus contrapartes dinámicas, la mayoría de los micrófonos de condensador
requieren de una fuente de poder, ya sea de corriente o baterías.
Para proveer de corriente AC a un micrófono de condensador usualmente la fuente está
integrada en la mezcladora de audio. A esto se le conoce como fuente fantasma (phantom
power). Cuando su utiliza este tipo de alimentación el cable del micrófono sirve a dos
propósitos: entrega la señal captada por el micrófono a la consola y lleva la energía de la
consola al preamplificador del micrófono.
El uso de baterías como alimentación del preamplificador es
mas conveniente (no se tiene que utilizar un mezclador
especial u otro dispositivo de alimentación de
corriente), pero también representa un problema: al final de
su ciclo de vida las baterías se "mueren" sin previo aviso.
Para evitar esta situación en plena producción, especialmente en vivo, suele colocarse
dos micrófonos miniatura de condensador juntos al talento. Si alguno de los micrófonos
falla, el otro puede ser inmediatamente activado. Esta técnica del micrófono doble es
conocida como cobertura dual (dual redundancy).
Existe otro tipo de micrófonos en uso como el micrófono de cinta (ribbon), que es mucho
más sensible, pero aún así los de tipo dinámico y de condensador son los mas usados en
la producción de televisión.
MICRÓFONOS PIEZOELÉCTRICOS.
Los Pz (a veces abreviados como PZM) son micrófonos de presión que se utilizan
limitadamente para ciertos efectos. Este micrófono depende enteramente de la reflexión
del sonido. En situaciones especiales (como cuando está ubicado en la superficie de una
mesa) un PZ tiene una respuesta superior a cualquier otro tipo de micrófono.
MICRÓFONOS DE CONTACTO.
Como el nombre lo sugiere, los micrófonos de contacto captan el sonido estando en
contacto físico con la fuente. Estos micrófonos son generalmente montados en
instrumentos musicales, como en la caja de resonancia de un piano, la superficie de un
bajo acústico o cerca del puente de un violín.
Los micrófonos de contacto poseen la ventaja de eliminar cualquier sonido externo que
interfiera y de no sufrir interferencia de las reflexiones del sonido al chocar con objetos
cercanos. Su cara plana los distingue en apariencia de los micrófonos personales
pequeños.
CARACTERÍSTICAS DIRECCIONALES
En un módulo anterior, hablamos sobre el
ángulo visual de los lentes--el área en que
el lente es capaz de "ver". Los micrófonos
poseen un atributo similar: su característica
direccional, o el ángulo de captación.
Existen tres categorías direccionales
básicas:
Omnidireccional
Bi-direccional
Unidireccional
MICRÓFONO OMNIDIRECCIONAL.
Los micrófonos omnidireccionales (también llamados no-direccionales) son igualmente
sensibles a los sonidos que provienen de cualquier dirección.
Aunque este atributo posee ventajas en la radio donde varias personas pueden estar
alrededor del micrófono, en la producción de video casi siempre es mejor utilizar alguna
forma de micrófono direccional.
Ello permite eliminar sonidos no deseados (ruido detrás de cámaras, ambiente en
locación, ruido, etc.) mientras captamos el sonido proveniente del talento.
MICRÓFONO BI-DIRECCIONAL.
En un patrón sensitivo bi-direccional (patrón polar) el micrófono es receptivo a los sonidos
que provienen de dos direcciones.
Aunque son frecuentemente utilizados en entrevistas radiofónicas (para personas
sentadas una frente a otra en una mesa) y con la ventaja del estéreo, el micrófono bi-
direccional (también llamado figura ocho) tiene un uso muy limitado en televisión.
Hablaremos de estéreo y la necesidad de este tipo de patrón direccional en un módulo
posterior.
MICRÓFONO UNIDIRECCIONAL.
El término unidireccional se refiere simplemente a la clasificación general de micrófonos
que son sensibles a los sonidos que provienen primordialmente de una sola dirección.
Exciten cuatro subdivisiones en esta categoría:
Cardioide.
Supercardioide.
Hipercardioide.
Parabólico.
Aunque estos términos pueden sonar como sacados de un libro de medicina se refieren
simplemente a que tan estrecho es el patrón de captación (ángulo de audición)
.
Cardioide
E l cardioide es denominado así por su
patrón de sensibilidad que se asemeja
un poco a la forma de un corazón.
Los cardioides son sensibles a los
estímulos sonoros en un rango amplio
al frente del micrófono, pero
relativamente insensibles a los
sonidos detrás del mismo.
Aunque este patrón puede ser muy útil para sonorizar un coro en un estudio, la amplitud
de la zona de sensibilidad del cardioide es sigue siendo demasiada para muchas las
aplicaciones en TV. por ejemplo, cuando se encuentra colocado a 2 o más metros del
locutor puede registrar sonidos incidentales no deseados, incluyendo la reverberación de
las paredes. Sin embargo este tipo de micrófonos son útiles en micrófonos de mano y
cuando los micrófonos pueden estar cerca del talento (cantantes, presentadores, etc.)
SUPERCARDIOIDE.
El supercardioide es mas direccional que el patrón sensitivo del cardioide. Cuando este
tipo de micrófono es apuntado hacia una fuente sonora la interferencia de los sonidos
fuera del foco de percepción es eliminada.
Este patrón polar es muy similar al de nuestros oídos, cuando giramos la cabeza hacia un
sonido tratamos de escuchar ignorando la interferencia de otros sonidos que
consideramos sin importancia.
Los micrófonos de cañón son un tipo de supercardioide ampliamente usado en las
producciones en locación (sobre todo en deportes) . Debido a su gran direccionalidad
proveen una buena captación usados a una distancia entre 2 y 5 metros del talento.
Hipercardioide y Ultradireccional
Los micrófonos conocidos como hipercardioide y
ultradireccional poseen un patrón de
respuesta aún mas direccional.
Aunque su estrecho ángulo de respuesta
significa que los sonidos fuera del rango serán
eficientemente eliminados, esto también
significa que deben ser precisamente apuntados a la fuente sonora. Frecuentemente se
tienen que realizar ajustes si el talento se mueve. Algunos micrófonos de escopeta de alta
direccionalidad se encuentran incluidos en esta categoría.
MICRÓFONOS PARABÓLICOS.
Los micrófonos parabólicos presentan la mayor direccionalidad. Esta categoría se refiere
mas a como el micrófono es usado que a un tipo específico de micrófono. El reflector
parabólico es el que crea el patrón polar en este sistema y no el micrófono por sí mismo.
De hecho el micrófono utilizado en el foco de la parábola puede ser cualquier tipo de
micrófono unidireccional básico.
El reflector parabólico puede ser de 1 a 3 píes de diámetro. Debido a la forma parabólica
del reflector todos los sonidos registrados en un ángulo muy estrecho de captación serán
dirigidos hacia el micrófono.
Los micrófonos parabólicos pueden captar sonidos a distancias de 300 o más pies. Este
tipo de micrófonos no son una elección práctica para el trabajo de producción en general
pero frecuentemente son usados en las
coberturas deportivas.
Cuando se utilizan micrófonos parabólicos
o cualquier otro micrófono direccional, el
operador monitorear la grabación con un
buen par de audífonos, sobre todo si el
sujeto está en movimiento. Un pequeño
error en la dirección de un micrófono
altamente direccional puede causar una
gran diferencia en la calidad del audio.
EL SONÓMETRO.
El Sonómetro es un instrumento diseñado para responder al sonido en aproximadamente
la misma manera que lo hace el oído humano y dar mediciones objetivas y reproducibles
del nivel de presión sonora. Existen muchos sistemas de medición sonora disponibles.
Aunque son diferentes en el detalle, cada sistema consiste de un micrófono, una sección
de procesamiento y una unidad de lectura.
El micrófono convierte la señal sonora a una señal eléctrica equivalente. El tipo más
adecuado de micrófono para sonómetro es el micrófono de condensador, el cual combina
precisión con estabilidad. La señal eléctrica producida por el micrófono es muy pequeña y
debe ser amplificada por un preamplificador antes de ser procesada.
Varios procesamientos diferentes pueden aplicarse sobre la señal. La señal puede pasar
a través de una red de ponderación. Es relativamente construir un circuito electrónico
cuya sensibilidad varíe con la frecuencia de la misma manera que el oído humano, y así
simular las curvas de igual sonoridad: Esto ha resultado en tres diferentes características
estandarizadas internacionalmente, las ponderaciones "A", "B" y "C". Además de una o
más de éstas redes de ponderación, los sonómetros usualmente tienen también una red
"LINEAL". Esto no pondera la señal, sino que deja pasar la señal sin modificarla.
Cuando se requiere más información, el rango de frecuencia de 20 Hz a 20 kHz puede ser
dividido en secciones o bandas. Estas bandas tienen usualmente un ancho de banda de
una octava o un tercio de octava (una octava es una banda de frecuencia donde la más
alta frecuencia es dos veces la más baja frecuencia).
Después que la señal ha sido ponderada y/o dividida en bandas de frecuencia, la señal
resultante es amplificada, y se determina el valor Root Mean Square (RMS) con un
detector RMS. El RMS es un valor promedio matemático especial y es de importancia en
las mediciones de sonido porque está relacionado directamente con la cantidad de
energía del sonido que está siendo medido. La última etapa del sonómetro es la unidad
de lectura que muestra el nivel sonoro en decibeles (dB), u otros como el dBA, que
significa que el nivel sonoro medido ha sido ponderado con el filtro A. La señal también
puede estar disponible en salidas AC o DC, para la conexión de instrumentos externos
para un posterior procesamiento.
Existen diversos tipos de sonómetros que se diferencian principalmente del grado de
precisión que deben cumplir en relación a los valores que son capaces de medir. Ellos
son los sonómetros tipo 0, 1, 2 y 3. El sonómetro Tipo 0 se utiliza generalmente en
laboratorios especializados y sirve como dispositivo estándar de referencia. El Tipo 1, se
utiliza tanto en laboratorio como en terreno cuando el ambiente acústico debe ser
especificado y/o medido con precisión. El Tipo 2, es adecuado para mediciones generales
en terreno y el tipo 3 se utiliza para realizar mediciones de reconocimiento.
IV) BOCINAS, CAJAS ACUSTICAS Y ALTOPARLANTES.
Características principales.
Impedancia.
Es la resistencia que opone un altavoz al paso de corriente. Se mide en ohmnios y sobre
una frecuencia de 1 Kilohercio. Es una característica que varía con el tiempo de
utilización, así un altavoz que tenga 4 ohmnios es normal que, después de un rato de
uso, la impedancia real llegue a ser de 3 o 2 ohmnios en el mejor de los casos.
Lo más habitual en alta fidelidad, es encontrar cajas que tengan entre 4 y 8 ohmnios y no
es un dato que indique la calidad de la caja acústica. Hay que desconfiar de cajas que
indiquen una impedancia fuera de este rango porque, aunque tuviesen una calidad
contrastada, no serían fáciles de combinar con la mayoría de amplificadores.
La impedancia de las cajas debe de coincidir con la impedancia del amplificador, puesto
que si combinamos unas cajas y un amplificador con distinta impedancia con el tiempo se
estropearán las etapas de salida de dicho amplificador. Además si conectamos un
amplificador que sólo trabaje a 8 ohmnios con unas cajas de 4 ohmnios, aumentaremos la
potencia de salida pero también la distorsión. En cambio si conectamos un amplificador
que trabaje a 4 ohmnios con unas cajas de 8 ohmnios la caja sonará con menos volumen
y estaremos desaprovechando la potencia que nos da el amplificador.
De todos los elementos de la cadena electroacústica, el que presenta una mayor variedad
de diseño, diversidad de criterios para su evaluación y mayor fanatismo entre los adeptos
a ciertas marcas o modelos es el sistema de Altavoces, esto se debe a que su función es
extremadamente compleja de cumplir.
En primer lugar, debe ser capaz de reproducir la totalidad del registro auditivo, esto es, de
20 Hz a 20 KHz, lo cual se traduce en una gama de longitudes de onda que van desde 17
metros hasta 1.7 centímetros. Adicionalmente debe integrarse convenientemente con el
ambiente acústico donde se encuentre, y esto puede ser desde un pequeño cuarto de 3 x
3 metros hasta una sala de conciertos.
Deberá reproducir todo tipo de música: sinfónica, barroca, rock, jazz, así como también
los efectos sonoros no musicales de las películas, lo cual se traduce en niveles de presión
sonora hasta de 120 dB.
No existe, hasta los momentos, ningún sistema de altoparlantes con la capacidad de
reproducir con fidelidad todas las condiciones indicadas en los párrafos anteriores, es por
ello que el ingeniero de sonido debe seleccionar cuidadosamente el sistema de
altoparlantes adecuados para cada aplicación y es por ello que existe una enorme
variedad de modelos: Dinámicos, Electrostáticos, de plasma, bocinas, de cinta, etc.
La historia del altavoz tiene ya mas de un siglo. En 1877 Edison [1] diseñó un aparato
capaz de transcribir telegramas, y el mismo año inventó un transductor para el teléfono.
El primer transductor que utilizó fuerza electromotriz fue realizado por Graham Bell,
siendo luego mejorado por Mac Lachlan. Luego se desarrollaron modelos como el
Termógrafo, el Altavoz de arco, el condensador cantante y el de cuarzo, pero el que mas
éxito ha tenido durante un siglo ha sido el Altavoz electrodinámico ( figura VII.3 y VII.4) y,
en menor grado, el electroestático.
EL ALTAVOZ ELECTRODINÁMICO.
Corte de un altavoz electrodinámico.
donde se pueden observar las siguientes partes:
a.-Imán permanente. Proporciona el campo magnético para el sistema Motor.
b.-Bobina. Al circular corriente produce el efecto motor para mover el Cono.
c.-Diafragma. Es un cono, hecho generalmente de cartón, el cual está sujetado por una
suspensión en su borde más externo y posee una bobina cilíndrica en su borde más
interno, la cual tiene libertad para moverse axialmente. Cuando la corriente eléctrica
circula por la bobina se crea una fuerza magnetomotora la cual actua con el flujo
magnético de la brecha, creado por un imán permanente, lo que causa un movimiento
translatorio de la bobina y por lo tanto del cono al cual está sujeta.
d.Suspensión. Permite que el cono permanezca en su posición de reposo.
La interacción de los diferentes componentes del altavoz determinan su comportamiento
al serle conectada una señal de audio. Sin embargo existe otro factor primordial para la
generación de ondas sonoras por parte del altavoz, esto es la interacción con el aire. Para
ilustrar el problema observe la figura VII.7.
Se puede observar que hacia los lados del altavoz se produce interferencia destructiva
entre las ondas sonoras generadas por el frente y las generadas por la parte posterior.
Este fenómeno ocurre para las longitudes de onda suficientemente grandes para que
puedan bordear el altavoz, o cualquier superficie donde éste se coloque.
Para evitar este problema se puede colocar el altoparlante en una gabinete infinito. Por
definición, un gabinete infinito es cualquier cosa que aisle acústicamente el lado frontal de
un diafragma del lado posterior, o mejor todavía, dentro de una caja que evite la salida de
las ondas acústicas posteriores.
En el resto de este capítulo se analizará la interacción entre los parámetros del altavoz y
las dimensiones de la caja acústica.
RESPUESTA DE FRECUENCIA.
Es una de las características más importantes, porque sabiendo este dato sabemos el
rango de sonido que es capaz de reproducir. Se mide en hercios y sobre una potencia
dada.
Menos hercios = Sonido más grave.
Más hercios = Sonido más agudo.
Graves Medios Agudos
|--------------------|-------------------|
20Hz 200Hz 20.000Hz
Si una caja acústica tiene una respuesta de frecuencia de 30Hz-22.000Hz, nos indica que
reproducirá los graves con más contundencia que una caja cuya respuesta sea, por
ejemplo, de 45Hz-22.000Hz.
Hay que tener en consideración que la respuesta de frecuencia de una caja acústica
viene influenciada notablemente por la posición de la caja dentro de la sala de escucha.
Por ello es importante probar a situar las cajas en distintas posiciones dentro de la sala
hasta conseguir con el sonido que más nos agrade.
SENSIBILIDAD.
La sensibilidad de una caja es la presión sonora que esta es capaz de reproducir a 1
metro de distancia, cuando se la alimenta con 1 vatio de potencia.
Cuanto mayor sea la sensibilidad de la caja, mayor será el volumen que esta emita al
aplicarle una potencia determinada. Por lo tanto si utilizamos un amplificador de 50W con
unas cajas de 91 dB y el mismo amplificador con unas cajas de 88 dB, las primeras
sonarán con un nivel de volumen superior a las segundas.
La sensibilidad se mide en decibelios, y los baffles para aplicaciones de alta fidelidad
suelen estar comprendidos entre los 86 y 93 dB.
Las cajas acústicas que utilizan altavoces construidos con materiales ligeros, por lo
general tienen más sensibilidad, puesto que fuerzan menos el amplificador al requerir
menos trabajo para realizar el movimiento mecánico del altavoz.
POTENCIA.
La potencia dada de un altavoz viene dada en vatios. Los únicos vatios a tener en cuenta
son los RMS (Root Mean Square) o continuos, puesto que son los que un altavoz puede
soportar de manera continuada sin llegar a deteriorarse.
Suele ocurrir que los fabricantes expresen la potencia en vatios musicales, DIN, PMPO
etc., puesto que siempre son mayores que los RMS y el profano cree que esta
comprando un producto con prestaciones superiores a las que realmente tiene. Sólo las
mejores marcas indican que la potencia de sus cajas viene expresada en vatios RMS.
Es recomendable que la potencia de un altavoz sea un 30% o 40% superior a la del
amplificador.
PARTES DE UNA CAJA ACÚSTICA.
ALTAVOZ DE AGUDOS.
También llamado tweeter, es el altavoz encargado de reproducir las frecuencias altas.
Existen diversos tipos de tweeter como el de tipo trompeta o el de cúpula que es el más
utilizado en alta fidelidad.
Los tweeters de cúpula pueden ser a su vez, de cúpula metálica, como el titanio o
aluminio, o de cúpula blanda que normalmente puede ser de seda o de algún tejido
compuesto. Los tweeters de cúpula metálica suelen producir un sonido brillante e incluso
chillón, mientras que los de cúpula blanda producen un sonido más dulce.
También existen los tweeters refrigerados por ferrofluido. Este tipo de altavoz tiene la
peculiaridad que internamente tiene un compartimento donde se aloja un fluido con
partículas metálicas cuya misión consiste en disipar el calor producido por la vibración de
la membrana del altavoz. Son más delicados que el resto de tweeters, pero en cambio
producen un sonido más natural y sólo se encuentran en cajas acústicas de calidad.
ALTAVOZ DE MEDIOS.
Es el altavoz encargado de reproducir las frecuencias medias, aproximadamente de 200
Hz a 8000 Hz.
No todas las cajas acústicas lo llevan, y su presencia no es un indicador de la calidad del
producto. Existen cajas de 2 vías de alta calidad que cubren todo el rango de frecuencias
necesario para la perfecta reproducción musical.
ALTAVOZ DE GRAVES.
También llamado woofer, tiene como misión el reproducir las frecuencias más graves, de
20Hz a 200Hz aproximadamente, y por lo general es el altavoz de mayor tamaño en la
caja acústica.
Los materiales utilizados para su construcción suelen variar dependiendo del fabricante,
así no es extraño encontrar altavoces de pulpa de papel prensado, de polipropileno, de
fibra de kevlar, etc. Existen buenos altavoces fabricados con cualquiera de estos
materiales aunque cada uno tiene sus ventajas e inconvenientes.
Los altavoces de graves de mayor diámetro suelen producir un sonido más contundente y
están más indicados para reproducir música electrónica, rock etc.
FILTRO DIVISOR.
El filtro divisor es un circuito que llevan internamente las cajas acústicas que se ocupa de
separar las frecuencias que van a cada altavoz, así tweeter sólo le llegarán las
frecuencias altas y al woofer las más bajas.
Un filtro divisor consta principalmente de una o varias bobinas y condensadores.
Dependiendo del valor de inductancia de la bobina se filtrarán determinadas frecuencias
altas para que al woofer sólo le lleguen las frecuencias más graves. En condensador tiene
la misión de filtrar las frecuencias graves que van al tweeter y también dependiendo de su
valor actuará sobre determinado rango de frecuencias.
Esto es la manera como actúa un filtro de dos vías básico, pero en la actualidad los
ingenieros elaboran filtros mucho más complejos y de alta calidad, que además separan
hasta 4 y 5 vías.
RECINTO ACÚSTICO.
El recinto acústico es la caja o baffle donde van contenidos los altavoces. Es conveniente
que sea de material rígido y que absorba bien las vibraciones. Los materiales más usados
son el aglomerado y la madera aunque también existen altavoces de mármol, hormigón
etc.
El diseño de una caja acústica es extraordinariamente complejo y sólo es aconsejable
hacerlo si tenemos conocimientos sólidos sobre acústica y instrumental adecuado para su
construcción y medición. De lo contrarío nos ahorraremos mucho dinero y decepciones si
compramos un producto terminado de una buena marca.
Existen diferentes diseños de recinto acústico, así encontramos el cerrado, Bass-Reflex o
radiador pasivo.
El sistema cerrado consta de uno o varios altavoces montados en una caja cerrada. Es el
sistema más sencillo y suele encontrarse sobre todo en cajas de tipo monitor y en cajas
de pequeño tamaño. El interior de este tipo de recintos está relleno de lana fibra de vidrio
para absorber las reflexiones de las ondas.
El sistema Bass-Reflex, o reflector de graves, es el más popular de todos estos sistemas
por lo que se encuentra en los catálogos muchos fabricantes. Consta de uno o varios
altavoces montados en una caja la cual tiene una apertura en la parte posterior o
delantera, por la que salen las ondas de baja frecuencia reflexionadas. El cálculo de esta
apertura es vital para la respuesta de este tipo de cajas.
El sistema de radiador pasivo consta de varios altavoces montados en una caja cerrada,
pero a diferencia de los diseños anteriores, el altavoz de graves no tiene ningún tipo de
conexión con el resto de altavoces, ni ningún tipo de bobina eléctrica. La variación de
presión que se produce en el interior del recinto acústico, excita al radiador pasivo el cual
emite al exterior su rango de frecuencias. Es un sistema que sólo se encuentra en
altavoces de calidad.
Es bien sabido que las bocinas pequeñas, reproducen un sonido idealmente bien definido
y con poca distorsión; y que las bocinas grandes son necesarias para obtener una buena
reproducción de frecuencias graves. Pero ¿cómo obtener un sonido de buena calidad en
todas las frecuencias sin utilizar altavoces de grandes dimensiones?. Los ingenieros de
Yamaha descubrieron que estos "conocimientos" ya no son estrictamente verdaderos, y
desarrollaron una tecnología para obtener una excelente calidad en reproducción de
sonidos graves a partir de un altavoz pequeño.
La Tecnología Servoactiva de Yamaha se basa en 2 principios fundamentales, el
resonador Helmholtz y la excitación de bocinas por carga de impedancia negativa.
Las bocinas reproducen las frecuencias bajas a través de un puerto o agujero (bass
reflex) en lugar de un woofer convencional. De acuerdo con la teoría de resonancia de
Helmholtz, las señales de pequeña amplitud dentro de un bafle pueden ser expulsadas
por este puerto como ondas de mayor amplitud; si el volumen del gabinete y el tamaño del
puerto son calculados para cumplir con estos requerimientos. Sin embargo, para hacer
esto, las amplitudes dentro del gabinete deben de ser fuertes y correctas, ya que tienen
que superar la carga de aire contenida en el interior del bafle.
Este problema es solucionado teniendo un amplificador dedicado para alimentar estas
señales fuertes y correctas. Con la incorporación de un circuito de excitación de
impedancia negativa, el amplificador puede excitar una bocina de rango medio y
reproducir pequeñas pero correctas ondas de baja frecuencia. Estas ondas entonces son
radiadas como señales de gran amplitud desde el puerto o agujero del gabinete.
Así, usando un gabinete con diseño basado en la teoría de Helmholtz en combinación con
un amplificador que trabaje con impedancia negativa, se logra una excelente acoplación
entre el amplificador y la bocina, se mejora el factor de amortiguamiento y se obtiene una
reproducción de frecuencias bajas sorprendente calidad y sin distorsión; de esta forma
podemos tener un altavoz del tamaño de un florero con una respuesta de frecuencia
completa.
DEFINICIÓN Y TIPOS DE TRANSDUCTOR
Un altavoz es un dispositivo capaz de convertir energía eléctrica en energía acústica que
se radia al aire.
A este dispositivo se le llama transductor electroacústico. La transducción o
transformación de energía, se hace en dos fases. El modelo teórico de un transductor
electroacústico, se basa en un transductor electromecánico y un transductor mecánico-
acústico. Esto significa, que se estudia por un lado la transformación de la energía
eléctrica en mecánica, ya que se genera un movimiento, por otro lado se estudia la
transformación de la energía mecánica en acústica, ya que el movimiento genera energía
acústica.
El transductor electromecánico se llama "motor", por el movimiento que genera. Este
movimiento se traspasa al segundo transductor, el mecánico-acústico, que se llama
"diafragma", aunque también puede ser una bocina.
En los apartados que se refieren a los anteriores aparatos de la cadena de audio
(procesadores, mesa de mezcla, etapa de potencia), se habla principalmente de dos
unidades: tensión y corriente que varían en función del tiempo: e(t), i(t). Esta energía es
transformada en energía mecánica en el transductor electromecánico, ahora se miden las
magnitudes fuerza y velocidad: f(t), u(t). Tras pasar por el transductor mecánico-acústico,
se pasa a hablar de energía acústica, con las magnitudes presión y caudal: p(t), U(t).
La energía acústica, se radia al aire, se transmite a través de este y la percibimos como
sonido. Estos conceptos están explicados en la sección Nociones de Sonido, en el
apartado Nociones de Acústica.
Frente a la aparente simplicidad de un altavoz, los fenómenos físicos en los que se basa
son complejos y variados, además admiten múltiples configuraciones en función de la
necesidad a cubrir. Por este motivo, se pueden clasificar de varios modos que se
enumeran a continuación.
Clasificación en función del transductor electromecánico:
Electrodinámco, dinámico o bobina móvil: una bobina móvil inserta en un campo
magnético creada por un imán permanente, se desplaza empujada por la fuerza
electromotriz debida a los cambios de corriente en su interior. Esta corriente procede del
amplificador o etapa de potencia. La bobina está pegada a la cúpula, que puede ser todo
el diafragma o sólo la parte central. Son los más comunes en audio profesional y
prácticamente los únicos en audio doméstico.
Partes de un altavoz electrodinámico de bobina móvil
Altavoces de bobina móvil
En el altavoz central de la figura se aprecia la cúpula del diafragma pintada de negro. En
el altavoz de la derecha se ha desmontado el imán permanente. El altavoz derecho está
completamente montado.
Electrostáticos: se basan en una placa cargada eléctricamente que ejerce de diafragma
y se mueve por la fuerza electrostática que se produce al variar la carga de las dos placas
entre las que se encuentra. Se trata de un doble condensador, donde la placa central es
el diafragma. Destacan por ofrecer una respuesta en frecuencia amplia y plana; por otro
lado son extremadamente voluminosos, necesitan de alimentación de la red y electrónica
adicional, además son muy delicados, por todo su precio es muy elevado. Los altavoces
electostáticos son de radiación directa.
ALTAVOZ ELECTROSTÁTICO.
Piezoeléctricos: se basan en la propiedad de los materiales piezoeléctricos de
contraerse ante impulsos eléctricos. Tienen un gran rendimiento, sin embargo la superficie
de radiación es muy pequeña por lo que son usados en dispositivos de alta frecuencia de
audio. También se usan en muchas aplicaciones que requieren frecuencias superiores a
las de audio, como dispositivos de sonar o de ecografía.
Tweeter piezoeléctrico
Otros tipos menos desarrollados son los siguientes: Magnéticos, Magnetoestrictivos,
Neumáticos o Iónicos
Clasificación en función del transductor mecánico-acústico:
De radiación directa: el diafragma es el elemento que radia directamente al aire. Son los
más comunes al ser más sencillos que los de radiación indirecta.
Altavoz electrodinámico de radiación directa
De radiación indirecta: una bocina adapta la alta impedancia del diafragma a la baja
impedancia del aire. De este modo se mejora el rendimiento del altavoz. Es decir, se
transforma más energía eléctrica en acústica, si no se usase la bocina, se emplearía la
misma energía eléctrica obteniendo menos energía acústica. Son más aparatosos y se
usan en ámbitos profesionales de sonorización de grandes recintos o montadas en
grandes cajas acústicas. Los altavoces de radiación indirecta está compuestos de dos
partes, la bocina y el motor de compresión. El motor de compresión es en realidad un
altavoz electrodinámico de bobina móvil, aunque tiene algunas peculiaridades, como una
cámara de compresión, un diafragma pequeño y ligero y la estructura para ser anclado a
la bocina.
Bocina sola (izquierda) y con el motor de compresión montado (derecha)
Las bocinas de la figura superior son del tipo exponencial de boca rectangular.
Clasificación en función del margen de frecuencia al que se dedican:
Banda ancha: son altavoces que cubre la una banda extensa del espectro de audio.
Bajas frecuencias: woofers y sub-woofers. Son altavoces que cubren el margen de
frecuencia por debajo de los 400-700 Hz. para woofers y por debajo de los 80 Hz. para los
sub-woofers. También se habla de graves y sub-graves. Los woofers no llegan a cubrir
con buena respuesta la zona de baja frecuencia próxima a los 20 Hz. por eso se
desarrollan los sub-woofers que trabajan exclusivamente esa zona reforzando la
respuesta en baja frecuencia.
Frecuencias medias: mid-range. Cubren el margen de frecuencia que va desde los 400-
700 Hz. hasta los 3-8 KHz. Esta es la que se suele llamar banda de medios.
Altas frecuencias: tweeters y ultra-high-tweeters. Cubren las frecuencias por encima de
los 3-8 KHz. para los tweeters y por encima de los 12-14 KHz. para los ultra-high-
tweeters. Ambos no llegan mucho más allá de los 20 KHz. Esta zona de frecuencias es
llamada también banda de agudos. Los tweeters tienen dificultad en llegar a cubrir con
buena respuesta la zona de frecuencia próxima a los 20 KHz. por eso se desarrollan los
ultra-high-tweeters que trabajan exclusivamente esa zona reforzando la respuesta en
altas frecuencias.
Distribución aproximada de las bandas de frecuencia habituales
CARACTERÍSTICAS
Respuesta en frecuencia. El concepto está explicado en el apartado Equipos de audio >
Calidad de audio. La respuesta en frecuencia es uno de los parámetros principales de un
altavoz, junto con la potencia. Por razones mecánicas y de diseño, un altavoz sólo no
puede cubrir todo el margen de audio, por lo que se construyen altavoces especializados
en reproducir ciertas bandas de audio: sub-graves, graves, medios, agudos y súper-
agudos.
Gráfica del módulo de la respuesta en frecuencia de un altavoz montado en caja
cerrada
Siendo fc la frecuencia de resonancia en caja cerrada. Este valor suele ser de varias
decenas de hertzios. Si fc = 60 Hz, la zona plana de la respuesta llegaría hasta poco más
de los 600 Hz.
Impedancia eléctrica de entrada. Es la relación compleja (módulo y fase) entre la
tensión en bornes del altavoz y la corriente que circula por él. También se puede definir
como la resistencia eléctrica que "ve" el equipo anterior. La impedancia eléctrica de
entrada varía mucho con la frecuencia, sobre todo en torno a la frecuencia de resonancia
del altavoz.
Gráfica real del módulo de la impedancia de entrada de un altavoz electrodinámico
de radiación directa
Frecuencia de resonancia. Es es la frecuencia donde el sistema mecánico entra en
resonancia. Se debe especificar el valor de la frecuencia para la cual el módulo de la
impedancia eléctrica de entrada tiene su primer máximo. En el caso de la figura superior
la frecuencia de resonancia está en 45 Hz.
Impedancia nominal. Para facilitar los cálculos de instalaciones y equipos, y para
trabajar con un dato único y no una compleja gráfica, el fabricante da el valor de la
impedancia nominal. Este valor suele ser de 4W, 6W, 8W ó 16W. Este valor se toma de la
zona plana que hay tras la frecuencia de resonancia, en la gráfica de la impedancia
eléctrica de entrada; aunque se admite una variación de hasta el 20%.
En la gráfica superior, la zona plana se encuentra entre los 150 y los 400 Hz. y el valor es
de 10W, con lo que se puede decir, incluyendo el margen del 10%, que la impedancia
nominal del altavoz es de 8W.
Potencia eléctrica de pico o musical. Es la potencia eléctrica que el altavoz es capaz de
disipar con una señal de prueba de ruido rosa filtrado (simulando a señal musical) sin
sufrir daños permanentes. La duración de la prueba es de un segundo y se repite 60
veces a intervalos de un minuto. El valor de la potencia se calcula sobre el valor nominal
de la impedancia.
Potencia eléctrica nominal o RMS. Es la potencia eléctrica que el altavoz es capaz de
disipar con una señal de prueba de ruido rosa (que simula un programa musical) sin sufrir
daños permanentes. La duración de la prueba es de un minuto y se repite 10 veces a
intervalos de dos minuto.
Potencia continua sinusoidal. Es la potencia eléctrica que el altavoz es capaz de disipar
con una señal de prueba, que es un barrido continuo dentro del margen de trabajo de
señal senoidal, sin sufrir daños mecánicos o térmicos. La duración de la prueba es de un
100 horas consecutivas. Este dato no suele ser facilitado, ya que los dos anteriores
aportan suficiente información.
La norma usada en cada caso para la medida, determina el espectro de la señal banda
ancha, el tipo de señal (ruido rosa generalmente) y el tiempo de duración de la prueba.
Normas conocidas son la normas AES, IEC, EIA... El valor de potencia eléctrica que se
está aplicando al altavoz se calcula midiendo la tensión eficaz en bornes del altavoz para
el valor de impedancia nominal.
Fórmula empleada para calcular la potencia eléctrica consumida.
Sensibilidad. Se define como el nivel de presión sonora (NPS) medido a 1 m de distancia
en la dirección del eje de mayor radiación del altavoz, cuando es excitado con un 1 W de
potencia eléctrica, medida esta sobre su impedancia nominal. La señal que se utiliza es
de banda ancha, preferiblemente un ruido rosa, cuyo espectro se parece más a la señal
musical o vocal. Se puede dar el dato para radiación esférica o hemisférica (montado en
pantalla infinita). Entre dos altavoces de iguales características de respuesta en
frecuencia, potencia nominal, impedancia de entrada y directividad, es preferible el que
mayor sensibilidad tenga.
Esta medida, así como la mayoría de las medidas de sonido, se han de hacer sin que
influyan las posibles reflexiones del sonido en elementos cercanos, lo que adulteraría la
medida. Para evitar estas reflexiones se usan "cámaras anecoicas" que están construidas
con un diseño y materiales que hacen que no existan reflexiones en su interior, ni se
cuelen ruidos externos.
Fotografía del interior de una cámara anecoica
Las pasarelas y los elementos del centro de la cámara son usados para colocar las
fuentes a medir y los dispositivos de medida.
Rendimiento y eficiencia. El rendimiento es el resultado de la división de la potencia
acústica radiada por el altavoz, entre la potencia eléctrica consumida en el altavoz. Se
suele dar en porcentaje. La eficiencia también se calcula de igual modo, y sus valores se
suelen dar en unidades. Sin embargo la forma de calcular las potencias acústica y
eléctrica para rendimiento y eficiencia son diferentes, ya que el rendimiento incluye las
pérdidas mecánicas del sistema. Es decir, la resistencia al movimiento de la suspensión
del diafragma.
El dato del rendimiento es el más ajustado a la realidad de los dos. Tanto el rendimiento
como la eficiencia son valores que varían con la frecuencia, igual que la resistencia
eléctrica de entrada. En ambos casos y para ciertas frecuencias los valores pueden
superar el valor máximo de 100% o 1 respectivamente. A pesar de la fidelidad de estos
parámetros a la realidad, para saber si un altavoz radiará mucha energía acústica, es más
cómodo fijarse en su sensibilidad. Un altavoz poco sensible necesitará consumir más
energía eléctrica que otro muy sensible, para lograr el mismo nivel de presión sonora.
Directividad. Es la variación del nivel de presión sonora a una distancia fija, en función
del ángulo de giro del altavoz. La directividad se especifica mediante gráficas para bandas
de tercio de octava de ruido rosa, con distintas frecuencias centrales y para giros de 10º a
15º. Las bandas que se usan tienen las siguientes frecuencias centrales: 125Hz, 250Hz,
500Hz, 1KHz, 2KHz, 4 KHz, 8KHz y 16KHz. El registro de estas gráficas se hace situando
el altavoz en un banco giratorio, se reproduce una banda concreta y se mide el NPS a una
distancia fija, se va girando el altavoz en el plano horizontal de 15 en 15 grados y
midiendo la caída de NPS con respecto al valor de NPS a 0º. Se repite el procedimiento
para cada banda. Si el altavoz es de simetría circular, la directividad vertical y horizontal
será la misma. Si no lo es, habrá que hacer el mismo procedimiento girando el altavoz en
el plano vertical.
Ejemplo de diagrama de directividad horizontal con cuatro frecuencias
significativas.
Las curvas de directividad suelen ser simétricas respecto al eje de radiación, al menos en
el plano del que se trate. Es decir, en directividad horizontal, se dan iguales pérdidas a
300º que a 60º para una misma frecuencia. Por este motivo y para no emborronar la
gráfica, sólo se representa un lado de la curva para cada frecuencia, entendiendo que el
lado que falta es simétrico respecto al eje de 0º-180º. Si el sistema tiene simetría de
revolución, la directividad vertical será igual.
Ancho de haz. Es un valor que se expresa en grados sexagesimales (de 0º a 360º), e
indica la porción del espacio situado frente al altavoz, horizontal o vertical, en donde la
caída del NPS respecto al eje es menor de 6dB. El ancho de haz se mide de lado a lado
del haz. Normalmente se suele dar el valor de ancho de haz a -6dB, aunque a veces se
da para -3dB; siempre se especifica. Este dato es muy útil para realizar proyectos de
refuerzo sonoro, para distribuir los altavoces de forma que toda la audiencia quede
cubierta con un nivel suficiente. Valores típicos de ancho de haz para bocinas son 20º,
40º, 60º, 90º ó 120º.
Ejemplo del ancho de haz de una bocina
Los cálculos de recubrimiento basados en los datos de ancho de haz, son sólo
aproximados, ya que no se tienen en cuenta las pérdidas de nivel con la distancia, es
decir, las pérdidas por divergencia esférica. Las isobaras son superficies tridimensionales
que tienen en cuenta tanto la direcitividad del altavoz como las pérdidas por divergencia
esférica. El cálculo de recubrimientos con isobaras en superficies complejas requiere
cálculos basados en computador, a no ser para calcular niveles en puntos concretos de la
audiencia..
Índice de directividad (ID). Es la relación, expresada en dB, entre la intensidad acústica
radiada por el altavoz medida en el eje, y la intensidad acústica radiada por un altavoz
omnidireccional (que radia igual en todas direcciones), medido en las mismas
condiciones. Un altavoz omnidireccional (concepto sólo teórico), tiene un índice de
directividad de valor uno. Cuanto más directivo sea un altavoz, mayor será su ID.
Los datos sobre directividad son muy importantes, ya que en la mayoría de las
aplicaciones profesionales, el oyente o los oyentes no se sitúas únicamente en el eje de
los altavoces que reproducen el sonido.
Distorsión armónica (THD%). La definición de esta medida se da en el apartado Equipos
de audio > Calidad de audio. Sólo queda decir que en el caso de altavoces, se hace la
medida para distintas potencias de trabajo del altavoz, ya que a mayor potencia, mayor
distorsión.
CONFIGURACIONES
Clasificación en función de su configuración:
En pantalla infinita. Este es un concepto básicamente teórico ya es difícil llevarlo a la
práctica. Se trata de un altavoz montado sobre una pantalla rígida o pared de
dimensiones muy grandes. Se limita la radiación del altavoz a un solo hemisferio. Sería
equivalente a montar el altavoz en una caja acústica de tamaño infinito. De esta forma no
hay comunicación en baja frecuencia a través del aire entre las dos caras del diafragma,
entre la radiación frontal y la posterior. En alta frecuencia, las dimensiones del altavoz, y
el camino que separa las dos caras del diafragma, son mayores que la longitud de onda,
con lo que aún sin pantalla, tampoco habría comunicación. Este es un supuesto que
simplifica los cálculos y permite estudiar con sencillez la respuesta en frecuencia del
altavoz.
Altavoz en pantalla infinita (izda.) y altavoz desnudo con cortocircuito acústico
(dcha.)
La comunicación entre las dos caras del diafragma es un problema debido a que las
ambas radian la misma señal pero en oposición de fase, ya que cuando el diafragma se
mueve, una cara avanza y la otra retrocede. Así, en un altavoz donde hay comunicación
entre caras, aparecerá una longitud de onda y todos sus múltiplos para las cuales las
ondas radiadas por cada cara del diafragma se cancelen al sumarse en oposición de fase.
Así, se conseguiría un dipolo acústico, que crea una respuesta en frecuencia tipo "peine",
con ceros de amplitud distribuidos uniformemente por todo el espectro. Esto es lo que se
llama cortocircuito acústico.
La frecuencia de resonancia mecánica del altavoz es conocida como fs e incide de forma
decisiva en la frecuencia a partir de la cual habrá radiación en baja frecuencia.
En caja cerrada. Esta es la configuración más habitual. Se trata de montar el altavoz
sobre las paredes de una caja herméticamente cerrada, evitando así el cortocircuito
acústico. En realidad este montaje es una evolución desde el caso teórico de pantalla
infinita, donde se sigue evitando la comunicación entre la radiación frontal y la posterior
para baja frecuencia.
Altavoz montado en caja cerrada
El montaje en caja cerrada añade nuevos problemas al sistema, como el hecho de que la
respuesta en frecuencia se vea coloreada (modificada) por la creación de modos propios
dentro de la cavidad de la caja. Por otro lado, al reducirse el volumen de aire en el lado
posterior del diafragma, este tiene más dificultad para moverse sobretodo en baja
frecuencia, donde en la mitad del ciclo trabajará para comprimirlo. Como resultado la
respuesta en graves de un altavoz concreto, se recorta al montarlo en caja cerrada
respecto a la que tenía montado en pantalla infinita. Este recorte es del orden de decenas
de hertzios, por ejemplo, pasar de fs = 45Hz a fc = 58Hz. Sin embargo, calculando
adecuadamente el volumen interno de la caja, se puede conseguir un realce en baja
frecuencia que compensa en cierto modo el recorte por estar montado en caja cerrada.
Respuesta en baja frecuencia de un altavoz en pantalla infinita (azul claro)
y mismo altavoz en caja cerrada (amarillo)
La figura muestra la respuesta en baja frecuencia de un mismo altavoz en pantalla infinita
y en caja cerrada. La línea discontinua muestra un ejemplo del realce que se puede
conseguir a la frecuencia de corte. Las pendientes de subida en ambos casos son de 12
dB/oct.
La frecuencia de resonancia del sistema caja cerrada, será fc, que dependerá de la fs
anterior de las dimensiones y el relleno de la caja acústica. De nuevo, la fc es fundamental
a la hora de calcular la respuesta en frecuencia del sistema.
Refuerzo de graves mediante bass reflex. Esta configuración consigue aprovechar
parte de la radiación posterior del diafragma, que se disipa en el interior de la caja, para
reforzar la radiación frontal del altavoz en baja frecuencia. Esto se consigue mediante una
abertura o puerta en la caja, que permite salir al exterior el caudal del interior de la caja,
en función de las variaciones de presión en el interior de esta. Con este sistema aumenta
el caudal total radiado al exterior de la caja.
Altavoz de graves con refuerzo bass reflex.
La puerta de bass reflex puede ser un simple agujero en una pared de la caja, o estar
formado por un tubo que se suele adentrar en la caja. La nueva frecuencia de resonancia
del sistema se llamará fb y dependerá, de nuevo, de las características mecánicas del
altavoz, de las características físicas de la caja y de las dimensiones de la puerta.
Mediante el estudio pormenorizado de las características del sistema, se puede diseñar
una puerta para conseguir que la frecuencia de resonancia del sistema bass reflex se dé
exactamente a la frecuencia deseada.
Ejemplo de respuesta en baja frecuencia de altavoz en caja cerrada (amarillo)
y mismo altavoz en caja con bass reflex (rojo).
La figura de arriba representa las diferentes respuestas en frecuencia del mismo altavoz y
misma caja, sin (amarillo) y con (rojo) puerta bass reflex. La pendiente de subida en el
primer caso es de 12 dB/oct. mientras que con el sistema de refuerzo de graves es de 24
dB/oct. con la consiguiente ganancia de potencia radiada en la frecuencia cercana
superior a la de corte fb.
Las dimensiones que definen la puerta son diámetro (para puertas circulares) o superficie
efectiva (puertas con otra forma) y longitud. A veces la caja tiene más de una puerta, de
nuevo lo importante es la superficie efectiva total. Además habrá que cumplir unas
especificaciones mínimas que garanticen que a través de la puerta se puede radiar el
volumen de aire calculado sin que se produzca ruido de viento.
Bocina. Las bocinas podrían formar un apartado en sí mismo por la gran cantidad de
tipos y aplicaciones que tienen. En principio la bocina mejora el rendimiento, si bien, el
punto fuerte que tienen, es la capacidad de controlar la directividad de la radiación. Así se
han desarrollado y siguen investigándose múltiples tipos de bocinas, con un objetivo
primordial, mejorar la directividad y la respuesta en frecuencia.
Las más simples son las bocinas exponenciales, cuya adaptación de impedancia mejora
con el aumento de las dimensiones de la misma. Las bocinas sectoriales o radiales,
mejoran la directividad horizontal con respecto a las anteriores. Las bocinas de difracción
son extremadamente planas, lo que fuerza al ensanchamiento de haz en la dimensión
horizontal. Se usan para reproducción musical en amplios recubrimientos interiores, ya
que cubren ángulos de más de 100 grados. Las bocinas de directividad constante
destacan por mantener sus características de directividad en un amplio margen de
frecuencia, típicamente de 800Hz a 12,5kHz. Es decir, no sólo dan el nivel suficiente
dentro del ancho de haz sino que además mantienen la respuesta en frecuencia igual que
si se estuviese situado frente al eje, cosa que no hacían las anteriores.
Bocina exponencial de boca
rectangular
Bocina sectorial o radial
Bocina de difracción
Bocina de directividad
constante
Modelo más elaborado de bocina de directividad constante
Como complemento a los sistemas de bocina se suelen emplear radiadores en anillo para
radiar las más altas frecuencias, ya que la respuesta de la bocina decae a tales
frecuencia. Estos radiadores son pequeños altavoces de radiación directa cuyo diafragma
tiene forma de anillo, y ejercen de tweeters de muy alta frecuencia.
Varias vías. Como se ha indicado antes, los distintos altavoces tienen una respuesta en
frecuencia concreta. Esto significa que unos cubren mejor unas frecuencias que otros.
Dado que el espectro de audio es demasiado amplio para que un único altavoz lo cubra
entero, se emplean agrupaciones de varios tipos de altavoces, de forma que radiando
todos a la vez, cada uno en una zona del espectro, todo el espectro quede cubierto.
Las agrupaciones más frecuentes son las de dos altavoces (uno para para frecuencia
medias-bajas y otro para medias-altas) y tres altavoces (woofer, mid-range y tweeter). Las
vías son el número de particiones del espectro, que generalmente, coincide con el número
de altavoces de un sistema o de una caja acústica. Así un sistema de tres vías suele tener
un woofer, un mid-range y un tweeter; aunque podría, por ejemplo, tener dos tweeter.
Pareja de altavoces de tres vías con aberturas bass reflex
Los sistemas de varias vías admiten combinaciones de transductores de todo tipo, así es
frecuente ver una caja acústica de tres vías, con un gran altavoz (woofer) una bocina que
hace de mid-range y una pareja de tweeters. Los altavoces que forman un sistema de
varias vías también pueden estar por separado, cosa que es habitual en sistemas de gran
potencia, donde cada elemento es muy grande. En sistemas para conciertos se pueden
ver las cajas que soportan la vía de graves a poca altura del suelo, mientras que el
sistema de media y alta frecuencia están colgados a los lados del escenario, a gran altura.
Sistemas de semejante tamaño, suelen incluir además, amplificación por separado para
cada vía.
Los sistemas de varias vías requieren un diseño cuidadoso. El diseñador habrá de tener
en cuenta la respuesta en frecuencia de cada altavoz empleado así como su sensibilidad.
También es fundamental la posición relativa de los altavoces dentro de la misma caja
acústica. Además, será de vital importancia el diseño de la red de cruce, que es la
encargada de separar la señal total, en las distintas vías que alimentarán cada altavoz (se
explica en Conexión). Cuando se tienen varias vías, la zona más crítica del espectro es
aquella donde las respuestas de dos altavoces se solapan, ya que se pueden dar
cancelaciones (bajadas de nivel) si las dos señales tienen una fase relativa de 180º a
ciertas frecuencias.
Columnas. Son apilamientos de altavoces, 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 publico, para garantizar el camino directo entre el transductor y todos los oyentes.
Además, frente a un obstáculo como puede ser el propio publico, 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 las cajas acústicas que alcanzan un
cierto tamaño, en esto influye su forma alargada y su colocación en vertical.
Clusters y arrays. 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 altavoces y de etapas de potencia. Según como se organicen
esos altavoces se tendrá un cluster o un array. Un cluster es una agrupación de altavoces
tipo racimo, que se coloca en el centro para radiar en todas direcciones. Es muy común
encontrar clusters de altavoces en pabellones deportivos, sobre la cancha colgando del
techo. Si se desea radiar en una dirección concreta, se utilizan arrays, que consiste en un
conjunto de altavoces colgados como una cadena radiando en la misma dirección. Se
suelen encontrar arrays en conciertos, donde el sonido ha de partir del escenario hacia el
público.
Agrupación en array de 10 altavoces Agrupación en cluster de gran tamaño
OTROS ELEMENTOS
Existen diversos elementos que merecen consideración, entre el amplificador y el altavoz
final. En la propia caja acústica se encuentran las conexiones. También se pueden
encontrar filtros de cruce en el caso de que el sistema sea de varias vías. Además, si el
sistema es auto amplificado, incorporará un amplificador dentro de la propia caja acústica.
En el proceso de transferencia de energía entre el amplificador o etapa de potencia y el
altavoz o altavoces, se tiene que dar la adaptación en tensión, que consiste en que la
resistencia de salida del amplificador sea mucho menor que la resistencia de la carga, que
será la del altavoz o la de los filtros de cruce, según el caso. La impedancia nominal de
los altavoces puede ser de 2W, 4W, 8W, o 16W (generalmente 8W), con lo que la
resistencia que ofrezca el cable, ha de ser la menor posible, ya que cuanto mayor sea,
más potencia se consumirá en el cable y menos en el altavoz.
Los cables de potencia no necesitan apantallamiento ya que el ruido que se puede
introducir por inducción es despreciable comparado con las altas tensiones (y corrientes)
que circulan por él.
Existen todo tipo de conexiones y calidades. Las conexiones seguras que protegen a la
persona de descargas y a los aparatos de posibles cortocircuitos. Por este último motivo
no se suelen usar conectores tipo Jack, ya que al sacarlos o introducirlos, hay un
momento en que se produce cortocircuito; si en ese momento el amplificador de potencia
está encendido y trabajando, se puede quemar la etapa de salida. Los conectores
seguros más usados son XLR o SPEAKON.
Conector XLR machoConector SPEAKON macho
En otros tipo de conexiones más simples, donde el cable pelado se conecta a los bornes
por algún método mecánico, hay que prestar atención a la superficie de contacto y a la
presión de esos contactos. Tampoco son recomendables las soldaduras de estaño para
fijar las conexiones, ya que no es un buen conductor.
Otros conectores muy usados para enlazar con el altavoz, son los conectores "faston".
Estos se pueden encontrar dentro de la caja acústica, entre las conexiones de la caja y
los filtros y entre los filtros de cruce y los propios altavoces.
Conectores faston macho y hembra para montar
Filtros de cruce. Las redes de cruce se usan para asignar a cada altavoz que compone
el sistema la energía correspondiente en la zona del espectro que ha de cubrir. Cada
altavoz que compone un sistema de varias vías es capaz de cumplir los requerimientos de
calidad y fidelidad sólo en una reducida zona de frecuencia. Por este motivo es necesario
que la salida de cada altavoz fuera de su zona de trabajo sea lo más reducida posible,
este es el trabajo de la red de cruce. Además se debe cuidar el diseño para asegurar que
en las zonas de frecuencia, donde se solapan las respuestas de cada altavoz, la suma de
señales proporcione una respuesta total plana. La red de cruce también ha de adaptarse
al altavoz al que va conectado para que la impedancia del conjunto sea la apropiada para
el amplificador.
En la siguiente figura se ve cómo el filtro de cruce de un sistema de dos vías separa en
dos la señal procedente del amplificador: la señal portadora de bajas frecuencias y la
portadora de las altas frecuencias. De este modo se reparte a cada altavoz la señal que
tiene que reproducir.
Gráfico de una señal antes y después de atravesar un filtro de cruce.
La otra gran ventaja del uso de filtros de cruce es la mejora en el aprovechamiento de la
energía. La energía acústica de un programa normal (música o voz) no se distribuye por
igual en todas las frecuencias, sino que se concentra más en las bajas frecuencias. La
curva de distribución de la energía acústica en un programa musical normal es la
siguiente:
Curva de porcentaje de potencia correspondiente a cada vía en función de la frecuencia
de corte del filtro.
Si se trata de un sistema de dos vías y el filtro de cruce tiene la frecuencia de cruce fijada
en 1000 Hz, al altavoz de graves le corresponderá el 70% de la potencia del amplificador
y al de agudos el 30% restante.
Diseñar sistemas de altavoces donde cada uno es capaz de soportar la potencia máxima
pensada para el conjunto encarece el precio. Los altavoces de medios y de agudos
manejan menos potencia que los altavoces de graves, ya que un programa musical
normal tiene más componentes de baja frecuencia. Además, los altavoces de agudos
tienen un diafragma más ligero, lo que los suele hacer más eficientes. Es decir, que a
igualdad de presión sonora requerida, se deban alimentar con menos potencia.
Si se diseña un sistema de tres vías, y se colocan las frecuencias de cruce en 1200Hz y
5kHz, según la curva de porcentaje de arriba, corresponderá a la vía de graves el 73% de
la potencia, a la de medios el 19% (92 - 73) y a la vía de agudos el 8% (100 - 92) de la
potencia total para una señal musical normal. Si se pretende que el sistema de altavoces
sea de 150W, a cada altavoz le corresponderá la potencia que se indica en la siguinte
tabla:
Altavoz Potencia que corresponde Potencia nominal recomendable
Graves 150W x 0.73 = 109.5 W 125 W
Medios 150W x 0.19 = 28.5 W 35 W
Agudos 150W x 0.08 = 12 W 15 W
La potencia recomendable se fija sumando un margen de seguridad del 10% sobre la
potencia máxima de trabajo. Como los valores obtenidos son poco comunes, se redondea
hacia arriba para aumentar el margen. Actuando de esta forma se obtienen sistemas de
varias vías dimensionados.
Como se ha dicho antes se pueden dar diferencias en las sensibilidades de las distintas
vías. Suele ocurrir que el altavoz de agudos sea más sensible. Este hecho está
contemplado en ciertas redes de cruce, permitiendo añadir una atenuación variable por
pasos a la vía cuya sensibilidad del altavoz es mayor al resto, igualando en nivel, las
respuestas de los diferentes altavoces que componen el sistema. La siguiente figura
representa una de estas redes de cruce:
Rede de cruce de dos vías con atenuación por pasos en la vía de alta frecuencia
Otra forma de realizar ajustes es jugando con las impedancias de los altavoces, sabiendo
que una disminución del 50% en potencia equivale a 3dB menos en la respuesta en
frecuencia.
Estas redes de cruce se implementan mediante circuitos electrónicos basados en
resistencias, condensadores y bobinas. Existen diferentes realizaciones de los mismos,
con mayor y menor calidad, con un control mejor y peor de la fase, de la pendiente de
subida y bajada, del rizado, etc. El estudio pormenorizado de estos circuitos no entra en
los objetivos de este sitio web. En los filtros de cruce son comunes los diseños basados
en el tipo Butterworh y el tipo Linkwitz-Riley.
Basta saber que una red de cruce de dos vías consiste en un filtro paso bajo (vía de
graves) y uno paso alto (vía de agudos). Una red de cruce de tres vías consiste en un
filtro paso bajo, uno paso banda (vía de medios) y uno paso alto. Una red de cuatro vías
implementa un filtro paso bajo, dos paso banda y un paso alto. Otra forma de conseguir el
mismo resultado es combinando filtros de cruce de dos vías, como muestra la siguiente
figura.
Diagrama de bloques de un filtro de cruce de cuatro vías.
Los filtros o redes de cruce se clasifican en dos grandes categorías: alto nivel y bajo nivel.
Filtros de alto nivel son aquellos que trabajan con señal de alto nivel en lo que a tensión
eléctrica e intensidad de corriente se refiere. Es decir, trabajan con la señal que entrega el
amplificador o etapa de potencia. Como a los que que hasta ahora se ha hecho
referencia. Los filtros de alto nivel se colocan entre el amplificador (único) y los altavoces.
Estos filtros están compuestos exclusivamente por elementos pasivos: condensadores,
resistencias y bobonas.
Filtros de bajo nivel son aquellos que trabajan con señal de línea, es decir, de poco voltaje
e intensidad. Estos filtros están construidos con elementos pasivos y activos como
amplificadores operacionales y transistores. Se colocan antes de la amplificación, que
será múltiple (un amplificador por vía). Al ser activos, estos filtros necesitan alimentación
eléctrica para funcionar, como cualquier otro equipo activo. Un sistema con filtros de cruce
activos de tres vías estéreo, requerirá tres amplificadores por canal (izquierdo y derecho),
por este motivo estos filtros se suelen encontrar en grandes instalaciones.
Sistema de alto nivel (izda.) y de bajo nivel (dcha.) con red de cruce de tres vías.
A.P: amplificador de potencia
Aunque las respuestas de transferencia de ambos tipos de filtros han de ser similares, los
filtros de alto nivel tienen el inconveniente de que deben trabajar con la impedancia
compleja del altavoz conectado a su salida y ofrecer una buena impedancia global al
amplificador, por este motivo su funcionamiento nunca es mejor que los de bajo nivel.
Por el uso que se da a los filtros de bajo nivel o activos, pueden permitir ajustes tales
como frecuencias de cruce, ganancia de entrada o atenuaciones en las distintas vías.
Los filtros de cruce para sistemas de baja y media potencia, van insertos en las propias
cajas de los altavoces. Están compuestos por elementos pasivos, como resistencias y
condensadores, por eso se llaman filtros pasivos. Los filtros activos se usan en equipos
profesionales y se insertan antes de los amplificadores.
USO Y CLASES
Esta clasificación es de carácter orientativo y admite múltiples excepciones, tantas como
combinaciones de los elementos arriba expuestos.
1.- Sistemas para escucha en casa. En la mayoría de los casos suelen ser cajas acústicas
de dos o tres vías con red de cruce pasiva o de alto nivel. Suelen ser sistemas de
radiación directa con altavoces electrodinámicos de cono e incorporar puerta bass reflex
de refuerzo de graves.
2.- Sistemas para megafonía. Suelen usarse altavoces de radicación indirecta (bocinas)
cuando hay pocos puntos de radiación, o altavoces electrodinámicos de cono distribuidos
cada pocos metros. En este caso se llaman difusores y suele ser común encontrarlos
empotrados en el falso techo.
3.- Sistemas para refuerzo sonoro. Pueden combinar sistemas centralizados y
distribuidos. Por ejemplo, una pareja de altavoces de gran potencia a los lados del
escenario y varios difusores o altavoces de pequeña potencia distribuidos por el patio de
butacas.
4.- Sistemas de espectáculos. Compuestos por varias vías, donde las vías de medios
puede ser de radiación indirecta. Los filtros de cruce son activos de bajo nivel. Según la
potencia necesitada se pueden organizar en columnas, arrays o en clusters.
5.- Sistemas de monitorado. Los más comunes son las cuñas auto amplificadas que se
ven a los pies de los interpretes en los escenarios, compuestas por altavoces de radiación
directa de cono.
6.- Monitores de estudio. Presentan un diseño acústico cuidado que permita una
respuesta en frecuencia plana, dentro de la zona de trabajo. Tienen varias vías.
Actualmente están teniendo mucha difusión los sistemas auto amplificados.
Monitor de estudio Event 2020 auto amplificado
COMO DEBEMOS PROCEDER EN LA CONSTRUCCION DE UNA CAJA ACÚSTICA
Los Subwoofers requieren para su perfecto funcionamiento, ser instalados en cajas
acústicas adecuadas a sus características.
La caja acústica permite al alto-parlante trabajar en condiciones ideales, reproduciendo
los sonidos con eficiencia y calidad, sin riesgos de daños por exceso de excursión.
Una caja acústica correctamente proyectada y construida, realza la performance del
subwoofer, aumentando la intensidad del sonido, obteniendo un control de excursión y
una buena respuesta.
Para diseñar y posteriormente construir una caja acústica, existen algunos cuidados que
deben ser observados.
1- Escoger la caja acústica adecuada, observando sudas características y dimensiones.
2- Calcular las dimensiones da caja, llevando en cuento sudas dimensiones internas y
también el volumen ocupado por el parlante.
La fórmula para el cálculo de las dimensiones es:
Vol. (litros) = (Altura(cm) x Largura(cm) x Profundidad(cm)) / 1000.
3- La forma geométrica de una caja acústica puede influenciar en su respuesta de
frecuencia y rendimiento. Esto ocurre debido la formación de ondas estacionarias, las
cuales provocan desfasajes y cancelamientos de frecuencias. Para evitar la formación de
ondas estacionarias, deben ser evitadas medidas iguales o múltiplas para la altura,
largura y profundidad y si posible utilizar paredes no paralelas. Podemos citar como
ejemplo una caja del tipo cubo, ésta no sería una buena caja, ya que posee ángulos
iguales y paredes paralelas. Mientras una caja trapezoidal estaría próximo al ideal.
4- Utilizar aglomerado o fenólico de espesor mínima de 15 mm, porque cuánto mas rígida
es la estructura de la caja, menores serían las distorsiones causadas por vibraciones. El
uso de materiales del tipo anti-ruido (utilizado para revestir chasis de automóviles y el uso
de refuerzos internos en las juntas de los paneles opuestos ayudan la mantener una
buena estructura de la caja.
5- El secreto de una caja son dos items muy comprometedores para un buen
funcionamiento
a)Para un perfecto hermetismo se debe utilizar silicona en los cantos donde puedan existir
vibraciones.
b)El área reservada para el apoyo del parlante puede también presentar vibraciones, esto
pode ser evitado con la aplicación de silicona o masilla donde pueda haber contacto del
parlante con la madera.
6. El uso de revestimiento disminuye el problema de resonancias internas, porque éstas
aumentan el factor de amortiguación de la caja acústica. Para ello podemos utilizar
materiales como lana de vidrio el espuma de poliéster.
7- La caja de un subwoofer, puede ser colocada en cualquier lugar del vehículo, debido a
la propiedad no direccional de las bajas frecuencias mientras que el parlante (y el ducto,
en el caso de cajas sintonizadas y pasabanda) deben mantener una distancia mínima de
5 cm de cualquier material que pueda obstruir el paso del sonido.
Ejemplo de Caja para Super Woofer
CAJA SELLADA
VOLUMEN DIMENCIONES
INTERNAS
LITROSLarg.(Cm.) x Alt.(Cm.)
x Prof.(Cm.)
25 47 x 30 x 18
Caja con Ducto
VOLUMEN DV LVDIMENCIONES
INTERNAS
LITROS cm/pol cmLarg.(Cm.) x Alt.
(Cm.) x Prof.(Cm.)
40 7.5/3" 13,3 50 x 35 x 23
Bibliografía consultada:
- ¿Qué quieres saber de la Ciencia?. El ruido. Tomo 2, pág. 64. Editorial Océano, 1982. -
FISICA, Resnick-Halliday, C.E.C.S.A.
- COSMOS, Carl Sagan. Ed. Planeta, 7ma. Edición, 1983. Bibliografía referida al ruido en
los océanos y la imposibilidad de la comunicación sonora de las ballenas. Pág. 271, línea
6 hasta pág. 272, línea 36.
- LA CIENCIA DE LA BIOLOGIA, Weisz, Paul. Ed. Omega.
