INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN ALTAVOCES T E S I N A

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN ALTAVOCES T E S I N A QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA PRESENTAN: ROSA LAURA BUENO JIMÉNEZ DANIEL TÉLLEZ LEÓN ASESORES: ING. LUÍS GERARDO HERNÁNDEZ SUCILLA ING. SERGIO VÁZQUEZ GRANADOS MÉXICO D.F. ABRIL DE 2008

2 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN TESINA ALTAVOCES QUE GENERA EL TÍTULO: POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN: DENOMINADO: DEBERÁN DESARROLLAR: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA SEMINARIO TÉCNICAS DE GRABACIÓN Y REPRODUCCIÓN DEL SONIDO VIGENCIA: FNS30697/11/2007 ROSA LAURA BUENO JIMÉNEZ DANIEL TÉLLEZ LEÓN ALTAVOCES INTRODUCCIÓN CAPÍTULO 1 ALTAVOCES CAPÍTULO 2 TIPOS DE ALTAVOCES CAPÍTULO 3 MULTIVÍAS CAPÍTULO 4 REDES DE FILTRO CAPÍTULO 5 BAFLES CAPÍTULO 6 TIPOS DE CAJAS CAPÍTULO 7 ARREGLO DE BAFLES CAPÍTULO 8 PROYECTO LINE ARRAY CONCLUSIONES MÉXICO, D.F. ABRIL DE 2008 A S E S O R E S: ING. LUÍS GERARDO HERNÁNDEZ SUCILLA ING. SERGIO VÁZQUEZ GRANADOS M. EN C. HÉCTOR BECERRIL MENDOZA JEFE DE LA CARRERA DE INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELETRÓNICA

3 AGRADECIMIENTOS Rosa Laura Bueno Jiménez Doy gracias a Dios por permitirme formar parte de una familia unida, que me quiere y me apoya en todo momento. Dedico este proyecto a las personas más importantes de mi vida. MIS PADRES Quienes han sido y serán siempre pieza fundamental en mi desarrollo tanto profesional como personal, por que siempre han tenido una palabra de aliento, un consejo y por que simplemente son todo para mí. A MIS HERMANOS Quienes son una inspiración para nunca dejarme caer y siempre lograr mis objetivos; a los que espero que éste proyecto sirva de aliento en sus vidas y que siempre apoyaré en sus decisiones. A DANIEL Mi novio, también le dedico este trabajo y le agradezco su enorme e incondicional apoyo, cariño y comprensión. A MIS PROFESORES De los que me llevo los mejores recuerdos, enseñanzas y amistades, pues formaron parte de mi crecimiento profesional y personal. A LA INSTITUCIÓN De la cual tuve la fortuna de pertenecer y que ahora dejo con nostalgia.

4 Daniel Téllez León A mi Madre y Hermana Que son las personas más importantes y valiosas que tengo, porque siempre han estado conmigo, gracias por todo su apoyo incondicional, cariño, comprensión, y esas palabras de aliento que en su momento necesite. A mi Tío Miguel Que siempre fue como un padre para mí, una guía, un ejemplo a seguir, por sus consejos, su apoyo moral y económico y sobre todo por formar parte de mi familia. A mi Tía Verónica Por todos y cada uno de sus consejos que me ayudaron en todo momento a darle el sentido y caminar por el camino correcto para así lograr mis metas. A mi Abuelita Cristina Por su cariño, brindarme amor maternal, y su apoyo en cada momento. A mis Primos Miguel Ángel, que gracias a su consejo escogí, esta carrera que me ha dado miles de satisfacciones, a Iván y a Héctor, que son muy importantes en mi vida, por ser siempre incondicionales. A Laura Una de las personas que adoro y amo, y que forma parte fundamental en mi vida, gracias por tu cariño, apoyo incondicional y por tu tolerancia, en este trabajo. Y por tener una familia tan bonita. A Lic. Pedro Ponce Hernández Gracias por todo su apoyo incondicional, por confiar en mí y por haberme dado todas las facilidades, para poder llevar acabo parte de este trabajo a la práctica. A Manuel Reyes Que gracias a ti, elegí la especialidad de acústica, la cual me ha llenado de alegría. Por todo tu apoyo y por siempre ser muy servicial conmigo y un buen amigo.

5 ÍNDICE Capítulos 1 ALTAVOCES 1-1 Definición 1-2 Constitución 1-3 Partes 1-4 Funcionamiento 1-5 Características 1-6 Clasificación en función del transductor electromecánico 1-7 Parámetros característicos, analogía eléctrica y mecánica 1-8 Conexión 1-9 Clasificación Página TIPOS DE ALTAVOCES 2-1 Electrodinámico 2-2 Electroestático 2-3 Piezoeléctrico MULTIVÍAS 3-1 Sistema de altavoz único 3-2 Sistema de 2 vías 3-3 Sistema de 3 vías 3-4 Disposición de altavoces 1, 2 y 3 vías REDES DE FILTRO 4-1 Filtros 4-2 Condensadores 4-3 Inductores 4-4 Fabricación de bobina (gráfica y tablas) hi fi 4-5 Agrupamientos de condensadores, inductancias y resistencias 4-6 Características de un filtro 4-7 Desfase acústico

6 5 4-8 Redes de separación 4-9 Filtro de 2 vías 4-10 Filtro tipo t y π 4-11 Filtro de 3 vías BAFLES 5-1 Bafles 5-2 Bafles cerrados 5-3 Bafles abiertos 5-4 Túnel de ajuste 5-5 Elección de los materiales TIPOS DE CAJAS 6-1 Caja cerrada 6-2 Caja bass réflex 6-3 Caja con radiador pasivo 6-4 Caja de carga simétrica 6-5 Caja RJ 6-6 Caja cuarto de onda 6-7 Caja Jensen 6-8 Caja jensen con pabellón 6-9 Caja con pabellón ARREGLOS DE BAFLES 7-1 Arreglos verticales 7-2 Arreglos horizontales 7-3 Tipos 7-4 Interacción 7-5 Cobertura 7-6 Ángulo de cobertura 7-7 Sistema de refuerzo sonoro 7-8 Columnas 7-9 Clusters 7-10 Line array

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

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

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

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

11 1 ALTAVOCES 1-1 DEFINICIÓN Un altavoz es un dispositivo transductor que convierte señales eléctricas en ondas de presión, y densidad sonora. 1-2 CONSTITUCIÓN La transformación de energía eléctrica en ondas sonoras no se lleva a cabo directamente, sino que en realidad los altavoces transforman la energía eléctrica en mecánica y, en un segundo paso, la energía mecánica en energía acústica. Atendiendo a estas características, podemos dividir los órganos constituyentes de un altavoz en las siguientes partes: Parte electromagnética: constituida por el imán y la bobina móvil. En esta parte la energía eléctrica llega a la bobina móvil situada dentro del campo magnético del imán y por tanto se produce el movimiento de la bobina móvil. Parte mecánica: constituida por el cono y su suspensión. Sobre el cono está montada la bobina móvil, la cual, al moverse, arrastra al primero haciéndolo vibrar. Parte acústica: es la que transmite al recinto de audición la energía sonora desarrollada por el cono. 1-3 PARTES Principalmente son cuatro partes fundamentales de los altavoces, las cuales varían según la construcción y la utilización además de la aplicación. La bobina móvil: es de un hilo muy fino, bobinado alrededor de un núcleo cilíndrico y rodeado de un imán concéntrico a dicho núcleo, componiendo todo ello una sola pieza magnética. La intensidad de corriente eléctrica que llega a dicha bobina proviene de la salida del amplificador y crea en ella un campo magnético que refuerza o disminuye el campo magnético permanente que rodea la bobina, haciendo que esta se desplace con una fuerza proporcional a la intensidad de la corriente eléctrica que le llega del amplificador. La bobina va pegada a una suspensión elástica (llamada araña), de modo que solamente pueda moverse en sentido axial, constituida por una espiral de baquelita o tela impregnada en resinas. La bobina va unida al cono. 1

12 Bobina móvil Cono Imán Estructura o soporte Fig Partes fundamentales de un altavoz. Imán: produce un campo magnético constante dentro de una cámara de aire o entrehierro. Cono: el cono generalmente está fabricado a base de cartones tipo fibrosos, o de resinas como el poliuretano. En altavoces de reproducción de sonidos agudos, el cono también suele construirse de materiales plásticos, con formas semiesféricas en lugar de cónicas, para ofrecer una mayor rigidez. Estructura o soporte: todo el conjunto va sujeto mecánicamente a un soporte de metal llamado armadura, que va unida al cono mediante unas uniones elásticas que permiten el movimiento central del cono, el cual posee un soporte más llamado centrador, de un material parecido al del propio cono, que hace que este no se pueda mover lateralmente. 1-4 FUNCIONAMIENTO La parte motora u órgano que transforma la energía eléctrica en energía mecánica de un altavoz electrodinámico, está compuesta por un imán permanente cuyo núcleo se introduce en parte dentro de una bobina móvil. El principio de funcionamiento es como sigue: la bobina se conecta a la salida del amplificador de potencia, con lo cual circula por ella una corriente alterna variable en frecuencia y en amplitud, según la onda acústica grabada en el disco o cinta. Alrededor del hilo de la bobina se produce pues un campo magnético cuya polaridad y fuerza es proporcional a la corriente que lo atraviesa. Dado que la bobina se encuentra situada dentro del campo magnético de un imán permanente, se obtiene una fuerza F proporcional al producto B*L*I, donde B es el flujo magnético en el entrehierro, L es la longitud del hilo que está dentro del entrehierro, I es la intensidad de corriente que circula por la bobina. 2

13 De acuerdo con lo expuesto, cuanto mayor sea el número de espiras de la bobina mayor será el desplazamiento de ésta. Dado que la polaridad del imán permanente no cambia, la bobina móvil se sentirá atraída o repelida por el imán permanente, produciéndose la vibración de la bobina hacia adelante o hacia atrás de acuerdo con la corriente modulada aplicada. La bobina arrastra en su movimiento al cono, produciendo éste las compresiones y depresiones del aire en una y otra cara de él, y por lo tanto ondas acústicas son capaces de activar nuestro oído. Para que el funcionamiento del altavoz sea correcto es importante que se mantenga constante el producto B*L*I, es decir que el número de espiras dentro del entrehierro sea constante. Este punto es de especial importancia en la reproducción de bajas frecuencias, ya que es cuando más desplazamiento se exige al altavoz. Efectivamente, supongamos un sistema motor de altavoz en posición de reposo, es decir, en ausencia de señal. Si a este sistema motor se le aplica una señal senoidal procedente de la salida de un amplificador, y esta señal no es de amplitud excesiva, la bobina se desplazará hacia afuera en el primer semiperíodo, pero siempre habrán espiras dentro del entrehierro del imán permanente, por lo que no se producirá distorsión alguna. Si la señal proporcionada por el amplificador es más fuerte, la bobina saldrá total, o casi totalmente, del entrehierro, con lo cual el número de espiras dentro del campo magnético del entrehierro será nulo o casi nulo, produciéndose en consecuencia un recorte del semiperíodo, puesto que una vez fuera la bobina, ésta suspende su movimiento al no existir campo magnético que la influya. En consecuencia, nos encontramos con una distorsión debida a la falta de linealidad del producto B*L*I. Para evitar lo expuesto puede preverse una bobina móvil lo suficientemente larga como para evitar que salga totalmente del entrehierro, y de esta forma siempre habrá un número fijo de espiras dentro del campo magnético. Esta solución tiene sin embargo el inconveniente de que las espiras de la bobina que no se encuentren dentro del campo magnético actúan como resistencia pura en serie con las que sí lo están, disminuyendo el rendimiento del altavoz. Un altavoz magnético funciona al hacer reaccionar el campo magnético variable creado por una bobina con el campo magnético fijo de un imán. Esto hace que se produzcan fuerzas, que son capaces de mover una estructura móvil que es la que transmite el sonido al aire. Esta estructura móvil se llama diafragma, puede tener forma de cúpula o de cono. A su vez, esta estructura móvil está sujeta por dos puntos mediante unas piezas flexibles y elásticas que tienen como misión centrar al altavoz en su posición de reposo. Partimos de la existencia de un campo magnético permanente creado por un imán fijo, que además va a tener su cara "sur" enfrentada a una bobina móvil. 3

14 Un grupo de espiras, formadas por un conductor eléctrico enrollado alrededor de un cilindro que tiene la capacidad de moverse en la dirección longitudinal, producen un campo magnético variable cuando la corriente del amplificador lo atraviesa y este campo magnético reacciona ante otro fijo. Esta corriente es la representación eléctrica del sonido, la señal eléctrica que queremos reproducir, y hace que el bobinado (y en consecuencia el diafragma) reaccione contra el campo magnético fijo producido por el imán. Esto es, si la corriente que entra es positiva, la bobina adquiera polaridad "sur" y se va a sentir repelida por el imán fijo, si la corriente que entra en la bobina, por el contrario es negativa, la bobina adquiere polaridad "norte" y sentirse atraída por el imán fijo. Un pulso positivo debe producir que el cono se desplace hacia fuera y uno negativo hacia dentro. Cuando el diafragma se desplaza, como resultado de ser propulsado por el imán fijo, produce cambios de presión del aire que percibimos como sonido. 1-5 CARACTERÍSTICAS Se ha visto anteriormente el principio de funcionamiento de un altavoz, prestando especial atención a los altavoces electrodinámicos por ser los más utilizados. Esto nos ha permitido comprender que la calidad de cada elemento que los compone determina las características del mismo. Para elegir el altavoz adecuado debemos estudiar las características que brindan los fabricantes y actuar en consecuencia, según nuestra necesidad. Las características técnicas más importantes de un altavoz podemos resumirlas en las siguientes: Impedancia Frecuencia de resonancia Respuesta de frecuencia Potencia admisible Potencia mínima Directividad Distorsión Rendimiento Sensibilidad Resistencia de la bobina móvil Campo magnético del imán permanente Eficacia Fase 4

15 Impedancia La impedancia de un altavoz depende del tipo y de su forma constructiva. Los factores determinantes de la impedancia de un altavoz son: La resistencia óhmica del hilo de la bobina móvil, dependiente de la longitud, sección y material del hilo, y que se calcula por la fórmula: l R = ρ s siendo R la resistencia de la bobina, ρ la resistividad del material utilizado, l la longitud del hilo y s la sección del hilo. La reactancia inductiva de la bobina móvil, dependiente de la frecuencia aplicada y del coeficiente de auto inducción de la misma, según la fórmula: X L = 2πfL en donde XL es la reactancia inductiva, f es la frecuencia aplicada y L el coeficiente de autoinducción. Las corrientes inducidas en la bobina móvil, a causa de sus desplazamientos dentro del campo magnético de excitación del imán permanente. Este tercer factor es el más difícil y delicado de mantener constante, pues como la bobina móvil arrastra en su movimiento al diafragma y a la masa de aire que lo rodea, dichos desplazamientos estarán condicionados por la forma constructiva del altavoz (masa del diafragma, elasticidad de suspensión, volumen de aire de la caja acústica, etc.). Los fabricantes de altavoces procuran que el diseño de los mismos afecte lo menos posible a la impedancia, ya que una variación de dicha impedancia provoca una variación de la recta de carga del transistor amplificador de salida y, como consecuencia de todo ello, un aumento de la distorsión. De todas formas, es prácticamente imposible que, dentro de la gama de baja frecuencia de audio, la impedancia del altavoz se mantenga constante para todas las frecuencias. Es por ello por lo que los fabricantes de altavoces indican la impedancia de los mismos para una frecuencia dada, y ya preestablecida internacionalmente, cuyo valor es de 1000 Hz. Para esta frecuencia, la impedancia de los altavoces electrodinámicos oscila entre 2 y 8 Ω, según diseño, siendo los valores más usuales los de 4 y 8 Ω a 1000 Hz. La impedancia del altavoz no sólo depende de su principio de funcionamiento, sino también de su forma constructiva y los materiales empleados. 5

16 Se mide en ohmios y no es la resistencia pura que se pueda medir con un óhmetro, sino la combinación de una parte inductiva de la bobina y otra capacitiva, de ahí la denominación de impedancia. Aunque el factor más importante para la impedancia es la bobina móvil, debido a la resistencia eléctrica del hilo, también influyen factores como la caja acústica o alojamiento del altavoz, por influir en la respuesta a la frecuencia del mismo. La impedancia del altavoz se debe a que en la bobina se producen dos efectos: una acción electromagnética que hace que se mueva cuando es recorrida por corriente; este movimiento provocará un efecto secundario ya que al moverse dentro de un campo magnético se inducirá en ella una tensión y circulará una corriente entendiéndose que este es un efecto resistivo. Esta tercer componente es la más difícil de mantener constante ya que, en su movimiento, la bobina móvil arrastra al cono, razón por la cual el movimiento dependerá de la forma constructiva de la bocina. Si bien es conveniente que el altavoz tenga impedancia constante en toda la gama de audio para no modificar la recta de carga del transistor de salida del amplificador, esto es imposible. La impedancia de un altavoz no es constante: varía con la frecuencia. En frecuencia alta, la impedancia es proporcional a la frecuencia. En la frecuencia baja o de resonancia la impedancia aumenta bruscamente. Resonancia del altavoz Impedancia altavoz Impedancia bobina Fig Curvas características de la impedancia en función de la frecuencia para altavoces de 5, 8 y 15 de diámetro del diafragma. La impedancia de un altavoz se mide a una frecuencia de 1000 Hz. En el caso de los altavoces para bajas frecuencias, la impedancia se mide a 400 Hz y en altavoces de alta frecuencia es usual medirlas a 4000 Hz. 6

17 Los valores comunes de impedancia son: 2, 4, 8 Ω. Todos estos valores se especifican para una frecuencia elegida internacionalmente en 1000 Hz. La impedancia proporciona el dato de la presión sonora generada por la bocina en función de la frecuencia. Respuesta en frecuencia RELACIÓN ENTRE IMPEDANCIA Y RESISTENCIA Resistencia 2,5 a 3,5 5 a 7 10 a a 23 Impedancia Tabla 1.1. Relación de valores entre impedancia y resistencia. La curva de respuesta de frecuencia es una de las características más importantes de los altavoces, pues mediante ella podemos conocer la intensidad sonora proporcionada por el altavoz para cada una de las frecuencias de audio que debe reproducir, es decir, se trata de la curva característica intensidad sonora en función de la frecuencia. Se denomina así, a la gama de frecuencias que un altavoz es capaz de reproducir con un nivel aceptable de eficacia y distorsión. Como ejemplo de esta característica, se ve en la figura 1-3, como varía la respuesta de un altavoz a las caídas de señal, partiendo desde los 0 db y en caídas de -3, -6 db o mayores de la señal de sonido. Fig Respuesta en frecuencia. Dichas variaciones en señal representan el margen de frecuencia que el altavoz va a reproducir. Así podemos ver en el ejemplo, cómo a una pérdida de -3 db, el margen de frecuencias será de entre 130 y 10,000 Hz, mientras que si aumentamos las pérdidas la gama de frecuencias aumentará, hasta reproducir una gama de ente 60 y 18,000 Hz con una pérdida de amplitud del orden de -12 db. Para darnos cuenta de qué clase de margen sería el mejor, sólo decir que el cercano a los 0 db es el elegido por los mejores fabricantes de altavoces para equipos del mercado, teniendo en cuenta que desarrollarán un altavoz para cada grupo principal de frecuencias, ya sean agudos, graves y medios u otras separaciones intermedias. 7

18 Para levantar la curva de respuesta en frecuencia se suministra al altavoz una señal de igual potencia y frecuencia variable; luego se mide la potencia sonora generada por dicho altavoz llevando los valores obtenidos a un cuadro. Con estos datos se construye la curva de presión sonora en función de la frecuencia. Otros métodos modernos utilizan un graficador para obtener la curva de respuesta en frecuencia del transductor electroacústico. En la curva de la figura 1-2, se observan las variaciones de la presión sonora proporcionada por el altavoz para una misma potencia de entrada y a distintas frecuencias. Notándose la variación en la respuesta en frecuencia; así por ejemplo, mientras que para 100 Hz la presión sonora es de 17 db, para 1000 Hz vale 28 db. El máximo, que se encuentra en la zona de bajas frecuencias, corresponde a las "frecuencias de resonancia" del altavoz. En el extremo superior se encuentra la frecuencia de corte, correspondiente a la máxima frecuencia que es capaz de reproducir esta unidad. A lo largo de la gráfica hay varias oscilaciones, pero estas no son importantes mientras la diferencia en la presión sonora no supere los 12 db, aproximadamente, y no existan diferencias considerables entre picos y vales cercanos (el crecimiento o decrecimiento debe ser gradual). A la zona comprendida por las señales que no provocan una variación en la presión sonora superior a los 12 db se le llama "centro del rango". La frecuencia de corte será aquella para la cual la intensidad sonora cae aproximadamente 3 db del centro de la banda. Si en el centro del rango hay algún pico de más de 5 db, provocará un sonido chillón; si hay varios picos de este valor, el sonido será hueco, mientras que si hay un valle pronunciado, el sonido emitido será "vacío" o sin vida. Como es imposible conseguir un altavoz que posea respuesta plana en toda la banda de ruido, se recurre a la utilización conjunta de 2, 3 o más altavoces que trabajen en distintos centros de rango para cubrir todo el espectro. Frecuencia de resonancia La frecuencia de resonancia de un altavoz es la frecuencia material de vibración del diafragma y de la bobina móvil. Si a un altavoz se le aplica un impulso eléctrico que separe la bobina móvil y el diafragma de su posición de equilibrio, y dicho impulso se corta bruscamente, la bobina móvil y el diafragma oscilarán con una cierta frecuencia fija, de amplitud de onda decreciente, hasta recuperar su posición de equilibrio. Dicha frecuencia es la frecuencia de resonancia del altavoz. Esta frecuencia es de suma importancia, pues marca el límite inferior de la curva de respuesta del altavoz, es decir, el altavoz es inoperante para frecuencias inferiores a la de resonancia. 8

19 En la figura 1-2 puede ver la curva de impedancia de un altavoz en función de la frecuencia, y en la que se ha señalado la frecuencia de resonancia del mismo. La frecuencia de resonancia depende, esencialmente, de las características constructivas del altavoz, tales como el sistema mecánico de montaje, masa del cono, carga acústica, etc. El valor de frecuencia para la cual la impedancia es máxima, se denomina frecuencia de resonancia. Cuanto menor es el diámetro del altavoz mayor es la frecuencia que necesita aplicársele para que su impedancia sea máxima. Entre los factores que influyen sobre la frecuencia de resonancia cabe destacar el diámetro del diafragma, de tal forma que podemos decir que la frecuencia de resonancia es inversamente proporcional al diámetro del diafragma. Cuanto menor es el diámetro del diafragma mayor será la frecuencia de resonancia del altavoz. Pero no sólo el diámetro del diafragma afecta a la frecuencia de resonancia; también la rigidez del diafragma influye sobre el valor de la frecuencia de resonancia. Así, un diafragma muy rígido tiene una frecuencia de resonancia más elevada que un diafragma ligero. También el sistema de suspensión del diafragma influye sobre la frecuencia de resonancia. Cuanto más fuerte sea la suspensión del diafragma, mayor será la frecuencia de resonancia. Es la frecuencia "mecánica" de resonancia (frecuencia de vibración del material) de la bobina móvil y el cono o diafragma. Para conocerlo se aplica un impulso de tensión a la bobina móvil; al quitarlo, el cono vibrará a su frecuencia de resonancia. La importancia de este dato radica en que marca el límite inferior de la curva de respuesta en frecuencia del altavoz. La frecuencia de resonancia se determina fácilmente a partir de la curva de variación de la impedancia del altavoz con la frecuencia, ya que produce un máximo de impedancia. La frecuencia de resonancia depende del sistema mecánico de montaje, del material de construcción del cono, del sistema de suspensión utilizado, del diámetro del diafragma, etc. La frecuencia de resonancia varía en relación inversa al diámetro del cono. Por ejemplo un altavoz de 5" de diámetro (12.5 cm) tendrá una frecuencia de resonancia mayor que uno de 12" (30.5 cm) de iguales características. Asimismo, un altavoz con cono construido con material rígido tendrá una frecuencia de resonancia superior que otro cuyo diafragma es ligero. Una suspensión fuerte aumentará la frecuencia de resonancia del altavoz. 9

20 La tabla 1.2 muestra la frecuencia para distintos tamaños de cono. Diámetro Frecuencia de Resonancia 8 pulgadas 60 a 150 Hz 12 pulgadas 30 a 85 Hz 15 pulgadas 25 a 55 Hz 18 pulgadas 20 Hz 30 pulgadas 15 Hz Tabla 1.2. Frecuencia de resonancia en relación al diámetro del altavoz. Directividad La directividad de un altavoz se suministra a partir de sus diagramas polares. Su respuesta no es omnidireccional y posee características bien definidas. La energía acústica proporcionada por un altavoz no es enviada omnidireccionalmente al espacio, sino que se envía en todas las direcciones según unas características de direccionalidad bien determinadas. Para conocer la direccionalidad de un altavoz se recurre a los diagramas polares de directividad. Las curvas de directividad se trazan para diversas frecuencias, ya que a medida que crece la frecuencia, para un mismo diafragma, el altavoz se hace más directivo. Algunos fabricantes ofrecen además la curva de directividad con la pantalla inclinada de 15 a 300, con lo que es posible conocer el nivel que se pierde al separarse del eje central del altavoz. Generalmente se suministran varias curvas para distintas frecuencias, pues a medida que aumenta la frecuencia del altavoz se hace más directiva. Si no especifica lo contrario, se supone que la cara del altavoz apunta a la posición 0. 10