Partes de un altavoz

Transcripción

1 Partes de un altavoz Suspensión Bóveda Cono Araña Bobina móvil Imán 1

2 Transducción Tensión [e] Fuerza Velocidad Bobina Cono Aire [f] [u] Presión [p] Electro-mecánica Mecánico-acústica Electro-acústica 2

3 Electro-mecánica Una fuerza aplicada a un conductor en un campo magnético produce corriente f = Bli Un conductor moviéndose en un campo magnético produce tensión e = Blu B: intensidad de campo magnético l: longitud del conductor f: fuerza u: velocidad i: corriente e: tensión e i Bl:1 f u 3

4 El cono y su suspensión forman un sistema mecánico resonante a cierta frecuencia Dicho sistema es análogo a un circuito resonante eléctrico El resonador mecánico puede analizarse mediante técnicas de análisis de circuitos 4

5 f(t) Resonador mecánico C M R u(t) f = Ma f(t) 1 C x(t) Rẋ(t) =Mẍ(t) f(t) 1 C u(t) Ru(t) =M u(t) F (ω) =U(ω) ( ) 1 jωc + jωm + R 5

6 Resonador eléctrico i(t) C L e(t) R I(ω) E(ω) = 1 R + jωl + 1 jωc 6

7 Analogía mecánico- eléctrica f(t) C M R u(t) La función de transferencia del resonador mecánico es análoga a la de los circuitos eléctricos siguientes f(t) u(t) M C M u(t) C R f(t) R 7

8 1 R + jωl + 1 jωc f 0 = 1 1 2π LC Q =2πf 0 L R Nivel relativo (db) Resonador mecánico simple Respuesta de una resonancia serie RLC Q=0.1 Q=0.2 Q=0.5 Q=0.7 Q=1 Q=2 Q=5 Q=10 20 db/década f/f0 (Hz) 8

9 Radiación de un pistón en una pantalla 10 1 Impedancia de radiacion de un piston en una pantalla R A M X A R Z M /πa 2 ρ 0 c db/decada M aire = 8a3 ρ 0 3 R A =1 J 1(2ka) ka k = 2π λ ka 9

10 La parte resistiva R A es la que transmite potencia al aire Dicha parte es pequeña en frecuencias bajas y constante en altas La transducción en potencia es equivalente a la de un condensador en serie con una resistencia La característica paso-alto puede compensar la resonante del cono. Resulta una respuesta plana entre f 0 y 2ka 10

11 Altavoz electrodinámico Pantalla R E L E C MS R MS M MS S D Imán Cono Impedancia de radiación M A R A Bl Respuesta plana desde f 0 a 2ka típico 2ka = 10 f 0 11

12 Circuito equivalente i R E L E Bl:1 f 1:S p M A e C MS M MS R MS R A R E, L E : resistencia e inductancia de la bobina móvil B : intensidad de campo del imán l: longitud de la bobina C MS, M MS, R MS : masa y suspensión del cono S : superficie del cono M A, R A : impedancia de radiación 12

13 Directividad 0 0 db 0 0 db 10 db 10 db 20 db 20 db 90 ka = 1 DI = 3.8 db ka = 2 DI = 5.9 db db 0 0 db 10 db 10 db 20 db 20 db 90 ka = 3 DI = 9.3 db ka = 4 DI = 12.3 db db 0 0 db 10 db 10 db 20 db 20 db 90 ka = 5 DI = 14.1 db ka = 10 DI = 20 db 90 La directividad extiende el margen de frecuencias útiles 13

14 Índice de directividad según la frecuencia DI (db) Directividad de un piston circular en una pantalla 20 db/década ka 100 Ancho de lobulo 80 θ 3 ( ) ka Se puede extender el margen de frecuencias a ka>2 Para ka>3 (DI>10) el ancho de lóbulo es reducido Para ka>3 las tolerancias de fabricación son muy exigentes 14

15 Máxima frecuencia útil con altavoz de cono Diámetro (mm) DI = 6 db DI = 10 db Hz 820 Hz Hz 1010 Hz Hz 1313 Hz Hz 1650 Hz Hz 2190 Hz 15

16 Pantallas Un altavoz es eficaz en 1 década de frecuencias Se requieren de 2 a 3 altavoces para el margen de 20 a Hz Deben montarse en pantallas (sin radiación posterior) Hay que separar la señal eléctrica en varias vías: LF, MF y HF 16

17 Altavoz electrodinámico de bóveda λ min = h 2 Pantalla f max = c 2h Imán h Bóveda A frecuencias altas es difícil usar conos para h= 10 mm, f max = Hz 17

18 Cápsula de un micrófono electrodinámico 18

19 Despiece de un micrófono electrodinámico bobina imán membrana 19

20 Despiece de un micrófono electrostático placa membrana 2 membrana 1 20

21 Transducción Presión Gradiente [p] [ p] Aire Velocidad [u] Membrana Velocidad Posición [u] [x] Bobina Condesador Tensión [e] Acusto-mecánica Mecano-eléctrica Acusto-eléctrica 21

22 Opciones Transducción acusto-mecánica De presión De gradiente de presión Transducción mecano-eléctrica Electrostática Electrodinámica 22

23 Micrófono de presión La presión actúa en un lado de la membrana Omnidireccional salvo a frecuencias altas Orificio capilar de compensación barométrica Tipos más comunes: Caja Electrostático electret Electrodinámico Membrana Capilar 23

24 Electrostático de presión C C = ε S h Membrana Placa E 0 R E = Q C Tubo capilar E E = Q εs h Transforma posición en tensión, si la carga es constante Necesita una impedancia de carga muy elevada 24

25 Transducción Aire-fuerza en la membrana: F = S.p Velocidad de la membrana: U(ω) = 1 jωc m F (ω) + jωm + R Desplazamiento: Tensión en el condensador: Se requiere que: X(ω) = U(ω) jω E(ω) =KX(ω) U(ω) jωc m F (ω) Membrana muy tensa 25

26 Dimensiones típicas Diámetro: 12.7 mm Separación: 20 µm Desplazamiento a 1 Pa (94 db): 10 nm Capacidad: 35 pf Tensión de polarización: 48 V Sensibilidad: 10 mv/pa 26

27 Resumen Elevada sensibilidad Frágiles Muy lineales Requieren polarización V Requieren impedancias de entrada elevadas 27

28 Electret V+ Placa Cápsula Salida Membrana Electret Tierra Emplean una lámina de plástico con carga permanente, por lo que no requieren polarización Necesitan alimentación para el adaptador de impedancias 28

29 Electrodinámico de presión Rejilla protectora Membrana Suspensión Bobina Carcasa Imán Una bobina se mueve solidariamente con la membrana El movimiento en un campo magnético genera corriente en la bobina 29

30 Transducción Aire-fuerza en la membrana: F = S.p Velocidad de la membrana: U(ω) = 1 jωc m F (ω) + jωm + R Tensión en la bobina: Se requiere que: E(ω) =BlU(ω) U(ω) (1/R)F (ω) Membrana muy amortiguada Introducción de resonancias en altas y bajas frecuencias 30

31 Igualación acústica Cámara de aire secundaria - Sintonizada a frecuencias altas Mejora la respuesta en AF Cierre de seda - Introduce rozamiento Aplana la respuesta en frecuencia Cámara de aire principal Tubo capilar - Sintonizado con la cámara de aire principal Produce resonancia en BF 31

32 Dimensiones típicas Campo B: 1.5 T Longitud bobina: 10 m Radio bobina y membrana: 9 mm Desplazamiento a 1 Pa (94 db): 20 nm Sensibilidad: 2 mv/pa 32

33 Resumen Menor sensibilidad Robustos Menos lineales No requieren polarización No requieren alta impedancia de carga 33

34 34

35 Micrófono de gradiente de presión La presión actúa por ambos lados de la membrana Responden a diferencias de presión Son bidireccionales Caja Tipos más comunes Membrana Electrostático Electrodinámico de cinta 35

36 El gradiente p(t) P t t p En general p = p(t) p(t t) Para una sinusoide de amplitud P p 1 = sen(ω t) 2πf t, f " P 2π t El gradiente depende de la frecuencia de la señal 36

37 Respuesta al gradiente El gradiente se obtiene como p = p(t) p(t t) En frecuencia p(ω) =P (ω) ( 1 e jω t) jωp (ω) t La frecuencia del primer nulo es f 0 =1/(2 t) p(ω) P (ω) Nivel relativo de fuerza (db) Frecuencia (Hz) f 0 37

38 Transducción Presión-gradiente en la membrana: Gradiente-fuerza: p(ω) =jωp (ω) t F = S. p Velocidad de la membrana: Desplazamiento: U(ω) = jωs tp (ω) 1 jωc + jωm + R X(ω) =U(ω)/jω 38

39 Electrostático Electrodinámico Tensión en el transductor E(ω) =KX(ω) E(ω) =BlU(ω) Condición de respuesta plana U(ω) F (ω)/r U(ω) F (ω)/jωm Condición mecánica Membrana muy amortiguada Membrana con masa elevada En los micrófonos electrostáticos de gradiente se introduce rozamiento viscoso en la cápsula En los electrodinámicos se emplean cintas en vez de membranas 39

40 Directividad en gradiente t θ =0 θ = 90 θ = 180 p =1 p =0 p = 1 En incidencia frontal el sonido llega retrasado a la cara posterior al tener que rodear la estructura Esto equivale a observar la onda en dos puntos separados una distancia efectiva D = c t 40

41 onda plana separación en la dirección de incidencia D cos θ θ separación efectiva D = c t p cos θ

42 Diagramas de directividad 0 transductor presión Omni p =1 180 Subcardiode p = cos θ 180 Cardiode p = cos θ transductor gradiente p = cos θ p = cos θ p = cos θ La combinación de un transductor de presión con uno de gradiente puede producir varios diagramas de directividad útiles 180 Supercardiode Hipercardiode Bidireccional

43 Monomembrana ta=t ta=0 ta=-t T T T θ = 0 θ = 90 θ = 180 θ Δta Δt 0 T 2T 90 0 T 180 -T 0 Δta: retardo variable debido a la dirección de llegada T: retardo constante dado por la cápsula Δt: retardo total entre las dos caras 43

44 directividad El gradiente de presión es la diferencia de presión entre las caras izquierda (1) y derecha (2) de la membrana p = p 1 (t) p 2 (t) =p(t) p(t t) t Consta de dos términos 0 t = t a (θ)+t 0.75 Depende del ángulo de incidencia t = T cos θ + T 0.50 La directividad es de cardiode 0.25 p (1 + cos θ)

45 Bimembrana θ = 90 θ = 0 p1 = P p2 = P θ = 180 P P p Incidencia a 90 : presiones iguales en ambas membranas Incidencia frontal: Aparece una componente frontal adicional debida al gradiente de presión p1 = P + p Actúa sobre ambas membranas por medio de la caja p2 = P p Un diseño adecuado del amortiguamiento permite que p = P 45

46 Directividad de las membranas θ p1 2P P 0 p2 0 P 2P Cada membrana es un transductor de presión Las directividades son de cardiode, en direcciones opuestas 46

47 Directividad ajustable Cursor V 1 -V 0 V 2 -V 0 Dir 1 Dir 2 Dir 1+2 l -V/2 V/2 - - V 1 V 2 l c -V/2 0 V/2 - V 0 =V/2 l c r c 0 V/2 - c r 0 V/2 V/2 V r V/2 V/2 47