UNIDAD DE TRABAJO Nº2. INSTALACIONES DE MEGAFONÍA UNIDAD DE TRABAJO Nº2.1. Descripción de Componentes. Simbología Introducción. ALTAVOCES Reciben el nombre de Pantalla Acústica el conjunto del recinto acústico formado por el altavoz o altavoces y filtro divisores de frecuencias, que constituyen el elemento final de toda etapa amplificadora de sonido. Estas se dividen en tres partes: - El Altavoz o Altavoces. - El Filtro o Filtros divisores de frecuencia. - El Recinto Acústico o Caja Acústica. 2. El Altavoz. Es el elemento que transforma la señal eléctrica en señal acústica. Es por tanto, un transductor electroacústico y es uno de los elementos más importantes dentro del sistema de alta fidelidad (HI-FI). 2.1. Principio de funcionamiento. Dos son los sistemas en que se divide el altavoz, uno es el excitación y el otro el acústico. El sistema de excitación, también conocido como motor del altavoz, está constituido básicamente por un imán permanente que posee un fuerte campo magnético; dentro de ese campo magnético está situada una bobina que está unida al cuello del cono, que pertenece ya al sistema acústico. Figura 2.1.a. Figura 2.1.a. Constitución del motor de un altavoz. 1
El principio básico de funcionamiento se basa, en que, al circular una corriente eléctrica por una bobina, ésta crea un campo magnético que posee una polaridad. Si esta bobina está situada dentro de la acción de otro campo magnético, dependiendo de la polaridad de la bobina, ésta experimentará un rechazo o un acercamiento dentro del campo magnético en que está situada, o lo que es lo mismo, se desplazará en sentido longitudinal a la propia bobina. Figura 2.1.b. Figura 2.1.b. Principio del funcionamiento electromecánico del altavoz. El sistema acústico tiene por finalidad impartir un movimiento al aire que lo rodea. Este movimiento, es el ideal para convertir en sonido la señal eléctrica entregada al altavoz por el equipo amplificador. La señal eléctrica hace que se desplace la bobina y ésta mueve el cono. Montado en un armazón metálico y en su borde exterior sujeto a un elemento flexible, el cono posee en su centro un dispositivo denominado centrador o araña encargado de que la bobina se mantenga en el centro del campo magnético. Figura 2.1.c. Figura 2.1.c. Corte de un altavoz dinámico típico y su constitución. 2
En realidad el altavoz transforma en un primer paso la energía eléctrica en mecánica y en un segundo paso, la energía mecánica se transforma en acústica. Atendiendo a estas características, podemos dividir el altavoz en diferentes elementos que lo conforman. Elemento electromagnético. Está formado por la bobina móvil y el imán permanente. A este conjunto se le denomina Elemento Motor del Altavoz. Elemento mecánico. Está constituido por el cono, el centrador o araña, la tapa de retención del polvo y su suspensión. Elementos de soporte y conexionado. Están constituidos por la campana, elemento fabricado con chapa muy delgada, cuya rigidez mecánica se aumenta mediante nervaduras de refuerzo. En la campana se colocan los bornes de conexión al igual que los orificios que sirven de soporte de éste a la caja acústica. Elemento acústico. Es el elemento que transmite al recinto de audición la energía desarrollada por los elementos mecánicos, excitando así el aire que lo rodea. En la construcción del cono del altavoz se tendrá en cuenta la medida del diámetro de éste, debido a la influencia que tiene el diámetro del altavoz con respecto a la longitud de onda (λ) de la frecuencia emitida por el mismo y a la direccionalidad que se obtiene en la reproducción sonora. Por tal motivo, son de dimensiones reducidas los altavoces preparados para emitir elevadas frecuencias. Se considera que los altavoces de frecuencias medias y altas son más direccionales y que los de frecuencias bajas son más omnidireccionales. λ = Longitud de onda d < λ Se produce difracción d = Diámetro del altavoz d >> λ No se produce difracción Figura 2.1.d. Influencia del diámetro del cono de un altavoz en la dispersión de las ondas sonoras para unas frecuencia determinada. 3
2.2. Tipos de altavoces según su principio de funcionamiento. 2.2.1. Altavoz Dinámico de Imán permanente. Está constituido por una bobina que es recorrida por las corrientes de audiofrecuencia y que se mueve dentro del seno de un campo magnético creado por el imán permanente. Figura 2.2.1. Figura 2.2.1. Corte de un altavoz dinámico típico y su constitución. Su principio de funcionamiento ha sido descrito en el apartado 2.1. Dada la perfección alcanzada en los elementos que lo integran, la facilidad de su conexionado y el gran rendimiento que proporciona en su salida, lo convierten en el más utilizado para equipos de HI-FI. 2.2.2. Altavoces Electrostáticos. Están formados por un diafragma grande y plano muy ligero, generalmente de poliéster, colocado entre dos placas fijas acústicamente transparentes que reciben la señal de audio y a través de las cuales se permite el paso del sonido. Además necesita de una tensión de polarización continua del orden de 300-800 voltios. Figura 2.2.2. Figura 2.2.2. Estructura básica de un altavoz electrostático. 4
Su principio de funcionamiento está basado en la variación de la distancia (efecto capacidad) de las placas de un condensador. Figura 2.2.2.a. Principio electrostático. Cuando a las placas les llega la tensión procedente del amplificador, el diafragma se desplaza en función de la polaridad presente en cada una de ellas, generando así la presión sonora necesaria para la audición. Figura 2.2.2.a. Principio electrostático. Como ventajas destacamos su baja distorsión y una excelente reproducción para las frecuencias medias y altas. No utilizan caja acústica y la fuerza del cono es la misma en toda la superficie. Como inconvenientes presentan una alta impedancia eminentemente capacitiva, siendo necesario amplificadores especiales. El no utilizar caja acústica, por lo que se reduce el rendimiento de la señal sonora reproducida. La necesidad de una tensión de polarización continua tan elevada. 2.2.3. Altavoces Piezoeléctricos. Están constituidos básicamente por un cristal de cuarzo el cual se fija mecánicamente a través de unas varillas a un cono muy ligero del altavoz. Su principio de funcionamiento está basado en el llamado efecto piezoeléctrico que consiste, en la propiedad que tiene el cristal de cuarzo de deformarse cuando se le aplica una señal eléctrica. Estas deformación se transforma en vibración, que da lugar a la sonorización. Como ventaja destaca su alta sensibilidad. Como inconvenientes presentan una alta impedancia, su curva de respuesta va desde los 80Hz a los 10KHz no reproduciendo frecuencias altas (agudos), además su masa del diafragma es muy ligera, siendo el rendimiento muy pequeño, debido a que sus movimientos son microscópicos. Su fragilidad lo hace apto para reproducir pequeñas potencias. Se utiliza en audífonos (sordos) y pequeños receptores de radio. 5
2.3. Características técnicas de los altavoces. 2.3.1. Impedancia. Es el valor en ohmios que presenta a su entrada el altavoz, y por tanto representará el valor de carga sobre la salida del amplificador. Como en realidad es una reactancia inductiva o capacitiva, el valor en ohmios de ésta variará con la frecuencia de la señal de salida. Figura 2.3.1. Figura 2.3.1. Curva típica de impedancia de un altavoz. Los fabricantes entregan la impedancia de un altavoz, como valor estándar, a la frecuencia de 1 KHz. Los valores de impedancia más comunes en los altavoces de HI-FI oscilan entre 4 y 8 ohmios. El comportamiento eléctrico de un altavoz dentro de su margen completo de frecuencias es muy complejo, y depende de su constitución. Los factores que determinan la impedancia de un altavoz son: - La resistencia óhmica del hilo de la bobina móvil. - La reactancia inductiva de la bobina móvil. - La forma constructiva del altavoz, y en particular la de su cono, y la rigidez de sus suspensiones. 2.3.2. Frecuencia de resonancia. (fr). Se le llama a la frecuencia característica de vibración de los elementos mecánicos formados por el diafragma, la bobina móvil y los elementos de suspensión de un altavoz. La frecuencia de resonancia tiene una gran importancia, pues determina el límite inferior de la curva de respuesta del altavoz, es decir, el punto donde el altavoz no funciona para frecuencias inferiores a la de resonancia. A la fr la impedancia del altavoz es máxima. 6
2.3.3. Respuesta de frecuencia. Viene representada mediante una curva característica, y nos informa del comportamiento del altavoz a las distintas frecuencias del espectro acústico. Figura 2.3.3. Figura 2.3.3. Curva característica de respuesta de frecuencia de un altavoz. Este parámetro se obtiene colocando en el eje de abscisas las distintas frecuencias reproducibles, y en el eje de ordenadas las intensidades sonoras en decibelios. Es en la zona más plana donde el altavoz responde de manera más adecuada a las frecuencias, significando que su respuesta es muy similar para la gama de frecuencias de ese tramo nivelado. 2.3.4. Sensibilidad. Indica la capacidad que posee el altavoz para generar la señal acústica. La sensibilidad de la pantalla determina la potencia mínima del altavoz, ya que será ésta la mínima potencia que deberá poseer el amplificador que se conecte al altavoz; cuanto mayor sea el valor de la sensibilidad mayor será la potencia emitida por el altavoz. Viene determinada como la presión sonora SPL que proporciona un altavoz a 1metro de distancia de su eje horizontal cuando se le suministra una potencia de 1W. Figura 2.3.4. Se expresa en db/w. Figura 2.3.4. La sensibilidad de un altavoz nos informa del nivel de presión sonora que un altavoz produce a 1m de distancia sobre su eje principal cuando le aplicamos 1W de potencia eléctrica. Igualmente, el ángulo de cobertura de un altavoz queda definido por una caída de su presión sonora de 6dB con relación a su eje principal. 7
Para cada frecuencia existirá una sensibilidad, por tanto, se utiliza una señal patrón de entrada llamada ruido rosa, que consiste en una banda de ruido que mantiene constante el nivel de energía sonora por octava. 2.3.5. Curva polar. Este parámetro es muy importante cuando se realiza una sonorización estereofónica. Conforme aumenta la frecuencia, la longitud de las ondas sonoras difundidas por el cono del altavoz disminuye, no pudiendo difundir todas las frecuencias de la misma manera, ya que el cono concentra las frecuencias más elevadas en su eje, y mal a ambos lados del mismo. Figura 2.3.5. Figura 2.3.5. La intensidad de las altas frecuencias disminuye a medida que aumenta el ángulo con el eje. 2.3.6. Potencia. Se clasifica en potencia mínima y en potencia máxima. La potencia mínima, viene determinada por la sensibilidad que posee la membrana del altavoz para reproducir el sonido. En cuanto a la potencia máxima, se pueden hacer dos diferenciaciones dependiendo de la potencia que puede soportar un altavoz: la potencia nominal y la potencia musical. La potencia nominal o RMS es aquella que puede soportar el altavoz de modo continuo sin que se produzca un calentamiento excesivo en el propio altavoz ni distorsiones en el sonido. Viene determinada en vatios (W). La potencia musical o de pico es la máxima que puede soportar el altavoz en un momento dado sin destruirse, es decir, durante un breve periodo de tiempo. El nivel de presión sonora SPL de un altavoz es función directa del movimiento del cono que, a su vez, depende de la potencia nominal que se aplica a la bobina móvil del altavoz. Por tanto, la potencia nominal está estrechamente relacionada con la sensibilidad en la determinación del nivel sonoro máximo que puede entregar dicho altavoz. Ejemplo: La potencia nominal de un altavoz es de 40W y su sensibilidad de 85dB/W; el incremento en db que suponen 40W con respecto a 1W queda determinado por la expresión: db incrementados = 10 lg 40W = 16dB Por tanto, el nivel sonoro máximo entregado por el altavoz será de: 85dB + 16dB = 101dB a 1m de distancia del altavoz y para una potencia de 40W. 8
OJO! La potencia musical que se indica para cualquier altavoz es siempre mucho mayor que su potencia nominal o RMS de funcionamiento. Consideraciones a tener en cuenta. Qué ocurre cuando la potencia nominal del altavoz es distinta a la potencia RMS del amplificador? 2.3.7. Rendimiento. a) Que la potencia nominal del altavoz es mucho mayor que la potencia que entrega el amplificador. Esta situación es correcta. Ahora bien, si el amplificador trabaja a su máxima potencia los elevados productos de distorsión pueden dañar los altavoces de agudos (tweters). b) Que la potencia nominal del altavoz es menor que la potencia que entrega el amplificador. Esta situación no es correcta. Cuando el control de volumen se ponga al máximo, el altavoz alcanza unos niveles de distorsión intolerables, con el riesgo de que se rompa el altavoz. Viene expresado en tanto por ciento %. Es el cociente entre el nivel de presión sonora SPL que produce el altavoz y la potencia nominal o RMS que entrega el amplificador a la entrada del altavoz. Su valor es muy reducido, debido a que el altavoz es poco eficiente en la conversión de señal, presentando grandes pérdidas. Es difícil de determinar, y pocos fabricantes lo especifican; en su lugar facilitan la característica de la sensibilidad y el nivel de presión sonora SPL producida por el altavoz a 1m de distancia. Esto permite conocer la potencia nominal o RMS que debe tener el amplificador para obtener un determinado rendimiento en el nivel de audición. Mediante la tabla expuesta se puede determinar la potencia nominal del amplificador. Ejemplo: Se dispone de un altavoz cuya sensibilidad es de 83dB/W. Se desea conseguir un nivel de presión sonora SPL de 100dB en los pasajes más enérgicos. Qué potencia nominal ha de tener el amplificador para conseguir el nivel de presión sonora deseado? Resultado: 100dB 83dB/W = 17dB, que habrá que añadir. A 17dB le corresponde en la tabla 50W. Potencia nominal = 50W. 9
2.3.8. Distorsión. Es la diferencia que existe entre la señal aplicada al altavoz y la que éste reproduce. Figura 2.3.8. Figura 2.3.8. Distorsión producida por la salida de la bobina móvil del campo magnético del entrehierro del imán. a) Bobina en posición de reposo sin señal aplicada. b) Bobina desplazada excesivamente hacia fuera, reproduciendo con distorsión un semiperiodo de la señal aplicada debido a la falta de linealidad del producto B. L. I. c) Construcción de un conjunto magnético más ancho para disminuir la distorsión. La fuerza ejercida en el sistema móvil del altavoz y el desplazamiento del cono no es lineal, produciéndose una distorsión que será cada vez mayor cuanto mayor sea el desplazamiento del cono. La distorsión aumenta al incrementar la potencia sonora. Una de las principales causas de distorsión se encuentra en la flexibilidad no lineal del centrador (elemento que realiza el centrado del sistema radiante del altavoz formado por el cono y la bobina móvil). En Bajas Frecuencias, un buen altavoz puede producir un 5% de distorsión. En Frecuencias Medias y Altas, la distorsión es menor, entre 0,5% y 2%. El valor idóneo de distorsión de un altavoz ha de ser del 1%. 2.4. Tipos de altavoces según su utilidad. Hasta ahora, hemos considerado un solo altavoz para reproducir todo el margen de frecuencias con la misma calidad. Esto no es posible en la práctica. Analizando las características constructivas de los altavoces y su comportamiento eléctrico, es conveniente utilizar dichas características para obtener el máximo rendimiento y calidad, para cada tipo de altavoz. TIPOS DE ALTAVOCES Woofer (Graves) Squawker (Medios) Tweeter (Agudos) Si un tono grave que ocasiona un gran desplazamiento del cono tiene que reproducirse junto con otro tono agudo que produce un pequeño desplazamiento en un mismo altavoz, las partes superiores de las ondas resultarán distorsionadas. A esto, se le llama Distorsión de Modulación. 10
Ésta es la razón para reproducir por separado los tonos altos de los tonos bajos, empleando altavoces específicamente diseñados para cada zona del margen de frecuencias. Sabemos que un altavoz para reproducir frecuencias bajas debería tener un cono grande y pesado, y un altavoz para frecuencias altas tendrá un cono pequeño y ligero, no despreciándose un altavoz intermedio entre estos dos. Esto es exactamente lo que se precisa para obtener un sonido de alta calidad. De Tonos Graves (WOOFER). La frecuencia de resonancia fr está entre 20 y 50Hz. La frecuencia de corte superior fcs es de 4KHz. La curva de respuesta va desde los 20Hz hasta los 3KHz. Las medidas ideales de su diafragma es de unos 30cm (12 ). De Tonos Medios (SQUAWKER). La frecuencia de resonancia fr es de 300Hz. La frecuencia de corte superior fcs está comprendida entre 5 y 8KHz. La curva de respuesta va desde los 300Hz a 5 u 8KHz. El diámetro de su diafragma está comprendido entre 13 y 22cm. De Tonos Agudos (TWEETER). La frecuencia de resonancia fr se sitúa entre 3 y 4KHz. La frecuencia de corte superior fcs por encima de los 20KHz. La curva de respuesta va desde los 4Hz hasta los 20KHz. El diafragma suele estar entre 3 y 6cm. 11
2.4.1. Normas prácticas para la elección de un altavoz. - El nivel de sonido de los dos altavoces debe ser el mismo, incluso modificando el volumen si fuera necesario, ya que se tiende a considerar como mejor altavoz el que suena más fuerte. - No deben compararse más de dos altavoces a la vez. - Colocar los altavoces a una distancia equidistante del oyente, teniendo precaución de no colocar uno de ellos en una esquina y el otro no, ya que la esquina produce sonidos más graves. - La audición se realizará con distintos tipos de música, todas ellas conocidas por el oyente, realizando ambas audiciones en las mismas condiciones de reproducción. 2.5. Conexionado de altavoces. Para la conexión de altavoces se deben tener en cuenta dos factores: su potencia nominal y su impedancia, que deben adaptarse a las características de salida del amplificador que le entrega su señal. La impedancia de salida del amplificador debe coincidir con la impedancia total de los altavoces conectados a él. Si la impedancia total de los altavoces es mayor a la impedancia de salida del amplificador, se perderá potencia del amplificador. Si la impedancia total de los altavoces es menor a la impedancia de salida del amplificador, hay riesgo de que se estropee el amplificador. Conexión Serie. Se utiliza con el fin de aumentar la impedancia de los altavoces y poder adaptarlos a la impedancia de salida del amplificador. Presenta el inconveniente en que la avería de uno de los altavoces afecta a todos los demás, dejando al amplificador sin carga. Figura 2.5.a. Figura 2.5.a. Conexión de altavoces en serie. a) Altavoces de la misma impedancia. b) Altavoces de distinta impedancia. 12
Conexión Paralelo. Se utiliza con el fin de disminuir la impedancia de los altavoces y poder adaptarlos a la impedancia de salida del amplificador. Presenta el inconveniente de pérdida de potencia. Figura 2.5.b. Figura 2.5.b. Conexión de altavoces en paralelo. a) Altavoces de la misma impedancia. b) Altavoces de distinta impedancia. Conexión Serie-Paralelo. Se utiliza porque la potencia entregada por el amplificador es superior a la que pueden disipar los altavoces. También se utiliza, dada la necesidad de tener varios puntos de sonido. Se utiliza fundamentalmente en megafonía y no tanto en HI-FI. Figura 2.5.c. Figura 2.5.c. Conexión de altavoces en serieparalelo (mixto). 13
2.6. Instalación de los altavoces. 2.6.1. Fase de los altavoces. Los altavoces tienen polaridad. Al positivo del altavoz se le conecta el positivo de una F.A. de continua o pila de 4,5V comprobándose que el cono se desplaza hacia fuera, como tiene que ser. Figura 2.6.1. Figura 2.6.1. Circuito de prueba para determinar la polaridad de los altavoces. 2.6.2. Ubicación de los altavoces. La colocación de los altavoces dependerá si la sala es pequeña o grande. Sala pequeña. Los altavoces se colocarán cerca de las paredes, las mismas, refuerzan las bajas frecuencias aumentando la ganancia de la sala. Figura 2.6.2.a. Figura 2.6.2.a. Ángulo de cobertura de diversos altavoces según el diámetro de su cono y de la altura de éstos al techo de la habitación. 14
Sala grande. Los altavoces se colocarán en el techo y en los lugares más adecuados con el fin de lograr la perfecta sonorización de la sala; la misma puede ser de sonorización ambiental o de megafonía. Figura 2.6.2.b. Altavoces en columna. Figura 2.6.2.b. Distribución del espaciamiento alterno y cuadrado que ocupan los altavoces instalados en el techo. Figura 2.6.2.c. y figura 2.6.2.d. 15
Figura 2.6.2.c. Direccionalidad de las columnas acústicas. Altavoces y bocinas en abanico. Figura 2.6.2.e. Figura 2.6.2.d. Orientación correcta de una columna acústica mediante un lapicero láser. Bocinas Baffles 2.7. Pruebas de altavoces. Figura 2.6.2.e. Instalación correcta de los altavoces y bocinas en abanico. 16
Con un polímetro analógico o digital en la escala de Ω conectado a los terminales del altavoz medirá la impedancia del mismo. Si midiese infinito, indica que el hilo de la bobina del altavoz está roto. La bobina de un altavoz se puede romper por un exceso de potencia del amplificador y además, puede dilatarse sin romper, provocando un rozamiento con las paredes del entrehierro. En esta situación se procede a desplazar manualmente de forma ligera, suave y exenta de ruidos el cono del altavoz y comprobamos que el mismo no está prisionero. Hay que tomar siempre la precaución de que el polímetro no esté cerca del imán del altavoz porque lo dañaría. 17