Altavoz
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En altavoz (parlante o altoparlante en Sudamérica) es un transductor eléctrico-mecánico-acústico, es decir, un dispositivo destinado a la conversión de ondas eléctricas en energía mecánica y de mecánica en acústica. Es por tanto la puerta por donde sale el sonido al exterior desde los aparatos que posibilitaron su amplificación, su transmisión por medios telefónicos o radioeléctricos o su tratamiento.
El sonido se transmite mediante ondas sonoras a través del aire. El oído capta estas ondas y las transforma en impulsos nerviosos que llegan al cerebro. Si disponemos de una grabación de voz o de música en soporte magnético o digital, o si recibimos estas señales por radio, dispondremos a la salida del aparato de unas señales eléctricas que deben ser convertidas en sonidos audibles, para ello precisamos del altavoz.
right|thumb|200px|Figura 1.- Representación esquemática de un altavoz
El altavoz, cuya representación esquemática se muestra en la Figura 1, consiste básicamente en una carcasa metálica o plástica que soporta un imán permanente de forma cilíndrica, alrededor del cual y de forma concéntrica se encuentra una bobina solidaria a su vez una membrana fabricada de un cartón especial o incluso de material plástico.
La bobina puede moverse libremente sin tocar el imán, aunque muy próxima a él, arrastrando en su movimiento a la membrana.
El funcionamiento del dispositivo es el siguiente:
Cuando se aplica a la bobina la señal eléctrica procedente del amplificador, grabador, etc, se crea un campo magnético que varia de sentido de acuerdo con dicha señal. Por efecto de este campo se producen atracciones o repulsiones con el campo creado por el imán permanente. Estas atraciones o repulsiones hacen que la bobina y por consiguiente la membrana vibren al ritmo de las señales eléctricas, produciendo estas vibraciones de la membrana y por tanto del aire situado frente a ella, ondas sonoras.
La división de un altavoz en dos transductores permite clasificar a los altavoces según la naturaleza de esos transductores:
Según el motor:
- Dinámicos o de bobina móvil
- Electrostáticos o de condensador
- Piezoeléctricos.
Existen muchos tipos más, pero estos son los más usados.
Según el diafragma:
- De radiación directa. El diafragma, generalmente un cono, radia directamente al aire.
- De bocina. La membrana radia al aire a través de una bocina, que actúa como acoplador acústico.
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Altavoces electrostáticos
Estos altavoces tienen una estructura de condensador, con una placa fija y otra móvil (el diafragma), entre las que se almacena la energía eléctrica suministrada por una fuente de tensión continua. Entonces la energía eléctrica, suministrada por el amplificador de potencia de audio, incrementa la energía almacenada entre las placas, dando lugar a que la placa móvil se mueva, creando una presión útil. Estos altavoces presentan las ventajas de dar una respuesta de presión muy plana a frecuencias medias y altas, de tener un pequeño espesor y de ser capaces de producir niveles elevados de presión con pequeñas potencias eléctricas. A pesar de esto, son unos altavoces poco usados, quizás por su alto precio, obligado por su mecanizado de precisión y la necesidad de incorporar una fuente de tensión continua. Otros inconvenientes son el hecho detener una gran superficie, y serles difícil dar respuesta en muy baja frecuencia.
Altavoces piezoeléctricos
En los últimos años se están utilizando con frecuencia estos altavoces para realizar vías de agudos. En estos altavoces el motor es un material piezoeléctrico (poliester o cerámica), que al recibir una diferencia de tensión entre sus superficies metalizadas experimenta alargamientos y compresiones. Si se une a una de sus caras un cono abocinado, éste sufrirá desplazamientos capaces de producir una presión radiada en alta frecuencia. Estos altavoces son sencillos, baratos y capaces de radiar con muy poca potencia eléctrica; además el carácter capacitivo de su impedancia eléctrica hace innecesaria la red de cruce en muchas ocasiones. Como inconvenientes, su radiación distorsiona ligeramente y es muy difícil hacerlos actuar en la vía de graves.
Altavoces dinámicos
Este tipo de altavoces son los más usados en audio, con gran diferencia sobre los dos anteriores. Su motor consiste en una bobina, solidaria al diafragma, e inmersa en el campo magnético producido por un potente imán. Así cuando el amplificador de audio suministra a dicha bobina una corriente se producirá, según una ley física, una fuerza mecánica sobre la bobina. Esta fuerza será comunicada al diafragma que, gracias a estar suspendido elásticamente, se desplazará radiando una onda de presión. Acontinuación detallaremos sus componentes:
- Bobina móvil. Está constituida por espiras esmaltadas de aluminio o cobre, montadas sobre un armazón solidario con el diafragma o simplemente auto¬soportadas por el propio esmalte. Suele utilizarse hilo plano (ribbon) con el fin de obtener mayor conducción con menor peso y volumen.
- Diafragma (cono). Es uno de los elementos básicos del altavoz, puesto que va a transformar la fuerza del motor en presión útil.
Si el altavoz está destinado a radiar baja frecuencia, su cono deberá tener una gran superficie, si se quiere radiar suficiente potencia. Esto se debe a que en baja frecuencia, los desplazamientos del cono son grandes y lentos, con lo que la energía gastada por el cono se dedica más a desplazar el aire, que a comprimirlo y expandirlo para producir una onda de presión. Luego si se quiere producir una presión elevada habrá que comprimir (y desplazar) mucho aire, con una gran superficie y un potente motor.
Por esta causa, al tener una gran superficie el diafragma también tendrá una gran masa y así, por su inercia, no podrá seguir los rápidos cambios de movimiento que exige la reproducción de las altas frecuencias. Por ello, los altavoces que radian bien las bajas frecuencias sólo funcionan eficientemente hasta 1 ó 2 kHz. Otro problema del diafragma es que no se comporta rígidamente y como la onda de presión que debe radiar se transmite también por él, se originan reflexiones y deformaciones del propio diafragma, en cuanto la frecuencia sea lo suficientemente alta para que su radio sea mayor que la longitud de onda radiada. Al radiar con diferentes fases diferentes zonas del diafragma, se producen atenuaciones y refuerzos que colorean la respuesta del altavoz. Para evitar estas vibraciones parciales del diafragma, los fabricantes los construyen con materiales rígidos y ligeros (polímeros, aluminio, etc.), diseñándolos con estructuras muy rígidas (células en panal de abeja) o simplemente les dan formas más rígidas, como en los diafragmas planos o en las cúpulas para tweeters.
- Imán. El imán de un altavoz suele construirse con una cerámica magnética anular, que crea un campo magnético de densidad de flujo B. Este flujo se conduce al entrehierro por un circuito magnético de material férrico de alta permeabilidad (núcleo, culata, imán, pieza polar, núcleo). Si el imán es potente el altavoz transformará con buen rendimiento la energía eléctrica en acústica. Además, si el factor de fuerza B.L. (densidad de flujo del imán por longitud de la bobina) tiene un alto valor, se asegura una buena respuesta de altavoz a los transitorios.
- Entrehierro. En el entrehierro se debe concentrar el flujo del imán, por ello deberá ser muy estrecho. Además deberá ser largo para que admita una gran longitud de bobina. Los fabricantes suelen utilizar bobinas más largas que el entrehierro, con el fin de que el flujo magnético interceptado por la bobina se mantenga constante, aunque la bobina sufra un gran desplazamiento.
- Suspensión. La suspensión de un altavoz juega un papel importante, tanto en la duración de éste como en el control de la distorsión.
En un altavoz existen dos suspensiones:
- Suspensión superior, araña o aro centrador, consistente en un anillo de rígido material plástico corrugado, que rodea la base del cono donde éste se une con la bobina. Su misión es limitar el desplazamiento del diafragma, para evitar que la bobina se salga del entrehierro y al mismo tiempo, mantener la bobina perfectamente centrada en dicho entrehierro para evitar que roce con las paredes, lo que acabaría destruyéndola.
- La suspensión o anillo elástico superior consiste en un rodete de goma o plástico, que realiza una misión similar al aro centrador, permitiendo, junto con éste, sólo los desplazamientos axiales del cono.
Como misión adicional debe absorber las ondas que viajan por el cono, con el fin de que la reflexión en él no origine vibraciones parciales. Se puede demostrar que el desplazamiento del diafragma se relaciona con la frecuencia por: Desplazamiento=Voltaje aplicado partido por (Frecuencia) por (B:L:); es decir, a menor frecuencia mayor desplazamiento del cono, (es fácil ver el movimiento del cono de un woofer y difícil el diafragma de un tweeter). Entonces las suspensiones limitan el desplazamiento en baja frecuencia del cono, reduciendo la respuesta en baja frecuencia del altavoz, igual que la masa móvil reduce la respuesta en alta frecuencia.
En cajas herméticas la propia resistencia del aire de la caja a la compresión actúa como una suspensión acústica adicional.
Características de altavoces dinámicos
Una de las formas de conocer las posibilidades de un altavoz dinámico es analizar sus características:
Impedancia eléctrica. El altavoz es atacado por un amplificador de potencia, que actúa como un generador de corriente. Este altavoz presenta una cierta oposición al paso de esa corriente, dicha oposición se mide como la impedancia eléctrica del altavoz. Si se registra la amplitud de esta impedancia el pico de impedancia que aparece a una baja frecuencia; esta frecuencia, llamada de resonancia de los elementos mecánicos del altavoz, es una de las frecuencias preferidas o de máxima eficiencia del altavoz. Después de este valle la impedancia eléctrica vuelve a crecer, debido a que la bobina del motor almacena energía, presentando oposición a la corriente. Este almacenamiento resta energía de movimiento al altavoz, el cual empezará a dejar de radiar a frecuencias de esta zona, llamada inductiva. En un altavoz interesa que el pico de impedancia en resonancia sea lo más elevado posible, pues ello indica que el motor es de gran potencia, lo que redunda en un buen rendimiento y una buena respuesta a transitorios.
Respuesta de presión en frecuencia. Esta característica se suele dar como un gráfico en el que aparece la variación del nivel de presión sonora radiado por el altavoz, a 1 metro, en su eje, con una potencia eléctrica fija, cuando varía la frecuencia. El altavoz deja de radiar bruscamente por debajo de la frecuencia de resonancia, debido a la sujeción del diafragma que realizan las suspensiones mecánicas. También deja de radiar bruscamente en alta frecuencia, cuando la bobina absorbe la energía eléctrica que le suministra el amplificador y además la inercia de la masa móvil impide los movimientos rápidos del diafragma. Así, la zona útil de trabajo del altavoz, entre la resonancia mecánica y la zona inductiva, es reducida, siendo imposible que un sólo altavoz trabaje toda la banda de frecuencias de audio. Esta limitación hace necesario utilizar sistemas de varias vías, en los que varios altavoces, que trabajan solapados en frecuencia, cubren todo el espectro de audio. Este solape debe ajustarse con una red de filtros de cruce (crossover), que causa distorsión si no se realiza cuidadosamente. La respuesta de presión en la zona útil de trabajo, suele ser muy irregular en la mayoría de los altavoces. Esta alinealidad, causa de coloración y distorsión, puede tener como causa las vibraciones parciales del diafragma, resonancias de la estructura del altavoz o de la caja en que se monta, etc.
Potencia. En esta característica hay que distinguir entre potencia eléctrica y acústica. La potencia eléctrica indica cuanta potencia puede absorber el altavoz antes de sufrir desperfectos. Se suele dar como dos especificaciones:
- Potencia admisible, musical o de pico: Potencia máxima impulsiva (un pico de señal), que puede soportar cada cierto tiempo el altavoz antes de deteriorarse.
- Potencia nominal, eficaz o RMS: Potencia máxima, en régimen continuo, que puede soportar el altavoz antes de deteriorarse.
Estas especificaciones permiten elegir el altavoz adecuado para la potencia nominal de canal que puede suministrar el amplificador. Como orientación puede exigirse que la potencia admisible del altavoz sea por los menos 1,5 veces la nominal del canal en HI-Fl y 2 veces en monitores profesionales.
La potencia acústica que entrega el altavoz se puede especificar de dos maneras:
- Sensibilidad. Nivel de presión sonora que suministra el altavoz a 1 metro de distancia, en su eje, y con 1 watio eléctrico de excitación. La frecuencia de medida suele estar prefijada. Se puede decir que una sensibilidad superior a 100 dB es muy alta (típica en megafonía); una sensibilidad entre 100 y 90 dB es media (típica en monitores) y sensibilidades inferiores a 90 dB son bajas y las dan los sistemas HI-FI. Otra manera de saber la potencia acústica que radia un altavoz esa través de su rendimiento, definido como: Rendimiento (%)= Potencia acústica radiada, dividido por Potencia eléctrica consumida por 100.
En altavoces dinámicos el rendimiento suele estar por debajo del 2,5% (100 watios eléctricos dan 2,5 watios acústicos), como máximo las bocinas de megafonía llegan a un 40%. Estas cifras tan bajas de rendimiento indican que un altavoz disipa mucha más potencia de la que radia. A pesar de ello, los altavoces pueden producir niveles de presión elevados con poca potencia eléctrica. Por ejemplo, en recintos de 60 m3 (4 x 5 x 3 metros) se pueden alcanzar picos de 96 dB de nivel de presión sonora, que es un nivel elevado, con sólo 0,15 watios acústicos. Un altavoz de rendimiento 2,5% necesitaría sólo 6 watios eléctricos para dar esa potencia acústica.
- Directividad. La directividad de un altavoz indica cómo ese altavoz distribuye su radiación en el espacio. La forma más gráfica de dar la directividad es mediante un diagrama polar, en el que se representa, en dB, y para todas las posiciones angulares en el plano del eje del altavoz la función: Directividad (dB) = 20log. por Presión en la dirección del ángulo φ dividido por Presión máxima, o en el eje del altavoz. Los diagramas polares se trazan a diferentes frecuencias, observándose que un altavoz radia en un haz más estrecho, es más directivo, cuanto mayor sea el producto: (Frecuencia x radio del diafragma). En práctica un woofer es aproximadamente omnidireccional por debajo de 500 Hz, comenzando a estrechar su haz por encima de 500 Hz, y se hace cada vez más directivo cuando crece la frecuencia. En cajas de varias vías es el tweeter quien radia en un haz más estrecho, por lo que se deben orientar hacia la posición de escucha, con el fin de que el oyente no pierda parte de la respuesta en agudos del sistema. Con esta idea práctica, se deduce que será deseable un altavoz con una directividad uniforme en frecuencia, radiando hacia el semiespacio frontal para cubrir un amplio frente de audiencia, y que, al mismo tiempo radie poco posterior y lateralmente con el fin de no suministrar excesiva energía acústica al campo reverberante.
- Distorsión. El altavoz es el elemento que produce más distorsión entre todos los componentes de un sistema de reproducción. Además, los fabricantes no suelen suministrar al consumidor las cifras de distorsión de sus altavoces, siendo necesario recurrir a modelos de calidad reconocida o a la medición directa, si se quiere trabajar con baja distorsión. Las causas de esta distorsión son muy variadas: salida de la bobina del flujo del entrehierro, vibraciones parciales, modulación de frecuencia sobre el diafragma, alinealidad de las suspensiones, etc. Entre todas estas causas destaca la última, así cuando el altavoz reproduce baja frecuencia a gran nivel el desplazamiento del diafragma es tan elevado que las suspensiones deben sujetarlo, produciendo un fuerte recorte de la onda a reproducir. Por ello todos los altavoces presentan una distorsión creciente cuando disminuye la frecuencia, especialmente en las vecindades de la frecuencia de resonancia. Para reproducir las bajas frecuencias habrá que utilizar un altavoz de gran tamaño (subwoofer), que permita grandes excursiones del diafragma.
A veces, de forma impropia, se le llama tambien altavoz a la pantalla acústica, que es la caja que contiene el conjunto de altavoces.