Fundamentos de altavoces y transductores

Resumen de conceptos clave sobre el comportamiento eléctrico, mecánico y acústico de los altavoces, así como sobre los distintos tipos de transductores y recintos. A continuación se presentan las secciones corregidas y organizadas para facilitar la comprensión técnica.

Impedancia, resonancia y respuesta en frecuencia

Impedancia: la impedancia es la oposición al paso de la corriente y varía con la frecuencia, presentando una resonancia a bajas frecuencias y un comportamiento inductivo a altas. La impedancia nominal es el valor normalizado, superior al mínimo tras la resonancia, e indica el punto de mayor demanda de corriente al amplificador; los valores típicos son 4 Ω, 8 Ω y 16 Ω. La frecuencia de resonancia (Fs) determina el límite inferior de la respuesta y depende de la masa móvil y de la elasticidad de la suspensión.

La respuesta en frecuencia no es plana; en altavoces de alta calidad suele variar ±6 dB entre 20 Hz y 20 kHz. Para cubrir todo el espectro se emplean distintos transductores:

• Woofers: ≤ 500 Hz.
• Medios o squawkers: 500 Hz–6 kHz.
• Tweeters: > 1,5 kHz.

Por debajo de 500 Hz el comportamiento suele ser omnidireccional.

Potencia y sensibilidad

Potencia nominal (RMS): es la que el altavoz soporta de forma continua sin calentamiento excesivo ni distorsión. La potencia de pico o admisible es el valor máximo instantáneo que puede aplicarse por tiempo muy corto para evitar daños mecánicos como el desconado.

Sensibilidad: indica el nivel de presión sonora (SPL o NPS) a 1 metro con 1 vatio de potencia. El rendimiento (η) es la relación entre la potencia acústica de salida y la eléctrica de entrada, siendo normalmente inferior al 5 % en altavoces de cono.

Cajas acústicas y recintos

Las cajas acústicas evitan el cortocircuito acústico, que ocurre cuando las ondas del frontal y las del interior del cono se cancelan. En un bafle cerrado, el aire interno actúa como un muelle, elevando la frecuencia de sintonía (Fb > Fs).

El sistema Bass-Reflex refuerza los graves haciendo que la onda posterior recorra media longitud de onda (λ/2) y salga en fase con la delantera. Otros diseños incluyen:

• Radiador pasivo: reemplaza el conducto por un cono sin motor.
• Caja paso-banda: filtra el sonido permitiendo que solo salga por un conducto específico.

Componentes del altavoz dinámico

El funcionamiento se basa en un imán permanente y una bobina móvil que genera movimiento por inducción. Componentes principales:

• Araña o suspensión central: centra la bobina en el entrehierro y evita roces dañinos.
• Armazón o campana: proporciona soporte estructural para todas las piezas y permite fijar el altavoz a la caja.
• Protección antipolvo: evita la entrada de partículas en la bobina, aporta rigidez al cono y protege el sistema.

El peligro del clipping y la regla del amplificador

Es fundamental comprender la relación de potencia entre el amplificador y el altavoz para evitar daños. Cuando un amplificador se satura se produce clipping, recortando la señal; en el peor caso la onda se aproxima a una forma cuadrada, entregando hasta el doble de potencia que una senoidal de igual amplitud. Por ello, se recomienda que la potencia del amplificador no supere la mitad de la potencia de pico del altavoz. Idealmente, el amplificador debe ser capaz de entregar una potencia similar a la potencia de programa del altavoz para evitar trabajar cerca del límite y generar distorsión.

Directividad y ángulo de cobertura

La forma en que un altavoz radia el sonido depende fuertemente de la frecuencia. El ángulo de cobertura se define como el ángulo donde la sensibilidad cae 6 dB respecto al eje central. Por debajo de 500 Hz los altavoces se comportan de manera omnidireccional, mientras que a altas frecuencias la radiación se vuelve muy direccional.

El factor de directividad (Q) vale aproximadamente 1 a bajas frecuencias y aumenta notablemente en altas frecuencias, influyendo directamente en el cálculo del nivel de presión sonora en salas.

Excitadores de compresión y adaptación de impedancia

Para la reproducción de frecuencias agudas con alta eficiencia se utilizan excitadores o motores de compresión en lugar de altavoces de radiación directa. Estos generan presiones sonoras muy elevadas en una garganta pequeña, donde existe una alta impedancia acústica, y requieren una bocina que actúe como adaptador de impedancia para transferir la energía al aire, de baja impedancia acústica. Incorporan un tapón corrector de fase para evitar cancelaciones de onda antes de llegar a la garganta de la bocina.

Otros tipos de transductores especializados

Existen tecnologías menos comunes con características específicas:

• Altavoces electrostáticos: utilizan una lámina de Mylar cargada situada entre dos placas de un condensador, ofreciendo una respuesta muy plana y sin distorsión de fase, aunque son voluminosos y costosos.
• Transductores piezoeléctricos: funcionan por deformación del material ante una tensión eléctrica, presentan baja linealidad y se emplean principalmente en altas frecuencias y dispositivos pequeños.
• Altavoces iónicos o de plasma: convierten energía calorífica en sonora mediante un gas ionizado, siendo extremadamente lineales en frecuencias muy altas (hasta unos 100 kHz), pero complejos de mantener.
• Altavoces de cinta: emplean una fina lámina de aluminio en un campo magnético; ofrecen gran calidad en agudos, pero tienen una impedancia muy baja (≈ 0,5 Ω), lo que obliga a usar un transformador.

Campo directo frente a campo reverberante

En una sala real, el nivel de presión sonora no depende únicamente de la distancia y la potencia aplicada, sino también de las reflexiones. A una distancia de 1 metro predomina el campo directo y el nivel coincide con la sensibilidad del altavoz. A mayores distancias, el campo reverberante generado por paredes y techo puede incrementar el nivel sonoro, llegando a ser hasta 10 dB superior al obtenido en campo libre.

Para su cálculo en salas se utilizan expresiones que incluyen el coeficiente de absorción (α) y la superficie total del recinto (S).

Causas de la distorsión

La distorsión de un altavoz no es constante en todo el espectro y suele ser mayor en bajas frecuencias. Una de las principales causas mecánicas es la falta de linealidad del centrador o araña, que mantiene alineada la bobina móvil. Además, cuanto mayor es la potencia aplicada y el desplazamiento del cono, mayor es el porcentaje de distorsión generado.

Conclusión

Mantener un diseño adecuado de recinto, una correcta adaptación entre amplificador y altavoz, y elegir el tipo de transductor según la aplicación son factores clave para optimizar la respuesta sonora y minimizar la distorsión.

Etiquetas: altavoces, impedancia, resonancia, respuesta en frecuencia