17.1.4: Ponentes

Un altavoz toma una señal electrónica y la convierte de nuevo en sonido. ¿Cómo reproduce un altavoz el sonido de una señal eléctrica? Sabemos por el capítulo anterior que el flujo de corriente en una bobina de alambre producirá un campo magnético. Este electroimán atraerá o repelerá a otros imanes como si se tratara de un imán ordinario. Una diferencia, sin embargo, es que podemos invertir fácilmente la polaridad del electroimán cambiando la dirección del flujo de corriente. Una corriente oscilante en la bobina resultará en una fuerza oscilante si la bobina está cerca de un imán permanente. Esta es la base de un orador dinámico. Una bobina rodeada por un imán permanente está unida a un cono hecho de cartón, plástico u otro material flexible. Cuando una señal eléctrica oscilante fluye a través de la bobina, hay una fuerza oscilante en la bobina y el cono. Esto hace que el cono vibre de un lado a otro, produciendo ondas sonoras en el aire junto al cono.

Los altavoces dinámicos tienen dos diseños básicos dependiendo del rango de frecuencias de sonido que se reproduzcan. Los altavoces de graves o woofers tienen conos grandes y planos unidos a la bobina y están diseñados para producir bajas frecuencias. A continuación se muestra un boceto y una imagen recortada. La bobina de voz está unida al cono o diafragma. Las señales eléctricas entran desde los cables y pasan por cables delgados que están pegados a la araña, un sistema de soporte ligero y flexible para la bobina. La corriente oscilante en la bobina de voz provoca una fuerza magnética alterna entre la bobina y el imán permanente. Esta fuerza alterna sobre la bobina se transmite al cono lo que hace que el aire vibre, creando sonido.

Figura\(\PageIndex{1}\)

Los tweeters están diseñados de manera similar a los altavoces de graves pero tienen una pequeña (2 cm a 5 cm), parte vibratoria en forma de cúpula en lugar del cono. Debido a que son más pequeños y ligeros son más capaces de producir frecuencias más altas. En ambos tipos de altavoces el imán permanente no se mueve. Esto se debe a que los imanes son pesados; si el imán permanente estuviera unido al cono en lugar de a la bobina, la inercia adicional impediría que el cono respondiera a variaciones rápidas en la señal.

También es posible hacer un altavoz electrostático que utilice fuerzas eléctricas, en lugar de fuerzas magnéticas. Para este tipo de altavoces, se suspende una delgada lámina de plástico flexible (un diafragma) con recubrimiento metálico entre dos pantallas o rejillas metálicas delgadas. Hay un pequeño espacio de aire entre las rejillas y la lámina de plástico. La hoja es cargada por una fuente externa y la señal oscilante se envía a las rejillas. El voltaje oscilante entre las rejillas hace que el diafragma vibre, produciendo sonido. Este es exactamente el proceso contrario que ocurre en un micrófono electrostático, descrito anteriormente. Una ventaja del altavoz electrostático es que es muy ligero y así responde muy bien a altas frecuencias. Otra ventaja es que, a diferencia de un altavoz magnético donde el sonido proviene de un área pequeña, el área del diafragma puede ser bastante grande. La gran superficie constituye una fuente de sonido menos localizada haciendo que el sonido parezca más natural.

La idea de un sistema de altavoces es intentar engañar al sistema oído-cerebro para que perciba el sonido como si se tratara de la interpretación original. Debido a que tenemos un sistema oído-cerebro que incorpora sonido de dos oídos, la mayor parte de la grabación y reproducción de sonido es en estéreo lo que significa que se utilizan dos pistas de sonido separadas. El sonido se graba desde dos o más micrófonos y se mezcla en dos pistas que tienen un sonido ligeramente diferente. Cuando se reproduce la grabación final estas pistas se alimentan a dos altavoces separados con el oyente sentado en algún lugar entre ellos. Un problema potencial con un sistema de dos altavoces es la fase. Si los altavoces están cableados incorrectamente, el altavoz izquierdo puede estar desfasado con el altavoz derecho causando interferencias destructivas entre las dos fuentes de sonido. Algunos sistemas estéreo tienen tomas para los cables de los altavoces por lo que no es posible conectarlos incorrectamente. Pero si estás usando cables libres para conectar tus altavoces debes conectarlos de una manera, escuchar el sonido, luego invertir los cables a uno de los gabinetes de los altavoces y volver a escuchar. La caja correctamente cableada sonará más fuerte, especialmente para las notas más bajas.

Es difícil hacer un solo altavoz que pueda reproducir todas las frecuencias igualmente bien. Para superar esta limitación, a menudo se combinan graves y tweeters. El diseño más común es tener un par de cajas de altavoces con un bajo y un tweeter en cada caja. Esto requiere un circuito de cruce que separe la señal entrante en frecuencias altas (que van al tweeter) y frecuencias bajas (que van al bajo). Otros diseños tienen un tercer altavoz para manejar frecuencias de rango medio y un crossover de tres vías. Debido a que el sonido de baja frecuencia tiene longitudes de onda muy grandes, es difícil para el sistema oído-cerebro identificar con precisión dónde se encuentra la fuente. Los arreglos de altavoces modernos explotan este hecho al tener un solo altavoz de bajo (llamado woofer o subwoofer) pero un conjunto de dos tweeters de rango medio para mantener el efecto estéreo. Los sistemas de altavoces modernos también suelen agregar dos altavoces más que se colocan detrás del oyente para proporcionar reverberación artificial. Como comentamos en el Capítulo 17, nuestra experiencia en la dirección del sonido depende en cierta medida de la reverberación por lo que agregar altavoces detrás del oyente con un ligero retraso agrega profundidad a la percepción del sonido de un sistema estéreo.

Los altavoces independientes no suenan muy bien, particularmente para frecuencias más bajas. Cuando el cono del altavoz avanza para producir una compresión, la parte posterior del cono produce una rarefacción (una región de baja presión). A medida que el altavoz vibra, las compresiones y las rarefacciones en la parte frontal están exactamente desfasadas con las rarefacciones y compresiones que provienen de la parte posterior del altavoz. Cuando el sonido de la parte posterior se combina con el sonido del frente, las ondas están desfasadas y tienden a cancelarse debido a la interferencia destructiva como se ve en la primera figura de la izquierda, abajo. Esto es muy similar al problema del cuerpo del tambor que vimos en el capítulo anterior. El efecto es más notable para frecuencias más bajas que tienen longitudes de onda más largas. Esto es especialmente un problema para el altavoz electrostático que normalmente no tiene una carcasa y por lo tanto no produce bien las bajas frecuencias.

Figura\(\PageIndex{2}\)

Existen varias soluciones potenciales al problema de la interferencia destructiva entre la parte posterior y frontal del altavoz. Si el altavoz está montado en una pared o techo, el sonido de la parte posterior queda atrapado y no puede cancelar el sonido de la parte delantera. Esta disposición se denomina deflector infinito y se muestra en la segunda figura anterior. Una segunda solución es poner el altavoz en una caja o gabinete de altavoz que tenga material absorbente de sonido en su interior para que la onda de la parte posterior vuelva a quedar atrapada. Esto se muestra en la tercera figura anterior. Una tercera solución es hacer que el sonido de la parte posterior del altavoz recorra media longitud de onda adicional antes de que se recombline con las ondas del frente. Esto se hace haciendo un agujero en la parte frontal de la caja del altavoz (a veces llamado puerto bass reflex o puerto de graves o puerto de afinación) y colocando barreras dentro del gabinete para que el sonido tenga que recorrer una distancia extra para poder salir como se muestra en la figura de la derecha, arriba. Obviamente, esta distancia extra no puede ser exactamente la mitad de una longitud de onda para todas las diferentes longitudes de onda que se producen, pero se puede organizar para enfatizar un rango de frecuencia, típicamente notas más bajas donde la interferencia destructiva de un altavoz independiente es más notable.

Otra forma de explicar cómo funciona un puerto de graves es pensar en el puerto de graves como una abertura a un volumen cerrado de aire. Como vimos en los capítulos 4 y 16, la apertura hará posible una frecuencia de resonancia Helmholtz que depende del tamaño del gabinete del altavoz. Elegir el gabinete del tamaño adecuado reforzará ciertas notas de baja frecuencia en la música, dando una mejor respuesta de bajos.

Ejemplos de video/audio:

• Aquí hay una simulación de un altavoz vibrante de Wolfram (es posible que deba descargar su plug in to play con esta demostración).
• Una explicación de YouTube del recorte de señal (distorsión de amplitud) y su efecto en un altavoz.
• Aquí hay un video de YouTube que muestra cómo se hace un altavoz.
• Aquí hay un YouTube de cómo se hace un altavoz electrostático.