Altavoz squawker
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CLASIFICACIÓN FRECUENCIAL DE LOS ALTAVOCES
Como ya sabemos, un sonido es una onda que se desplaza por un medio material, comúnmente el aire. Dicho sonido tiene una frecuencia determinada, y a más alta esta frecuencia, más “agudo” escuchamos el sonido, y a menor frecuencia lo escuchamos más “grave”. Para facilitar las cosas, los rangos de frecuencias se dividieron en diferentes tipos.
Los sonidos “graves” son los que se encuentran entre los 20Hz, que es la mínima frecuencia que el oído humano puede sentir (aunque cada ser humano tiene límites ligeramente distintos, más o menos por debajo de esa frecuencia no oímos nada) y aproximadamente los 320Hz. Por lo tanto cuando escuchamos un bajo o un bombo, que suenan “graves”, estamos sintiendo una onda de baja frecuencia, normalmente entre las dos frecuencias citadas.
Los sonidos “medios” son los que su frecuencia se encuentra entre los 320Hz y los 2560Hz aproximadamente. Entre estos sonidos tenemos la mayor parte de las notas del piano, la voz humana, las guitarras y un sin fin de instrumentos más.
Y los sonidos “agudos” son los comprendidos entre los 2560Hz y los 20000Hz, que es el límite superior que la mayoría de los oídos humanos pueden oír cuando somos jóvenes (si… los viejos ya no oyen nada a partir de unos 16000Hz). Entre los agudos tenemos los platillos, las notas más agudas de los violines, las campanas, y mayormente los armónicos de las frecuencias menores que son los que le dan el “timbre” carácterístico a cada instrumento y que estudiaremos más adelante. En la siguiente ilustración tenemos los rangos aproximados de algunos instrumentos:
Podemos fijarnos en un detalle: los graves sólo tienen un rango de 300hz, los medios un rango de unos 2000hz y los agudos un rango de ¡18000hz! ¿Por qué tanta diferencia? ¿Por qué los agudos son “privilegiados” y contienen la mayor parte del espectro auditivo? Esto es por que el oído no siente los sonidos linealmente, sino de forma “logarítmica”.
Nuestro oído puede detectar sin problemas una variación de 60Hz a 61Hz, pero no de 10000Hz a 10001Hz ya que nuestro oído también trabaja de forma logarítmica. De esta forma, el sonido se dividíó en octavas, que son las siguientes en Hz: 20 a 40, primera; 40 a 80, segunda; 80 a160, tercera; 160 a 320, cuarta; 320 a 640, quinta; 640 a 1280, sexta; 1280 a 2560, séptima; 2560 a 5120, octava; 5120 a 10240, novena; y de 10240 a 20480, décima. O sea, a cada altavoz le tocan sólo algunas octavas y nada más.
Se diseña un altavoz para cada rango de frecuencias, ya que los grandes pueden oscilar lentamente pero generar gran amplitud, los medianos pueden oscilar más rápidamente, pero con una amplitud menor y los pequeños pueden oscilar rapidísimo, pero su amplitud es muy baja. Podemos rápidamente determinar que a más amplitud, más energía en juego.
En el espectro auditivo, los sonidos graves tienen normalmente el 65% de la energía acústica por su gran amplitud, y como los altavoces diseñados para sonidos graves son grandes y con gran amplitud.
Los sonidos medios tienen aproximadamente el 25% de la energía acústica total, por lo que un altavoz más pequeño la podrá manejar sin problemas, y al ser pequeño podrá reproducirlos mejor que uno grande. Y a los agudos sólo les toca el 10% de la energía total, ya que los mismos tienen una amplitud muy baja, pero oscilar a 20000Hz no es cosa fácil. Por eso es que los altavoces de agudos son pequeñísimos y livianos, pero como la energía que tienen que emitir es baja… no hay inconvenientes.
Esta división de tareas dividíó básicamente los tipos de altavoces en tres, que vamos a detallar a continuación.
Woofer de 10´´.
Altavoces de graves, que ahora los llamaremos por su nombre en ingles “woofer”. Son grandes altavoces para mover la mayor cantidad de aire posible, generalmente entre ocho y dieciocho pulgadas (en los altavoces el diámetro se mide en pulgadas y todas las otras medidas en mm). Cuanto más grandes son, más aire mueven, o sea, logran mayor presión sonora, pero menos rango de frecuencias reproducen, por lo general woofers de 18´´ y 15´´ solo reproducen “fielmente”[2] hasta unos 150Hz, los de 12´´ y l0´´ hasta unos 400Hz y los de 8´´ hasta los 1000Hz normalmente. Estos woofers siempre tienen que ir acompañados de los dos siguientes tipos de altavoces ya que, si no, no es posible reproducir fielmente todo el espectro auditivo.
Un "mid-range" típico.
Altavoces de medios, que los llamamos “mid-range”. Consisten en pequeños altavoces constructivamente iguales a sus hermanos mayores, los “woofers”, pero al tener un tamaño mucho menor, del orden de 5´´ a 2´´ su masa es muchísimo menor y no tienen problemas en llegar a frecuencias del orden de 3000Hz a 5000Hz. Estos altavoces, como veremos más adelante, son críticos, ya que por el mismo se reproducen la mayoría de los instrumentos y la voz humana.
Pero antes de pasar al siguiente tipo de altavoz necesitamos ver otro tema, que también es inherente al diseño de los altavoces que estamos estudiando, y por esta causa los diseños de altavoces de agudos son totalmente distintos.
Las ondas sonoras tienen una frecuencia determinada. Como la velocidad del sonido en el aire es de unos 336 m\s, podemos determinar la longitud de onda para cada frecuencia. Así, para 20Hz la longitud es de unos 16.8 metros, para 2000hz, unos 16,8 centímetros, y para 20000Hz, unos 1,68 milímetros. Presten atención a lo siguiente, porque es importantísimo: Cuando un altavoz emite una onda cuya longitud de onda es mayor que su diámetro, éste radia esféricamente en todas las direcciones, o sea, que no importa donde nos ubiquemos: vamos a escuchar igual los sonidos mientras estos tengan una longitud de onda mayor que el diámetro del altavoz que lo reproduce. Por ejemplo, un altavoz de 6.5´´ va a emitir sonido esfericamente hasta una frecuencia de 2000Hz aproximadamente (lo podemos deducir fácilmente con la formula “Velocidad del sonido / frecuencia = longitud de onda”), y uno de 18´´, hasta unos 735Hz.
¿Qué pasa cuando la longitud de onda empieza a ser menor que el diámetro del altavoz? Pues sucede un efecto llamado “difracción por borde” y el altavoz entra en una transición de emitir cada vez más direccionalmente hacia delante. Esto tiene dos problemas: uno es que si nos ponemos justo delante del altavoz escuchamos bien todo, pero si nos movemos a un lado, escuchamos sólo las frecuencias cuyas longitudes de onda son mayores que el diámetro, y las menores, no, y segundo, como antes la energía la distribuíamos esféricamente en todo el espacio circundante, a cada punto llegaba cierta cantidad que obedecía a la regla “disminuye al duplicar la distancia”, pero ahora que el altavoz esta radiando sólo hacia adelante, ¡concentra toda la energía en una dirección!, haciendo que en ese punto los sonidos cuya longitud de onda es menor que el diámetro del altavoz suenen mucho más “fuerte” o sea, con mayor presión sonora.
En altavoces de graves y medios esto por lo general no es un problema, ya que normalmente reproducen frecuencias cuya longitud de onda es mayor que su diámetro y podemos usar para ellos un diseño clásico, pero cuando la frecuencia a reproducir es muy alta la longitud de onda se estrecha drásticamente, al orden de milímetros, y, como supondrán, no es viable hacer altavoces tan pequeños, ya que por más que sólo se reproducirán por los mismos solo el 10% de la energía, hay un tamaño mínimo.
Tweeter domo de 1´´.
Altavoces de agudos, a los que normalmente se les denomina “tweeter”. En vez de usar el típico diseño exponencial, descubrimos que a altas frecuencias una forma de domo podía radiar más esféricamente (no al 100%, pero mucho mejor que el típico cono). El domo se llevó a valores de 1.5´´ a 0.5´´, y gracias al diseño de su domo, podían emitir sonidos a altas frecuencias bastante omnidireccionalmente, además de que se desarrollaron muchísimas tecnologías totalmente distintas, como tweeters de cinta, piezoeléctricos, anillo radiante, motores de compresión, etc. Pero como el 90% de los tweeters para alta fidelidad son de tipo “domo”, sólo estudiaremos este tipo y tal vez algo de “anillos radiantes”, ya que se están poniendo muy de moda y su principio de funcionamiento es el mismo que el de los transductores electroacústicos.
Mid-woofer de 7´´.
Vimos en un ejemplo anterior que un altavoz de 6.5´´ puede reproducir teóricamente hasta 2000Hz sin problemas. A los woofers de este tamaño aproximado entre 7´´ y 5.5´´ se les llama “mid-woofer” por que si están bien y específicamente diseñados para esto, pueden reproducir graves gracias a su tamaño, no con la presión sonora de uno más grande, pero sí lo suficiente para un uso hogareño, y reproducir medios gracias a su baja masa. Estos, unidos con algún tweeter de diseño eficiente que reproduzca desde unos 2000Hz nos dan también toda la banda auditiva, pero con dos altavoces en ves de tres. En la jerga se les llaman “dos vías y tres vías”.
También existen los denominados “sub-woofer”, que no son más que un woofer diseñado para reproducir sólo las dos primeras octavas del espectro, o sea, de 20Hz a 80Hz o a lo sumo 120Hz, banda que los woofers y mid-woofers normalmente no reproducen bien
Como ya sabemos, un sonido es una onda que se desplaza por un medio material, comúnmente el aire. Dicho sonido tiene una frecuencia determinada, y a más alta esta frecuencia, más “agudo” escuchamos el sonido, y a menor frecuencia lo escuchamos más “grave”. Para facilitar las cosas, los rangos de frecuencias se dividieron en diferentes tipos.
Los sonidos “graves” son los que se encuentran entre los 20Hz, que es la mínima frecuencia que el oído humano puede sentir (aunque cada ser humano tiene límites ligeramente distintos, más o menos por debajo de esa frecuencia no oímos nada) y aproximadamente los 320Hz. Por lo tanto cuando escuchamos un bajo o un bombo, que suenan “graves”, estamos sintiendo una onda de baja frecuencia, normalmente entre las dos frecuencias citadas.
Los sonidos “medios” son los que su frecuencia se encuentra entre los 320Hz y los 2560Hz aproximadamente. Entre estos sonidos tenemos la mayor parte de las notas del piano, la voz humana, las guitarras y un sin fin de instrumentos más.
Y los sonidos “agudos” son los comprendidos entre los 2560Hz y los 20000Hz, que es el límite superior que la mayoría de los oídos humanos pueden oír cuando somos jóvenes (si… los viejos ya no oyen nada a partir de unos 16000Hz). Entre los agudos tenemos los platillos, las notas más agudas de los violines, las campanas, y mayormente los armónicos de las frecuencias menores que son los que le dan el “timbre” carácterístico a cada instrumento y que estudiaremos más adelante. En la siguiente ilustración tenemos los rangos aproximados de algunos instrumentos:
Podemos fijarnos en un detalle: los graves sólo tienen un rango de 300hz, los medios un rango de unos 2000hz y los agudos un rango de ¡18000hz! ¿Por qué tanta diferencia? ¿Por qué los agudos son “privilegiados” y contienen la mayor parte del espectro auditivo? Esto es por que el oído no siente los sonidos linealmente, sino de forma “logarítmica”.
Nuestro oído puede detectar sin problemas una variación de 60Hz a 61Hz, pero no de 10000Hz a 10001Hz ya que nuestro oído también trabaja de forma logarítmica. De esta forma, el sonido se dividíó en octavas, que son las siguientes en Hz: 20 a 40, primera; 40 a 80, segunda; 80 a160, tercera; 160 a 320, cuarta; 320 a 640, quinta; 640 a 1280, sexta; 1280 a 2560, séptima; 2560 a 5120, octava; 5120 a 10240, novena; y de 10240 a 20480, décima. O sea, a cada altavoz le tocan sólo algunas octavas y nada más.
Se diseña un altavoz para cada rango de frecuencias, ya que los grandes pueden oscilar lentamente pero generar gran amplitud, los medianos pueden oscilar más rápidamente, pero con una amplitud menor y los pequeños pueden oscilar rapidísimo, pero su amplitud es muy baja. Podemos rápidamente determinar que a más amplitud, más energía en juego.
En el espectro auditivo, los sonidos graves tienen normalmente el 65% de la energía acústica por su gran amplitud, y como los altavoces diseñados para sonidos graves son grandes y con gran amplitud.
Los sonidos medios tienen aproximadamente el 25% de la energía acústica total, por lo que un altavoz más pequeño la podrá manejar sin problemas, y al ser pequeño podrá reproducirlos mejor que uno grande. Y a los agudos sólo les toca el 10% de la energía total, ya que los mismos tienen una amplitud muy baja, pero oscilar a 20000Hz no es cosa fácil. Por eso es que los altavoces de agudos son pequeñísimos y livianos, pero como la energía que tienen que emitir es baja… no hay inconvenientes.
Esta división de tareas dividíó básicamente los tipos de altavoces en tres, que vamos a detallar a continuación.
Woofer de 10´´.
Altavoces de graves, que ahora los llamaremos por su nombre en ingles “woofer”. Son grandes altavoces para mover la mayor cantidad de aire posible, generalmente entre ocho y dieciocho pulgadas (en los altavoces el diámetro se mide en pulgadas y todas las otras medidas en mm). Cuanto más grandes son, más aire mueven, o sea, logran mayor presión sonora, pero menos rango de frecuencias reproducen, por lo general woofers de 18´´ y 15´´ solo reproducen “fielmente”[2] hasta unos 150Hz, los de 12´´ y l0´´ hasta unos 400Hz y los de 8´´ hasta los 1000Hz normalmente. Estos woofers siempre tienen que ir acompañados de los dos siguientes tipos de altavoces ya que, si no, no es posible reproducir fielmente todo el espectro auditivo.
Un "mid-range" típico.
Altavoces de medios, que los llamamos “mid-range”. Consisten en pequeños altavoces constructivamente iguales a sus hermanos mayores, los “woofers”, pero al tener un tamaño mucho menor, del orden de 5´´ a 2´´ su masa es muchísimo menor y no tienen problemas en llegar a frecuencias del orden de 3000Hz a 5000Hz. Estos altavoces, como veremos más adelante, son críticos, ya que por el mismo se reproducen la mayoría de los instrumentos y la voz humana.
Pero antes de pasar al siguiente tipo de altavoz necesitamos ver otro tema, que también es inherente al diseño de los altavoces que estamos estudiando, y por esta causa los diseños de altavoces de agudos son totalmente distintos.
Las ondas sonoras tienen una frecuencia determinada. Como la velocidad del sonido en el aire es de unos 336 m\s, podemos determinar la longitud de onda para cada frecuencia. Así, para 20Hz la longitud es de unos 16.8 metros, para 2000hz, unos 16,8 centímetros, y para 20000Hz, unos 1,68 milímetros. Presten atención a lo siguiente, porque es importantísimo: Cuando un altavoz emite una onda cuya longitud de onda es mayor que su diámetro, éste radia esféricamente en todas las direcciones, o sea, que no importa donde nos ubiquemos: vamos a escuchar igual los sonidos mientras estos tengan una longitud de onda mayor que el diámetro del altavoz que lo reproduce. Por ejemplo, un altavoz de 6.5´´ va a emitir sonido esfericamente hasta una frecuencia de 2000Hz aproximadamente (lo podemos deducir fácilmente con la formula “Velocidad del sonido / frecuencia = longitud de onda”), y uno de 18´´, hasta unos 735Hz.
¿Qué pasa cuando la longitud de onda empieza a ser menor que el diámetro del altavoz? Pues sucede un efecto llamado “difracción por borde” y el altavoz entra en una transición de emitir cada vez más direccionalmente hacia delante. Esto tiene dos problemas: uno es que si nos ponemos justo delante del altavoz escuchamos bien todo, pero si nos movemos a un lado, escuchamos sólo las frecuencias cuyas longitudes de onda son mayores que el diámetro, y las menores, no, y segundo, como antes la energía la distribuíamos esféricamente en todo el espacio circundante, a cada punto llegaba cierta cantidad que obedecía a la regla “disminuye al duplicar la distancia”, pero ahora que el altavoz esta radiando sólo hacia adelante, ¡concentra toda la energía en una dirección!, haciendo que en ese punto los sonidos cuya longitud de onda es menor que el diámetro del altavoz suenen mucho más “fuerte” o sea, con mayor presión sonora.
En altavoces de graves y medios esto por lo general no es un problema, ya que normalmente reproducen frecuencias cuya longitud de onda es mayor que su diámetro y podemos usar para ellos un diseño clásico, pero cuando la frecuencia a reproducir es muy alta la longitud de onda se estrecha drásticamente, al orden de milímetros, y, como supondrán, no es viable hacer altavoces tan pequeños, ya que por más que sólo se reproducirán por los mismos solo el 10% de la energía, hay un tamaño mínimo.
Tweeter domo de 1´´.
Altavoces de agudos, a los que normalmente se les denomina “tweeter”. En vez de usar el típico diseño exponencial, descubrimos que a altas frecuencias una forma de domo podía radiar más esféricamente (no al 100%, pero mucho mejor que el típico cono). El domo se llevó a valores de 1.5´´ a 0.5´´, y gracias al diseño de su domo, podían emitir sonidos a altas frecuencias bastante omnidireccionalmente, además de que se desarrollaron muchísimas tecnologías totalmente distintas, como tweeters de cinta, piezoeléctricos, anillo radiante, motores de compresión, etc. Pero como el 90% de los tweeters para alta fidelidad son de tipo “domo”, sólo estudiaremos este tipo y tal vez algo de “anillos radiantes”, ya que se están poniendo muy de moda y su principio de funcionamiento es el mismo que el de los transductores electroacústicos.
Mid-woofer de 7´´.
Vimos en un ejemplo anterior que un altavoz de 6.5´´ puede reproducir teóricamente hasta 2000Hz sin problemas. A los woofers de este tamaño aproximado entre 7´´ y 5.5´´ se les llama “mid-woofer” por que si están bien y específicamente diseñados para esto, pueden reproducir graves gracias a su tamaño, no con la presión sonora de uno más grande, pero sí lo suficiente para un uso hogareño, y reproducir medios gracias a su baja masa. Estos, unidos con algún tweeter de diseño eficiente que reproduzca desde unos 2000Hz nos dan también toda la banda auditiva, pero con dos altavoces en ves de tres. En la jerga se les llaman “dos vías y tres vías”.
También existen los denominados “sub-woofer”, que no son más que un woofer diseñado para reproducir sólo las dos primeras octavas del espectro, o sea, de 20Hz a 80Hz o a lo sumo 120Hz, banda que los woofers y mid-woofers normalmente no reproducen bien