Fundamentos de Transductores Acústicos: Altavoces y Procesamiento de Señal

Introducción a los Transductores Acústicos: El Altavoz

El altavoz es un elemento fundamental en cualquier sistema de audio, cuya función principal es convertir las señales eléctricas procedentes de un amplificador en variaciones de presión sonora audibles.

Principio de Funcionamiento: Altavoz de Bobina Móvil

El diseño más común es el altavoz de bobina móvil. Este sistema se basa en la interacción entre un campo magnético y una corriente eléctrica:

• Un imán crea un campo magnético permanente.
• Una bobina, asociada a una membrana (cono), se sitúa dentro de este campo magnético.
• Cuando se aplican señales eléctricas a la bobina, esta genera un campo magnético variable que interactúa con el campo permanente, provocando su vibración.
• La vibración de la membrana desplaza las moléculas de aire circundantes, generando la onda acústica.

Características Técnicas Clave de los Altavoces

Para describir el rendimiento de un altavoz, se utilizan varias especificaciones importantes:

1. Sensibilidad

Mide la presión sonora (en dB) producida a 1 metro de distancia cuando se le aplica una potencia de entrada de 1 W.

2. Potencia (Manejo de Potencia)

Es la máxima potencia que el altavoz es capaz de disipar de manera continua sin sufrir daños o destrucción.

3. Rendimiento (Eficiencia)

El rendimiento mide el grado de sensibilidad del altavoz, calculado como:

$$\text{Rendimiento} = \frac{\text{Potencia acústica}}{\text{Potencia eléctrica}} \times 100$$

4. Directividad

Indica el modo en el que el sonido se dispersa o propaga en el entorno desde el transductor.

5. Impedancia

Es la resistencia aparente que presenta el altavoz al circuito de audio. Es importante notar que es un valor que varía con la frecuencia.

6. Respuesta en Frecuencia

Describe el comportamiento del altavoz ante el espectro de frecuencias audibles (generalmente 20 Hz a 20 kHz).

Clasificación por Rango de Frecuencia (Altavoces Independientes)

Los sistemas de alta fidelidad a menudo utilizan transductores especializados para cubrir todo el espectro audible:

• Tweeter: Diseñado para reproducir frecuencias agudas. Rango típico: 5 kHz – 20 kHz.
• Squawker (o Midrange): Para reproducir frecuencias medias. Rango típico: 200 Hz – 8 kHz.
• Woofer: Para reproducir frecuencias bajas. Rango típico: 20 Hz – 1 kHz.
• Subwoofer: Especializado en reproducir frecuencias muy bajas (graves profundos). Rango típico: 2 Hz – 100 Hz.

El Filtro Crossover

El filtro crossover es esencial para optimizar la respuesta del conjunto de altavoces. Dentro de las cajas acústicas, estos filtros electrónicos se encargan de:

1. Separar la señal de audio entrante según su frecuencia.
2. Entregar las componentes de frecuencia separadas al transductor correspondiente (woofer, tweeter, etc.).

Generadores de Efectos y Procesamiento Digital de Señal (DSP)

Los Procesadores Digitales de Señal (DSP) son cruciales en el audio moderno para manipular el sonido en tiempo real.

Funcionamiento del DSP

El proceso general implica:

1. Digitalización: El sonido analógico se convierte a formato digital y se introduce en una memoria temporal.
2. Evaluación y Modificación: Se aplican las modificaciones definidas por los patrones de efectos preestablecidos.
3. Conversión: El resultado se vuelve a convertir a señal analógica en tiempo real para continuar su camino hacia la amplificación y los altavoces.

Parámetros Específicos de Sistemas Digitales

La calidad y precisión del procesamiento digital dependen de varios parámetros fundamentales:

Frecuencia de Muestreo (Sampling Rate)

Define la velocidad a la que se toman las muestras del sonido analógico. Según el Teorema de Nyquist, esta frecuencia debe ser siempre mayor del doble de la frecuencia más alta que se desea procesar con fidelidad.

Longitud de Palabra (Bit Depth)

Indica la cantidad de bits que se utilizan para representar la amplitud de cada muestra tomada a la salida del conversor Analógico-Digital (A/D). Una mayor longitud de palabra resulta en una mayor resolución dinámica.

Sobremuestreo (Oversampling)

Consiste en aplicar un filtro digital que genera muestreos virtuales simultáneos. El objetivo principal de esta técnica es conseguir una mayor resolución y, simultáneamente, disminuir el ruido inherente a la señal digitalizada.