Una mirada a la gama de frecuencias de audio y a los componentes de audio

Desde el coche hasta el hogar, pasando por los dispositivos portátiles, el audio está en todas partes y sus aplicaciones no hacen más que crecer. Cuando se trata de diseñar un sistema de audio, el tamaño, el costo y la calidad son factores importantes a tener en cuenta. En la calidad influyen muchas variables, pero normalmente se reduce a la capacidad de un sistema para recrear las frecuencias de audio necesarias para un determinado diseño. En este artículo, aprenda más sobre los fundamentos de la gama de frecuencias de audio y sus subconjuntos, el impacto del diseño de los recintos y cómo determinar qué gamas de audio pueden ser necesarias dependiendo de la aplicación.

Fundamentos de la gama de frecuencias de audio

De 20 Hz a 20,000 Hz es la gama de frecuencias de audio comúnmente referenciada. Sin embargo, el ser humano medio puede oír menos de esta franja de 20 Hz a 20 kHz y, a medida que los individuos envejecen, esta franja detectable sigue reduciéndose. La frecuencia de audio se entiende mejor a través de la música, en la que cada octava posterior duplica la frecuencia. La nota más grave de un piano, el la, se sitúa en torno a los 27 Hz, mientras que la nota más aguda, el do, se acerca a los 4186 Hz. Fuera de estas frecuencias comunes, cualquier objeto o dispositivo que produce sonido también produce frecuencias armónicas. Son simplemente frecuencias más altas con una amplitud menor. Por ejemplo, la nota "A" de 27 Hz de un piano también genera un armónico de 54 Hz, un armónico de 81 Hz, y así sucesivamente, siendo cada armónico más silencioso que el anterior. Los armónicos adquieren especial importancia en los sistemas de altavoces de alta fidelidad, donde es necesario recrear con precisión la fuente de audio.

Subconjuntos de audiofrecuencia

La tabla siguiente enumera los siete subconjuntos de frecuencias dentro del espectro de 20 Hz a 20,000 Hz que ayudan a definir los rangos objetivo utilizados en el diseño de sistemas de audio.

Cuadro 1: Subgrupos de la gama de frecuencias de audio. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Gráficos de respuesta en frecuencia

Los gráficos de respuesta en frecuencia son una buena forma de visualizar cómo un zumbador, un micrófono o un altavoz reproducen diversas frecuencias de audio. Dado que los zumbadores solo emiten un tono audible, suelen tener un rango de frecuencias estrecho. Por otro lado, los altavoces suelen tener rangos de frecuencia más amplios porque suelen tener la misión de recrear el sonido y la voz.

El eje y de un gráfico de respuesta en frecuencia para dispositivos de salida de audio, como altavoces y zumbadores, se representa en decibelios de nivel de presión sonora (dB SPL), que es básicamente la sonoridad de un dispositivo. El eje y para los dispositivos de entrada de audio, como los micrófonos, representa en cambio la sensibilidad en dB, ya que detectan y no producen sonido. En la figura 1, el eje de abscisas representa la frecuencia en una escala logarítmica y el eje de ordenadas está expresado en dB de SPL, por lo que se trata de un gráfico para un dispositivo de salida de audio. Ten en cuenta que, como los dB también son logarítmicos, ambos ejes son logarítmicos.

Figura 1: Gráfico básico de respuesta en frecuencia. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Este gráfico, que representa cuántos dB de SPL se producirán con una entrada de potencia constante a diferentes frecuencias, es relativamente plano con cambios mínimos en todo el espectro de frecuencias. Aparte de una caída pronunciada por debajo de 70 Hz, este dispositivo de audio provisto de la misma potencia de entrada produciría un SPL consistente entre 70 Hz y 20 kHz. Todo lo que esté por debajo de 70 Hz produciría menos salida SPL.

El gráfico de respuesta en frecuencia del altavoz CSS-50508N de Same Sky (Figura 2) es un mejor ejemplo de un perfil de altavoz más típico. Este gráfico incluye picos y valles variados que denotan puntos en los que la resonancia refuerza o reduce la salida. La ficha técnica de este altavoz de 41 mm x 41 mm indica una frecuencia de resonancia de 380 Hz ± 76 Hz, que puede verse como el primer pico principal del gráfico. Esto disminuye rápidamente alrededor de los 600 a 700 Hz, pero luego proporciona un rendimiento estable de SPL desde aproximadamente 800 Hz a 3,000 Hz. Debido al tamaño del altavoz, un diseñador podría suponer que el CSS-50508N no tendría un buen rendimiento en las frecuencias más bajas en comparación con las más altas, lo que se confirma en el gráfico. Al comprender cómo y cuándo consultar un gráfico de respuesta en frecuencia, un ingeniero de diseño puede confirmar si un altavoz u otro dispositivo de salida puede reproducir sus frecuencias objetivo.

Figura 2: Gráfico de respuesta en frecuencia del altavoz CSS-50508N de 41 mm x 41 mm de Same Sky. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Gama de audio y consideraciones sobre el recinto

La gama de audio puede influir en el diseño del recinto de varias maneras, como se indica en las secciones siguientes.

Tamaño del altavoz

Los altavoces de menor tamaño se mueven más rápido en comparación con los de mayor tamaño, lo que les permite producir frecuencias más altas con menos armónicos no deseados. Sin embargo, cuando se trata de conseguir una salida SPL similar a frecuencias más bajas, se necesitan diafragmas de altavoz más grandes para mover suficiente aire con el fin de igualar los mismos dB de SPL percibidos que los tonos más altos. Aunque los diafragmas más grandes son mucho más pesados, esto no suele suponer un problema en las frecuencias más bajas, donde se mueven mucho más despacio.

Decidir entre un altavoz más pequeño o más grande dependerá, en última instancia, de los requisitos de la aplicación, pero los altavoces más pequeños suelen dar lugar a un recinto más pequeño, lo que puede reducir el costo y mejorar el ahorro de espacio. Obtenga más información en el blog de Same Sky sobre Cómo diseñar una caja de microaltavoces.

Frecuencia de resonancia

La frecuencia de resonancia representa la frecuencia a la que un objeto quiere vibrar de forma natural. Las cuerdas de las guitarras vibran a su frecuencia de resonancia cuando son pulsadas, lo que significa que si se colocara un altavoz junto a una cuerda de guitarra tocando su frecuencia de resonancia, la cuerda de la guitarra comenzaría a vibrar y aumentaría su amplitud con el tiempo. Sin embargo, cuando se trata de audio, este mismo fenómeno puede provocar zumbidos y traqueteos no deseados con los objetos circundantes. El blog de Same Sky sobre resonancia y frecuencia de resonancia ofrece información adicional sobre este tema.

Para evitar tener un altavoz con una salida no lineal y armónicos no deseados, es importante en el diseño del recinto confirmar que este no tiene una frecuencia de resonancia natural en el mismo espectro que la salida de audio prevista.

Compensación de materiales

El diseño de los altavoces y los micrófonos establece un delicado equilibrio entre los componentes que deben permanecer quietos, flexibles y rígidos durante el movimiento. El diafragma (o cono) de un altavoz debe ser ligero para permitir una respuesta rápida y, al mismo tiempo, ser lo más rígido posible para evitar su deformación al moverse. Los altavoces de Same Sky suelen utilizar papel y mylar, que son ligeros y rígidos. Como tipo de plástico, el mylar también tiene la ventaja de ser resistente a la humedad. Además del diafragma, se utiliza goma para conectar el diafragma con el marco. Para evitar que se rompa debido a un movimiento extremo, este material debe ser fuerte y flexible para no restringir el movimiento del diafragma.

Figura 3: Construcción básica de un altavoz. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Estas mismas compensaciones también pueden verse al comparar las tecnologías de los micrófonos. Los micrófonos de condensador Electret y los micrófonos MEMS ofrecen a los usuarios durabilidad, paquetes compactos y bajo consumo, pero con una frecuencia y sensibilidad más limitadas. Por otro lado, los micrófonos de cinta ofrecen una mayor sensibilidad y rango de frecuencias con la contrapartida de una escasa durabilidad.

El material también es una elección importante en el diseño del recinto, ya que influye tanto en la resonancia como en la absorción del sonido. El objetivo principal de un recinto es amortiguar el sonido generado hacia atrás fuera de fase, lo que significa que el material elegido debe ser eficaz en la absorción del sonido. Esto es particularmente crucial en aplicaciones de sonido de baja frecuencia, donde es más difícil de amortiguar.

Conclusión:

A fin de cuentas, hay un número limitado de sistemas de audio y ningún dispositivo de salida de audio individual que pueda abarcar todo el espectro de audio con algún nivel de fidelidad. En general, la mayoría de las aplicaciones no requieren este nivel de fidelidad, y es probable que no se necesite una salida perfectamente lineal. Sin embargo, la comprensión de la gama de frecuencias de audio seguirá desempeñando un papel importante en la selección de un componente de audio adecuado para un diseño. Al tener este conocimiento, los ingenieros pueden sopesar mejor las compensaciones entre coste, tamaño y rendimiento. Same Sky ofrece una gama de soluciones de audio con distintos rangos de frecuencia para dar soporte a un completo conjunto de aplicaciones.