Guía completa para la selección de altavoces

Los altavoces son fundamentales en los sistemas de audio, ya que funcionan como transductores que convierten las señales eléctricas en las ondas sonoras audibles que experimenta el usuario. Para comprender plenamente su papel en la reproducción del sonido, es esencial explorar los principios de ingeniería que subyacen a su funcionamiento y los componentes clave que intervienen. Este artículo ofrece un examen detallado de la tecnología de altavoces, incluidos los principios fundamentales de funcionamiento, especificaciones importantes, consideraciones de diseño, tipos de conos e imanes, etc.

Conceptos básicos del altavoz

La producción de sonido en un altavoz es un proceso cuidadosamente diseñado que aprovecha los principios del electromagnetismo y el movimiento mecánico. Todo empieza con una señal eléctrica, que representa el contenido de audio que hay que reproducir. Esta señal puede proceder de diversas fuentes, como un smartphone, una computadora portátil o cualquier otro dispositivo de audio diseñado para generar impulsos eléctricos. Ya sea la melodía de una canción, la claridad de un podcast o los efectos envolventes de una película, esta señal sirve como plano eléctrico de la experiencia auditiva que el altavoz está a punto de crear.

En el corazón del altavoz hay componentes clave: la bobina móvil y el imán permanente. La bobina móvil, normalmente un hilo enrollado firmemente, está conectada a un cono o diafragma flexible. Esta bobina rodea un imán permanente, estableciendo el núcleo de la producción de sonido. A medida que la señal eléctrica atraviesa los cables del altavoz, activa la bobina móvil, desencadenando una secuencia de acciones impulsadas por fuerzas electromagnéticas. La corriente eléctrica genera un campo magnético alrededor de la bobina, cuya polaridad cambia en función de los cambios de la señal eléctrica.

El funcionamiento del altavoz depende de la interacción entre estos campos magnéticos. Cuando los campos fluctúan, se repelen y atraen alternativamente, haciendo que la bobina móvil y su cono acoplado se muevan rápidamente de un lado a otro. Este movimiento oscilatorio del cono interactúa con las moléculas de aire que lo rodean, haciéndolas vibrar en armonía con el movimiento del cono.

Estas vibraciones generan ondas de presión en el aire, que viajan hasta llegar a los oídos humanos, donde el cerebro las interpreta como sonido. Esto completa el proceso de percepción del sonido, transformando las señales eléctricas en ricas experiencias auditivas.

Figura 1: Principio de funcionamiento de un altavoz. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Explorar la anatomía de un altavoz revela varios componentes críticos que trabajan juntos para producir sonido: el cono, la bobina móvil, la placa, el imán, el marco y el yugo, y la placa de circuito impreso (PCB). Las siguientes ilustraciones muestran la estructura interna del altavoz desmontado (Figura 2) y montado (Figura 3).

Figura 2: Despiece de los componentes del altavoz. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Figura 3: Vista ensamblada de los componentes del altavoz. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Especificaciones y consideraciones importantes sobre los altavoces

Una vez establecidos los fundamentos del funcionamiento y la estructura de los altavoces, es fundamental tener en cuenta varias especificaciones y criterios de rendimiento clave a la hora de seleccionar un altavoz. Estos parámetros son vitales para garantizar que el altavoz cumpla las normas de rendimiento de audio y fiabilidad deseadas.

• Nivel de presión sonora (dB): El nivel de presión sonora (SPL) cuantifica la intensidad de las ondas sonoras en el aire, indicando esencialmente el volumen. Tanto la distancia a la fuente de sonido como las condiciones ambientales influyen en el SPL. Los decibelios (dB) son la unidad estándar para medir el SPL. Comprender la presión sonora es fundamental, no solo para diseñar altavoces, sino también para evaluar los niveles de ruido en distintos entornos, lo que es vital para el control y la regulación del ruido.
• Entrada máxima (A): Esta especificación indica la potencia máxima que puede soportar el altavoz durante un breve periodo de tiempo sin sufrir daños permanentes.
• Entrada nominal (A): La potencia nominal de entrada se refiere a la cantidad de potencia que el altavoz puede soportar con seguridad durante un funcionamiento continuo y prolongado. Este es un factor clave para garantizar la longevidad y fiabilidad del altavoz en condiciones normales de funcionamiento.
• Impedancia (Ohm): Mide la resistencia al flujo de corriente del amplificador al altavoz. Una impedancia más baja significa que el altavoz consumirá más potencia, por lo que es importante que la impedancia del altavoz coincida con la del amplificador. Una adaptación de impedancias adecuada es crucial para un rendimiento óptimo, una transferencia de potencia eficaz y el mantenimiento de una reproducción de audio de alta fidelidad, al tiempo que se evitan daños en el equipo.
• Frecuencia de resonancia (Hz): Es la frecuencia a la que el altavoz vibra con mayor eficacia, lo que permite conocer la respuesta de baja frecuencia del altavoz. Comprender la frecuencia de resonancia ayuda a comparar el rendimiento de distintos altavoces, sobre todo en la gama de frecuencias bajas.
• Tamaño (mm): El tamaño físico del altavoz influye directamente en su gama de frecuencias. Los altavoces más pequeños están optimizados para frecuencias más altas, mientras que los más grandes funcionan mejor a frecuencias más bajas. Esta relación es clave a la hora de diseñar sistemas para salidas de audio específicas, como graves profundos o voces claras de rango medio.
• Q total: El parámetro de Thiele-Small, conocido como Q total, sirve como amplia referencia para seleccionar el tipo de gabinete/recinto ideal para un altavoz. Un valor Q total de 0.4 o inferior sugiere que el altavoz es más adecuado para un gabinete/recinto ventilado. Un valor entre 0.4 y 0.7 significa que se recomienda un gabinete hermético, mientras que 0.7 o superior indica que el altavoz es adecuado para configuraciones de aire libre, semiabierto por detrás o bafle infinito. Sin embargo, estas directrices no son absolutas y es importante tener en cuenta todos los parámetros relevantes en un diseño para lograr el rendimiento de audio deseado.
• Protección contra el ingreso: Los altavoces pueden venir con una variedad de grados de protección de ingreso (IP) para los diseños que se ocupan de la humedad y los contaminantes que se encuentran en ambientes hostiles.
• Estilo de montaje: Dependiendo de la necesidad de la aplicación, los altavoces están disponibles en una variedad de estilos de conexión, incluyendo agujero pasante, cables, terminales de resorte y más.

Figura 4: Configuraciones habituales de conexión de altavoces. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Medidas y pruebas de altavoces

Tras seleccionar un altavoz en función de las especificaciones clave mencionadas anteriormente, es importante realizar mediciones y pruebas adicionales para garantizar que el altavoz se integra correctamente en el diseño y rinde de acuerdo con las expectativas. Los servicios de diseño de audio de Same Sky ofrecen asistencia para estas mediciones y pruebas críticas:

• Respuesta en frecuencia: Visualiza lo bien que el altavoz reproduce toda la gama de frecuencias audibles. En las dos entradas del blog de Same Sky sobre la gama de frecuencias de audio y la frecuencia de resonancia se analizan con más detalle los gráficos de respuesta en frecuencia.
• Barrido de frecuencia escalonado: Busca frecuencias alias para un análisis más detallado de la respuesta en frecuencia.
• Nivel y ganancia: Determina la capacidad de salida de energía del altavoz. Se mide dividiendo el nivel de salida de un dispositivo por su nivel de entrada.
• Distorsión armónica total más ruido (THD+N): La distorsión armónica se produce cuando se añaden tonos no deseados a la señal de audio, degradando la calidad del sonido. THD+N es una marca de rendimiento de un solo número, ampliamente comprendida y aceptada.
• Fase: Describe el desfase temporal entre una forma de onda y una señal de referencia. Las dos mediciones de fase principales en el diseño de Audio son la fase de entrada/salida del dispositivo y la fase entre canales, que garantiza la correcta sincronización entre varios altavoces de un sistema.
• Rub & Buzz: Detecta los productos armónicos de alta frecuencia generados en respuesta a un estímulo de baja frecuencia, lo que puede ayudar a identificar los defectos que causan ruidos no deseados.
• Parámetros Thiele-Small: Este juego de mediciones captura la impedancia compleja de un altavoz bajo prueba y proporciona parámetros electromecánicos que definen el rendimiento de baja frecuencia del altavoz. Los pequeños parámetros de Thiele, incluido el Q total, son esenciales para diseñar los recintos de los altavoces y para las pruebas de producción, ya que describen cómo interactuará el altavoz con su gabinete/recinto.
• Impedancia: Medir la impedancia del altavoz es crucial para comprender la resistencia que ofrece el altavoz al flujo de una señal de CA, como el audio de un amplificador. La impedancia se mide en ohmios y afecta a la potencia que el altavoz extraerá del amplificador, así como a su eficacia.

Tipos de conos de altavoz e imanes

El material del cono de un altavoz influye mucho en la calidad del sonido. Aunque los datos son útiles, la clave está en escuchar y probar. La durabilidad varía según el material: el plástico es el más duradero, seguido del papel y la tela, y luego la espuma. La vida útil también depende de la humedad, el entorno y la aplicación. He aquí un resumen de los materiales de conos más comunes:

• Plástico: Duradero y resistente al polvo y al agua, con tolerancias de fabricación precisas que reducen la distorsión y mejoran la calidad del sonido. Los costos varían en función del grosor y las técnicas de producción.
• Papel y tela: Ofrecen un gran sonido y autoamortiguación, pero pueden verse afectados por la humedad. Fabricados a partir de fibras de madera con aditivos, se suelen utilizar en altavoces grandes por su ligereza.
• Espuma: Rara vez se utiliza sola, la espuma se combina con materiales como el metal o el papel para mejorar la pérdida interna, lo que da como resultado un sonido más natural.

El tipo de imán también es un factor crucial en la construcción y el rendimiento de un altavoz. He aquí un resumen de los tipos más comunes utilizados en altavoces:

• Ferrita: De bajo costo y duradera, con buena resistencia a la corrosión, pero pesada y no ideal para uso portátil. Funcionan bien cerca de su capacidad máxima.
• AlNiCo: Ofrecen un tono clásico y son menos propensos a agrietarse, pero son más caros. Menos comunes hoy en día, se utilizan en aplicaciones de gama alta.
• Neodimio (NdFeB): Ligero con alta intensidad de campo, ideal para altavoces pequeños de alta presión sonora. Ofrecen una buena respuesta en frecuencia, pero son propensos a romperse.
• Samario-cobalto: Caro, pero destaca por su resistencia a la corrosión y su estabilidad térmica. Son menos resistentes y propensos a romperse.

Resumen

Comprender la mecánica de los altavoces ayuda a los ingenieros a crear experiencias de audio envolventes. Este artículo destaca los distintos componentes y especificaciones que intervienen en la selección del altavoz adecuado. Sin embargo, incluso con un conocimiento sólido de estos parámetros, es crucial realizar pruebas y mediciones minuciosas en el diseño final. Same Sky ofrece una gama de altavoces estándar y en miniatura, junto con servicios de diseño de audio, para ayudarlo en este proceso.