La importancia de la resonancia y la frecuencia resonante en los sistemas de audio

Los diseñadores que trabajan con sistemas de audio resonantes se enfrentan a dos retos fundamentales. La primera es aprovechar la frecuencia de resonancia y la zona de resonancia de un altavoz o timbre para producir el mayor nivel de presión sonora (SPL) de salida. La segunda es evitar los zumbidos y traqueteos que inducen a la resonancia en la caja y el sistema de montaje de un dispositivo de audio. Aunque la resonancia es un concepto conocido, este artículo repasará sus implicaciones en el diseño de audio, incluidos los retos mencionados anteriormente, los factores que afectan a la resonancia, cómo leer una curva de respuesta en frecuencia y mucho más.

Conceptos básicos de resonancia y frecuencia de resonancia

Para comprender el impacto de la resonancia, primero hay que entenderla a nivel básico. La resonancia tiene lugar cuando un objeto físico o un circuito electrónico absorbe la energía de un impulso inicial y luego sigue vibrando a la misma frecuencia, aunque con una amplitud decreciente, y sin que actúe ninguna otra fuerza sobre él. La frecuencia a la que se produce este comportamiento se conoce como la frecuencia de resonancia del sistema, designada como F0.

La resonancia puede aparecer en muchos contextos. Las guitarras son un ejemplo perfecto para el día a día, ya que producen el sonido completamente por vibración. Cuando un intérprete pulsa una cuerda de una guitarra acústica, vibra y transmite la energía sonora al cuerpo hueco de madera del instrumento, haciéndolo resonar y amplificando el sonido que produce. Del mismo modo, un filtro LC puede resonar como un circuito tanque sintonizado si es estimulado por una señal a la frecuencia adecuada. Este efecto se utiliza en las radios básicas para captar una señal de radiodifusión ajustando el valor de la capacitancia o la inductancia en el circuito tanque para que su frecuencia de resonancia coincida con la de la frecuencia de radiodifusión. La resonancia electromecánica de un oscilador de cristal piezoeléctrico puede utilizarse como referencia de frecuencia.

Una visión general de los componentes de salida de audio

La resonancia mecánica se ve afectada por el peso y la rigidez que une las diferentes masas. Cuando se trata de altavoces estándar, esta masa es el diafragma (o cono) y la rigidez depende de la flexibilidad de la suspensión que une el diafragma con el armazón. Dado que los altavoces se fabrican de muchas maneras diferentes, cada tipo de altavoz puede dar lugar a frecuencias de resonancia variadas.

Otros factores que harán que la frecuencia de resonancia de un altavoz varíe son el material del cono, el grosor de la suspensión y el tamaño del electroimán, que está unido a la parte trasera del cono y que influye en el peso. En general, los materiales más ligeros y rígidos y las suspensiones flexibles dan lugar a frecuencias de resonancia más altas. Por ejemplo, los tweeters de alta frecuencia son pequeños y ligeros con conos de mylar rígidos y suspensiones muy flexibles. Modificando estos factores, los altavoces estándar tienen un rango de frecuencias entre 20 Hz y 20,000 Hz.

Figura 1: Estructura estándar del altavoz (Fuente de la imagen: Same Sky)

Otro tipo de componente de salida de audio son los zumbadores con transductor magnético. Estos separan el mecanismo de accionamiento del mecanismo de producción de sonido de una manera diferente a la de un altavoz. Gracias a un diafragma más ligero y unido de forma más rígida al armazón, los transductores magnéticos tienen una gama de frecuencias normales más alta, pero con un alcance reducido. Suelen producir sonido de 2 a 3 kHz con la ventaja añadida de necesitar menos corriente que los altavoces para producir el mismo nivel de presión sonora.

Figura 2: Estructura de un zumbador magnético estándar (Fuente de la imagen: Same Sky)

Por último, están los zumbadores con transductores piezoeléctricos, que son aún más eficaces para producir niveles de presión sonora más altos con la misma cantidad de corriente que sus homólogos magnéticos. Utilizando el efecto piezoeléctrico, hacen variar un campo eléctrico para que el elemento piezocerámico se doble en un sentido y luego en otro, lo que da lugar a la emisión de ondas sonoras. Este material piezoeléctrico suele ser rígido, y los componentes utilizados en este tipo de zumbadores son pequeños y finos. Los zumbadores con transductor piezoeléctrico, al igual que las versiones magnéticas, generan ruidos agudos de entre 1 y 5 kHz con un estrecho rango de frecuencias.

Figura 3: Estructura estándar de un zumbador piezoeléctrico (Fuente de la imagen: Same Sky)

Consideraciones sobre el diseño de la resonancia

El diseño de altavoces o zumbadores que aprovechen la resonancia es una tarea compleja que implica tener en cuenta la frecuencia de resonancia deseada o el rango de frecuencias de resonancia, las características del altavoz o zumbador que se utilizará y la forma y el tamaño del recinto en el que se montará. Estos factores pueden influirse mutuamente de forma bastante radical.

Por ejemplo, el montaje de un altavoz pequeño en un recinto muy grande le permitirá moverse libremente, por lo que la frecuencia de resonancia del sistema (altavoz más recinto) será probablemente la misma que la resonancia intrínseca del altavoz que funciona en aire libre. Pero si se coloca un altavoz en un recinto pequeño y bien cerrado, el aire del interior actuará como un muelle mecánico que interactúa con el cono del altavoz y afecta a la frecuencia de resonancia del sistema. Hay otras interacciones, como las características no lineales del accionamiento eléctrico, que también deben tenerse en cuenta para lograr un diseño eficiente.

Dada esta complejidad, la mejor manera de proceder con cualquier tipo de diseño de audio suele ser construir algunos prototipos, medir sus características y luego ajustarlos para producir la mejor salida con la fuente de audio elegida. Este enfoque basado en la creación de prototipos también puede ayudar a los diseñadores a comprender y compensar el hecho de que las características de los componentes variarán dentro de las tolerancias de fabricación y las geometrías y rigideces de las cajas estarán sujetas a variaciones de producción. Un altavoz fabricado a mano con los mejores componentes seleccionados de un lote suele alcanzar un rendimiento difícil de lograr repetidamente con técnicas de producción en serie y componentes estándar.

Los recintos, especialmente los de los altavoces, también deben estar diseñados para tener suficiente espacio interno para que la energía de audio que se produce se desarrolle sin atenuación. Una modesta reducción de 3 dB en el nivel de presión sonora, causada por el revestimiento o los materiales del recinto, reducirá a la mitad la potencia sonora de salida. La entrada del blog "Cómo diseñar una caja de microaltavoces" de Same Sky trata este tema con más detalle.

En general, es importante observar la respuesta de espectro completo de un componente de audio y aprovechar su rendimiento en las frecuencias que existen a ambos lados de su pico de frecuencia de resonancia. Dado que la frecuencia de resonancia no es un número exacto ni necesariamente una banda muy estrecha, sobre todo en el caso de los altavoces, es probable que haya una respuesta en frecuencia útil que los diseñadores puedan aprovechar a ambos lados del valor máximo especificado en una hoja de datos. La idea es optimizar el SPL de salida y la frecuencia para una potencia de entrada determinada. Para lograrlo, el dispositivo debe ser accionado a su frecuencia de resonancia y a frecuencias dentro de sus zonas de resonancia.

Por ejemplo, la hoja de datos del altavoz CSS-10246-108 de Same Sky dice que tiene una frecuencia de resonancia de 200 Hz ±40 Hz, pero su gráfico de respuesta en frecuencia muestra otro pico de resonancia a unos 3.5 kHz. También hay una zona de resonancia desde aproximadamente 200 Hz hasta 3.5 kHz. Los diseñadores pueden aprovechar esta información para adaptar su elección de altavoces a su aplicación.

Figura 4: Curva de respuesta en frecuencia del altavoz CSS-10246-108 (Fuente de la imagen: Same Sky)

Como otro ejemplo, el zumbador transductor magnético CMT-4023S-SMT-TR de Same Sky indica una frecuencia de resonancia de 4000 Hz en su hoja de datos. Esto se confirma mediante el gráfico de respuesta en frecuencia del zumbador que se muestra a continuación. Como alternativa, para simplificar los problemas de resonancia, los zumbadores también están disponibles como indicadores de audio que cuentan con un circuito de accionamiento integrado. Como su funcionamiento se ajusta a una frecuencia nominal fija, estos dispositivos accionados internamente no necesitan un gráfico de respuesta en frecuencia porque están diseñados para maximizar el SPL en su ventana de frecuencia especificada.

Figura 5: Curva de respuesta en frecuencia del zumbador transductor magnético CMT-4023S-SMT-TR (Fuente de la imagen: Same Sky)

Conclusión:

Cuando se diseña un dispositivo de audio para una aplicación, los ingenieros deben tener en cuenta la frecuencia de resonancia del dispositivo para asegurarse de que produce el mayor nivel de presión sonora sin inducir vibraciones no deseadas. Esto significa utilizar los datos suministrados por el proveedor, en particular la frecuencia de resonancia, como punto de partida en un diseño y luego optimizar el diseño a través de la zona de resonancia que existe alrededor de este valor. Una vez completado el diseño inicial, se deben utilizar prototipos para comprobar que la forma en que el dispositivo de audio interactúa con su caja y su montaje se ajusta al rendimiento diseñado. Same Sky ofrece una gama de soluciones de audio en todo el espectro de frecuencias para ayudar a los ingenieros a encontrar el componente adecuado para el trabajo.