Altavoces

Para el músico, el operador de sonido, el arreglista, el diseñador de sistemas acústicos, y para el aficionado en general, los altavoces son el último eslabón de cualquier equipo de sonido. Gracias a ellos podemos comprobar como "suena" una pieza que se esté grabando o reproduciendo, o bien ejecutando en directo. Es a través de las cajas acústicas donde la música adquiere la dimensión justa para establecer la comunicación entre la música y el público.

El conocimiento preciso de los altavoces que nos sirven para escuchar una interpretación musical ayuda, sin ninguna duda, a la mejor comprensión de las virtudes y defectos de la misma. En resumidas cuentas, el altavoz es el elemento que transforma la señal de audio en vibraciones sonoras; y de la calidad del mismo depende el parecido del sonido reproducido con el original.

Otro elemento a tener en cuenta es el recinto donde se ubican los altavoces: Las cajas acústicas. Depende de la estructura de estas cajas el mayor o menor aprovechamiento de las cualidades de los altavoces.

También son de una importancia decisiva los filtros separadores de frecuencias; en todos los montajes multivías, los más comunes hoy, cada grupo de altavoces recibe sólo una porción del espectro musical, según las características concretas de cada altavoz.

El fin básico de un altavoz es trasladar al aire un movimiento que debe corresponder con las diferencias de voltaje que le llegan desde el amplificador. En realidad efectúan una acción inversa a la de los micrófonos, que transforman una vibración sonora en una diferencia de voltaje, que denominamos señal de audio. Hay que precisar, no obstante, que la señal de audio procedente de un micrófono es poco intensa (entre 1 y 10 milivatios), mientras que las señales que recibe un altavoz para funcionar pueden ser del orden de varios centenares de vatios.

ALTAVOCES ELECTRODINÁMICOS

La mayoría de altavoces que se utilizan para la reproducción musical obedecen al principio del electromagnetismo. El principio del funcionamiento del altavoz dinámico se basa en la interacción entre dos campos magnéticos, uno fuerte y estable que se debe al imán permanente, y otro más débil y variable generado por el paso de la señal audio a través de la bobina. El sistema de suspensión de esta bobina permite su movimiento hacia adelante y hacia atrás, obedeciendo a las atracciones y repulsiones instantáneas entre los dos campos magnéticos.

Estas vibraciones de la bobina móvil son transmitidas a la membrana de cartón o plástico que está unida a la bobina, llamada cono del altavoz, y es gracias al movimiento del cono que las ondas sonoras son transmitidas al aire.

Figura 1

La señal que procede del amplificador circula por la bobina móvil, de manera que esta corriente genera un campo magnético variable que reacciona ante el intenso campo magnético fijo, creado por el imán permanente del altavoz, y se traduce en el movimiento de vaivén de la bobina móvil. Esta bobina está sujeta por su extremo exterior a un cono radiador de cartón o plástico, protegido por la carcasa metálica del altavoz, y que se mueve solidariamente con la bobina móvil.

La polaridad de este campo magnético (Norte o Sur) depende de la dirección del flujo electrónico que haya en cada momento en el interior de la bobina. Cuando el flujo de la corriente cambia de dirección, la polaridad del campo magnético también cambia de sentido; esto origina que la bobina móvil se mueva en la dirección opuesta.

Cuando el flujo de la corriente de audio es positivo, el cono del altavoz se desplaza hacia afuera, mientras que cuando éste es negativo el cono se desplaza hacia el interior; de esta manera un altavoz reproduce en el aire las compresiones y rarificaciones que originan un sonido, siguiendo las variaciones de voltaje e intensidad que recibe del amplificador mediante la señal de audio. En la figura 1 se puede ver la constitución típica de un altavoz electrodinámico.

Puesto que el imán permanente es el que proporciona el flujo magnético estable que permite el funcionamiento del altavoz, la potencia de salida del mismo suele ser proporcional al tamaño de este imán, cuyo peso oscila entre los 20 y los 5.000 gramos. De todas formas, el tamaño de un altavoz dinámico se determina por el diámetro del cono, expresado generalmente en pulgadas, y puede ir desde una o dos pulgadas (25 ó 50 mm) hasta las 18 pulgadas de los altavoces usados en la construcción de recintos que reproducen frecuencias muy bajas.

La direccionalidad de un altavoz cuando emite un sonido depende de la relación entre el tamaño del cono y la longitud de la onda sonora que se esté emitiendo. En las bajas frecuencias las longitudes de onda son mayores si las comparamos con el tamaño del cono, y el altavoz emite el sonido en todas direcciones: Su característica direccional es de tipo omnidireccional.

A medida que las frecuencias aumentan, sus respectivas longitudes de onda van acortándose; y la direccionalidad del sonido que emite el altavoz se estrecha gradualmente. Cuando llegamos a las altas frecuencias las longitudes de onda suelen ser menores que el tamaño del cono, por este motivo los altavoces especializados en reproducir tonos agudos presentan una directividad muy acusada; si nos desplazamos del centro del eje de un altavoz de agudos a otro lugar situado perpendicularmente (a 90 grados del eje) percibiremos una pérdida muy notable en todas las altas frecuencias, del orden de 20 dB.

ALTAVOCES PIEZOELECTRICOS Y DE CONDENSADOR

Otro tipo de altavoz que se utiliza ocasionalmente en los sistemas de amplificación es el piezoeléctrico. Se basa en las propiedades que poseen ciertos tipos de cristal, conocidos como cristales bimorfos que, al ser deformados por alguna fuerza, generan una diferencia de tensión entre los extremos del mismo cristal.

Por otro lado, si se aplica una corriente eléctrica a los extremos de este material cristalino, éste se expande y se contrae siguiendo la polaridad de la corriente que lo atraviesa.

Figura 2

En la figura 2 se puede ver el esquema que se sigue en la construcción de un altavoz piezoeléctrico. Cuando la señal de audio llega del amplificador, el cristal bimorfo se curva siguiendo las oscilaciones eléctricas, y este movimiento es transmitido al diafragma del altavoz. El empleo de estos altavoces se limita, por el momento, a la reproducción de las altas frecuencias; es por ello que los podemos encontrar, únicamente, en trompetas destinadas a reproducir tonos agudos, ya que trabajando con frecuencias elevadas estos altavoces son muy eficientes y presentan una distorsión muy baja.

Figura 3

Hay que mencionar los altavoces electrostáticos o de condensador (Fig 3) aunque su utilización práctica se limite a sistemas hi-fi de excepción y a algún sistema de directo especial para música clásica. Estos altavoces están constituidos por dos láminas metálicas separadas entre si por una lámina aislante; para ser activados, se aplica una diferencia de tensión entre las dos láminas de metal, del orden de hasta 2000 voltios, creando así entre ellas un potente campo electrostático. La señal audio que proviene del amplificador se superpone a la tensión fija tensión de polarización, de manera que se suma o resta de la misma, dando lugar a que las láminas metálicas se atraigan o rechacen entre si y, en consecuencia, se muevan siguiendo las variaciones de la señal; la vibración de las láminas se transmite al aire generando las ondas sonoras. En los altavoces electrostáticos el desplazamiento del diafragma es muy reducido.

Esto, unido a la ligereza del mismo, proporciona una magnífica respuesta a las señales transitorias. Además, estos altavoces no utilizan caja de resonancia, por lo que la señal musical está exenta de cualquier coloración. Su elevado coste, la impedancia que presentan (que obliga a trabajar con amplificadores especiales), el gran tamaño de estos altavoces, y su delicada constitución, los convierte en poco prácticos para utilizarlos en sistemas de amplificación de potencia, a pesar de su excepcional calidad.

COMO TRABAJA EL ALTAVOZ ELECTRODINÁMICO

Ya que en la práctica la mayor parte de altavoces existentes en el mercado son de tipo dinámico, vamos a referirnos en adelante a este tipo de altavoz de forma exclusiva.

Para conseguir la máxima conversión de energía mecánica (vibración del cono) en energía acústica debe procurarse la mayor superficie de contacto entre el cono y el aire que lo rodea, ya que la masa de aire vibrará en sentido longitudinal de adelante hacia atrás, no de arriba a abajo ni de forma lateral, sería lógico utilizar como diafragma del altavoz una lámina extensa y plana; pero esta idea, ensayada por algún fabricante, no mejora en la práctica el rendimiento del altavoz.

Cuando el diafragma es lo bastante ligero para reproducir fielmente las altas frecuencias, no tiene la rigidez necesaria para reproducir bien las bajas frecuencias. La solución de compromiso es la adopción de la forma cónica en el diafragma. La experiencia de múltiples fabricantes ha demostrado que esta forma permite activar un volumen de aire considerable, conservando al tiempo, una relación conveniente entre fuerza y peso.

Para la fabricación del cono se usan papeles y plásticos tratados especialmente para aumentar su rigidez: Cuanto más rígido es el cono, se obtiene mayor potencia acústica, pero peor respuesta en frecuencias. Si se utilizan materiales muy blandos, tipo papel secante, se mejora en la respuesta a frecuencias medias o bajas, pero se restringe la respuesta a las frecuencias más elevadas. Es por esto que podemos observar la diferencia de aspecto que presentan los altavoces que se destinan a reproducir notas graves -cono de gran tamaño fabricado con material muy rígido-, y los destinados a notas agudas de tamaño pequeño y construidos con un material muy ligero.

Si pudiéramos observar las zonas del cono que se mueven, al ser excitado el altavoz por unas frecuencias dadas, veríamos que al serle aplicadas frecuencias en torno a los 100 Hz se pondría en vibración la zona más externa del cono. Si le son aplicadas frecuencias agudas (8 Khz o más) la zona que vibraría sería la más próxima al centro del cono. Esto nos explica el porqué del gran tamaño que tienen los conos de los altavoces destinados a la reproducción de las notas bajas, mientras que para las notas altas basta una pequeña superficie de contacto con el aire. Cuanto mayor es el tamaño del cono, más amplia es la respuesta por el extremo de los graves; cuanto menor es su tamaño, más favorecidas se ven las notas agudas.

Por todo ello, en todas as instalaciones de reproducción musical se trabaja con distintas unidades de altavoces, con distintas características y tamaños, destinados a reproducir un grupo de frecuencias determinadas, y no todo el espectro tonal.

ALTAVOCES PARA BAJAS FRECUENCIAS

Para conseguir un altavoz eficiente destinado a reproducir bajas frecuencias, se requiere que éste mueva un volumen de aire considerable. Para ello el cono o diafragma del altavoz debe efectuar un recorrido bastante amplio, y la superficie del mismo deberá tener un área considerable. En la mayoría de sistemas de potencia los altavoces para graves tiene el motor de tipo dinámico y los diafragmas cónicos de un buen tamaño, en inglés son conocidos como woofers.

 

Figura 4

En la figura 4 se puede ver un altavoz de este estilo. En ella se observa el considerable tamaño del motor, imprescindible para mover la elevada superficie que tiene el cono. La radiación sonora de estos altavoces es omnidireccional.

En algunos sistemas de amplificación se utilizan para las bajas frecuencias altavoces de trompeta; debido a su alta eficiencia son cada día mas utilizados en todos los sistemas multivía.

Los altavoces de trompeta son denominados también exponenciales, en referencia al grado de curvatura que presenta la superficie del radiador, como se puede ver en la figura 5. 

Figura 5

Los altavoces exponenciales permiten un mejor control en la dirección que toma el sonido, si los comparamos con las cajas acústicas con woofers montados en su interior. La característica direccional de los altavoces exponenciales viene determinada por el tamaño y la curvatura de la trompeta, más que por la potencia del motor; y las trompetas con una obertura amplia mantienen una elevada directividad, al margen de la potencia que posean.

Los altavoces exponenciales son indicados para cubrir eventos en los que las bajas frecuencias deban recorrer largas distancias.

La impedancia acústica en el interior de un altavoz de trompeta es proporcional a la impedancia que tenga el diafragma del motor. Debido a la propia constitución de estos altavoces, la excursión que puede hacer el diafragma es reducida, pero es preciso que ésta produzca una elevada presión acústica; en la garganta de la trompeta la impedancia es mucho más elevada que en la boca, como la impedancia acústica es inversa de la presión acústica resulta que la presión sonora es siempre mucho más elevada en la boca de la trompeta que en la garganta, donde el diafragma genera las vibraciones sonoras (figura 6).

Figura 6

Por esto, si la relación de superficies entre la garganta y la boca de un altavoz exponencial es, por ejemplo, de 1 a 20, bastará con un motor capaz de producir 5 W de presión sonora para obtener 100 W a la salida de la trompeta. Esta misma relación de superficies, además del tamaño que tenga un altavoz de trompeta, determina cual es la frecuencia mínima que puede ser reproducida aprovechando las cualidades físicas del sistema exponencial; ya que por debajo de esta frecuencia, aunque el diafragma la reproduzca, no tendrá lugar la amplificación acústica en el interior de la trompeta. Esta frecuencia, llamada frecuencia de corte, debe estar perfectamente controlada; ya que si se envían frecuencias por debajo de ésta hacia un altavoz exponencial no nos servirá para nada, y además pondremos en peligro la integridad física del diafragma en el altavoz.

ALTAVOCES PARA ALTAS FRECUENCIAS

Conocidos por su nombre inglés como tweeters, los altavoces para agudos pueden tomar dos formas distintas. Por un lado están los altavoces de cúpula, de tipo dinámico; y por otro las trompetas exponenciales, que pueden llevar el motor electrodinámico o bien piezoeléctrico.

 

Figura 7

En la figura 7 se puede observar un esquema de como están constituidos los altavoces para altas frecuencias de tipo dinámico. Como se puede ver, la bobina se halla inmersa en el potente imán fijo, y el diafragma se encuentra en el interior del motor, y no en su parte externa como sucede con los otros altavoces dinámicos. EI poco espacio de que dispone este diafragma no representa ningún problema, ya que para reproducir altas frecuencias es suficiente con que éste realice excursiones muy cortas; al contrario de lo que sucede con los altavoces dinámicos de graves.

Hay que recalcar que en otros casos el diafragma puede hallarse en la parte exterior del motor, radiando directamente el sonido; esto es muy común en los tweeters destinados a cajas de alta fidelidad. (Figura 8)

Figura 8

Estos diafragmas suelen ser metálicos, ya que sólo las aleaciones de metales permiten la construcción de diafragmas resistentes y muy delgados, los más adecuados para reproducir altas frecuencias.

En la figura 9 se puede ver de forma esquematizada como está construida una trompeta de agudos con motor piezoeléctrico, si bien es normal encontrar en el mercado, indistintamente, trompetas de agudos con motores dinámicos. La mayor ventaja que supone el empleo de estos altavoces exponenciales es el control puntual del ángulo de dispersión del sonido. Todas las trompetas especifican cual es el ángulo en que distribuyen las altas frecuencias respecto a su eje longitudinal, tanto horizontal como verticalmente. Estos ángulos de dispersión son distintos uno de otro, ya que es conveniente que sea así.

En efecto, en un concierto, el público está situado horizontalmente respecto a la situación de los altavoces; por ello interesa que la cobertura horizontal sea mayor que la vertical. Por otro lado, una cobertura vertical excesiva puede enviar el sonido hacia lugares donde no interese (hacia el espacio abierto), ó que rebote contra eI techo o el sueIo de un local cerrado, perjudicando la calidad sonora con múltiples reverberaciones.

Los ángulos de dispersión con que suelen trabajar más comúnmente los altavoces exponenciales que se encuentran en el mercado, están alrededor de los 80 grados de difusión horizontal y los 40 grados de difusión vertical. Es posible encontrar, no obstante, altavoces con unos ángulos de dispersión más estrechos. Esto permite concentrar la energía en una superficie más reducida, y enviar el sonido a mayor distancia.

Figura 9

Otra característica notable de los altavoces exponenciales es la distribución uniforme de frecuencias por toda la superficie abarcada; es decir, si tenemos un altavoz de trompeta que posee un ángulo de difusión determinado, podemos estar seguros que dentro de la superficie abarcada la distribución de frecuencias es regular y constante. Esto no sucede con los altavoces de diafragma cónico, ya que con ellos las notas más agudas se escuchan con más intensidad en el centro del eje del altavoz, y a medida que nos alejamos decrecen en amplitud.

ALTAVOCES PARA FRECUENCIAS MEDIAS

En los montajes de sistemas de potencia podemos considerar que las frecuencias medias son las que se encuentran entre los 100/200 Hz y los 2000/4000 Hz; el margen depende de las características concretas de los altavoces empleados. La reproducción de estas frecuencias es de una importancia capital, ya que en esta banda se encuentran los formantes de las vocales, los armónicos de la mayoría de instrumentos de percusión, y las notas fundamentales de un gran porcentaje de instrumentos musicales.

Para reproducir las frecuencias medias se utilizan tanto los altavoces dinámicos con diafragma cónico como los motores con trompeta; ambos sistemas dan un resultado correcto trabajando con esta gama tonal. (Figura 10)

Figura 10

En las frecuencias medias, la directividad del sonido no es tan acusada como en las altas frecuencias. No obstante, y como la inteligibilidad musical depende básicamente de estas frecuencias, es importante disponer de una cobertura muy equilibrada para todos los tonos medios.

FILTROS DE FRECUENCIAS

Cuando se agrupan en una caja acústica varios altavoces especializados en reproducir unos márgenes de frecuencia concretos, es importante que cada uno reciba únicamente estas frecuencias para las que ha sido concebido. Si por uno de estos altavoces circulan frecuencias fuera del margen asignado, se producirá inevitablemente una distorsión, e incluso puede ser causa de desperfectos en el sistema motor del mismo altavoz. En estos casos se malgastará energía, y el rendimiento del conjunto disminuirá cuando, por ejemplo, lleguen al tweeter señales de bajas frecuencias ó al woofer frecuencias demasiado altas: Ninguno de los dos altavoces transformará esta energía sobrante en energía sonora; y aparecerá además una distorsión de tipo lineal.

Por estos motivos, es preciso dividir la señal de audio en grupos de frecuencias, que se dirigirán posteriormente hacia el altavoz especializado en reproducirlas, optimizando así el rendimiento de éstos.

Según el nivel de la señal audio sobre el cual trabajan los filtros, éstos pueden dividirse en pasivos o activos: los primeros actúan sobre la señal una vez ésta ha sido amplificada en potencia, mientras que los segundos actúan sobre la señal antes de que ésta sea amplificada.

FILTROS PASIVOS DE ALTO NIVEL

Los filtros pasivos para altavoces están constituidos por bobinas, condensadores y ocasionalmente resistencias. Normalmente, están situados en el interior de las cajas acústicas, reciben la señal directamente del amplificador y luego la distribuyen entre los altavoces que contenga la caja.

Figura 11

En la figura 11 se muestra una caja de dos vías que contiene un filtro pasivo en su interior, y también un diagrama donde se puede observar la actuación del filtro. Por encima de una frecuencia determinada, la entrada hacia el altavoz de graves decae gradualmente; mientras que por debajo de esta misma frecuencia la entrada hacia el altavoz de agudos también se reduce de forma gradual. El punto donde las dos curvas se encuentran se llama frecuencia de corte del filtro. Se puede observar como el punto de corte se halla, en este caso, 3 decibelios por debajo del nivel medio de potencia plena; como 3 dB equivalen a la mitad de esta potencia, se produce un "agujero" en la reproducción de las frecuencias anexas a este punto de corte.

El mismo sistema se aplica en las cajas acústicas de tres vías. En la figura 12 se muestran las características típicas de un filtro pasivo para tres altavoces.

Figura 12

El nivel en la señal que entrega un filtro a un altavoz va decreciendo, como se ha visto, de forma gradual cuando las frecuencias sobrepasan el punto de corte. Esta caída es distinta según el diseño de la caja y del mismo filtro, y se denomina pendiente del filtro. Las pendientes más usuales son de 6, 12, y 18 dB por octava; y los filtros que las producen son conocidos como filtros de primer, segundo ó tercer orden, respectivamente, ya que cada "orden" representa una pendiente de 6 dB por octava.

Los filtros pasivos son capaces de soportar unos voltajes muy considerables. Un amplificador que entregue 100 W sobre una impedancia de 8 ohmios, produce un voltaje nominal de 20 voltios, y en los picos de la señal puede llegar a producir más de 45 voltios. Es por ello que sus elementos deben estar diseñados específicamente para unas potencias concretas, con unos puntos de corte predeterminados según los altavoces a los que estén unidos, y con unas pendientes perfectamente simétricas.

A pesar de todo, en el mejor de los casos, se produce una pérdida siempre que la señal audio atraviesa un filtro pasivo; y esto afecta al rendimiento conjunto del sistema. Así, una caja equipada con filtros pasivos y que reciba una potencia de 100 vatios, puede entregar unos 60 vatios acústicos, siempre que se trate de una caja que permita obtener un alto rendimiento; ya que son más comunes las cajas con rendimientos más bajos.

 

FILTROS ACTIVOS DE BAJO NIVEL

Si trabajamos con sistemas de potencia para directos, la utilización de cajas acústicas que contengan filtros pasivos supone una pérdida muy notable en el rendimiento acústico, ya que si se dispone, por ejemplo, de un sistema de amplificación que entregue 5.000 W. las pérdidas debidas a los filtros de los altavoces harán que la potencia real entregada por las cajas no exceda de los 3.500 W. en el mejor caso.

Para lograr un aprovechamiento más completo de la potencia disponible en un sistema, se ha generalizado la utilización práctica de los filtros activos de bajo nivel, los denominados crossover.

Estos filtros activos o crossovers deben insertarse antes de que la señal audio sea amplificada en potencia, ya que trabajan con niveles de la señal muy bajos (milivatios). La señal es dividida en grupos de frecuencias, y luego puede dirigirse hacia las etapas de amplificación, que enviarán la señal ya amplificada hacia los altavoces (figura 13).

Figura 13

Un sistema que contenga unas cajas con dos altavoces, donde la señal audio sea separada por un crossover y enviada a dos amplificadores, cada uno de los cuales trabajará sobre una distinta banda de frecuencias, enviando la señal amplificada directamente hacia los altavoces correspondientes, recibe el nombre de sistema bi-amplificado. Asimismo, si se trabaja con altavoces con tres vías, precisaremos un crossover que separe las frecuencias en tres grupos, y las envíe hacia las tres etapas respectivas que estarán conectadas directamente con los altavoces; estaremos operando con un sistema tri-amplificado.

La utilización del crossover permite evitar algunos desequilibrios en la respuesta acústica inevitables cuando se trabaja con filtros pasivos en los altavoces. Reduce también la posibilidad de que las etapas lleguen a saturarse (clipping), y favorece el funcionamiento de éstas, ya que sólo tienen que amplificar una porción del espectro sonoro (algunas octavas) y no su totalidad, con ello su función es más precisa y su rendimiento superior. (Figura 14)

Figura 14

Trabajar con un sistema multi-amplificado ofrece varias ventajas para el operador, además de incrementar el límite dinámico del sistema. La señal musical está compuesta de múltiples frecuencias con sus armónicos correspondientes; en ella la mayor parte de la energía cubre las frecuencias bajas, mientras que destina una parte más reducida para transmitir las frecuencias más elevadas. Cuando ambas frecuencias deben ser amplificadas en una misma etapa de potencia, ésta utilizará la mayor parte de su energía en las frecuencias bajas, quedando sólo una exigua parte de su potencia que pueda amplificar a las frecuencias más elevadas.

Con esta situación es muy probable que la presencia de frecuencias altas en la señal audio provoque la saturación de la etapa, con la distorsión correspondiente.

En los sistemas multi-amplificados, donde la señal audio se divide en el crossover antes de llegar a las etapas, los problemas antes mencionados se reducen notablemente; y a pesar de que resultan un poco más caros que los convencionales pueden entregar mayor potencia acústica empleando menos potencia en vatios eléctricos, optimizando el rendimiento de todo el sistema.

Carles P. Mas