DUAL VOICE COIL WOOFERS

 

INTRODUCCIÓN

Un altavoz de doble bobina es un altavoz normal que lleva dos secciones independientes en la bobina de voz, que forman dos bobinas independientes.

Estas dos bobinas se pueden conectar en serie o paralelo. O también se puede conectar sólo una de ellas, o incluso se pueden conectar las dos bobians a amplificadores diferentes. Como se vé se ofrecen múltiples opciones, lo que hace que sean muy flexibles en su uso.

Pero sus ventajas no acaban aquí.

Surgieron en el car audio, por la necesidad de aprovechar al máximo los recursos de espacio, peso, etc. Se pretendía reproducir dos señales diferentes con el mismo altavoz.

Esto es posible sin ningún tipo de riesgo para el altavoz.

  • En el momento que se introduce una señal en una bobina, ésta crea un campo magnético que reacciona con el campo magnético permanente del imán. (ver el funcionamiento de los altavoces magnéticos). Si en la otra bobina se introduce la misma señal, el campo magnético de las dos bobinas se suma, la reacción será mayor y se producirá un mayor SPL.
  • En cambio, si se introduce una señal en fase opuesta en las dos bobinas, se tiende a la cancelación del campo magnético. Es fácil pensar que cada bobina tirará hacia su lado y que esto puede ser perjudicial para el woofer, en definitiva esta sufriendo estrés mecánico y algún día se romperá el chasis de las dos bobinas en dos, de tanto tirar. Esto no es así. La "lucha" tiene lugar entre los campos magnéticos. No hay estrés mecánico para ninguna de las partes, ni las bobinas, ni el chasis, ni nada. El único resultados es que hay menos SPL, o incluso silencio.

Ahora ya tenemos un altavoz que reproduce la suma eléctrica de dos señales, sin riesgo.

Hay que destacar un tema importatne para el amplificador. La componente reactiva de la impedancia es muy baja al conectar las dos bobinas en fase opuesta. De esta manera, la impedancia se reduce a Re, la resistencia de la bobina de voz, que puede llegar a niveles muy bajos para algunos altavoces (Re=5.4Ohm para Z=8Ohm).Dependiendo del acoplamiento magnético entre las dos bobinas, puede bajar del valor nominal de Re.

En graves no es posible distinguir la dirección de la que proviene el sonido, las longitudes de onda son demasiado grandes, las frecuencias demasiado bajas y los retrasos temporales entre las ondas directas son demasiado poco significativos para nuetro oído. Esto no quiere decir que no seamos sensibles a los tiempos de llegada y a su fase, a eso somos extremadamente sensibles, es a la direccionalidad a lo que no somos sensibles. Esto permite tener una buena imagen estéreo con un sólo woofer, si está situado correctamente. Esto dentro de un coche es muy normal.

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PARÁMETROS ELÉCTRICOS

Los parámetros mecánicos no cambian en absoluto al conectar las dos bobinas en serie o paralelo. Sólo los parámetros eléctricos cambian. Y la cuestión es deducir cómo.

Le, Re y Z

Lo más fácil e inmediato es Le, Re y Z.

En la siguiente tabla se muestra lo que pasa al conectarlos de diferentes maneras.

 

Z

Re

Le

Cada bobina individualmente

8 Ohm

6.2 Ohm

1 mH

Las 2 en serie

16 Ohm

12.4 Ohm

2 mH

Las 2 en paralelo

4 Ohm

3.1 Ohm

0.5 mH

Al conectar las dos bobinas en serie, Le, Z y Re se multiplican por dos. Al conectarlas en paralelo, se dividen por dos. Esto se deduce fácilmente de la física elemental.

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BL

Otro parámetro muy importante es BL, el factor de fuerza, que depende de varios factores. B, el campo magnético en el entrehierro pemanece inalterado.

SERIE

Al conectar las dos bobinas en serie, la corriente que atraviesa la bobina para un mismo voltaje es la mitad, pero el campo magnético creado por la bobina es aproximadamente dos veces mayor. Esto último se deduce de las fórmulas elementales de las bobinas, donde B es directamente proporcional al número de espiras.

Bl'=2Bl

PARALELO

Al conectar las dos bobinas en paralelo, la corriente que atraviesa cada bobina es la mitad, por lo que el campo magnético creado por cada una de ellas será la mitad, pero hay dos contribuciones al campo magnético, cuya suma es el doble, el resultado es que por un lado se divide y por otro se dobla, y permanece inalterado.

Bl''=Bl

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no

La eficiencia teórica del altavoz, no depende inversamente de Re y es diréctamente proporcional al cuadrado de Bl. No depende de más factores eléctricos alterables.

SERIE

En serie, tenemos que Bl es el doble, y Re es el doble, por lo que el rendimiento del driver con las bobinas conectadas en serie es:

PARALELO

En paralelo, Bl es igual y Re es la mitad:

Hemos deducido que tanto en serie como en paralelo, el rendimiento teórico del altavoz se dobla respescto del caso en el que sólo una de las bobinas está conectada.

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SPL

Sound Pressure Level, el sonido que el driver crea con una entrada determinada. Normalmente se elijen 2.83V, lo que con 8 Ohm da 1W de potencia. Así lo vamos a hacer, ya que la impedancia depende de si las bobinas se conectan en serie o paralelo, y no daría una idea clara de cómo se comporta el SPL cuando el altavoz es atacado desde un amplificador, que proporciona voltaje.

SERIE

La eficiencia es el doble, pero la impedancia es también doble. Esto hace que la potencia consumida sea la mitad, pero por ser el doble de eficiente, crea el mismo SPL que con una sola conectada. Reproducirá el mismo SPL que una sola bobina, pero consumirá la mitad de potencia.

PARALELO

Ahora tenemos que la impedancia nominal es la mitad de cuando está conectada una sola bobina de voz, por lo que circulará el doble de corriente. El rendimiento es el doble de caso de una bobina, por lo que con el doble de corriente (y potencia) y el doble de eficiencia, el SPL con las bobinas en paralelo será 4 veces mayor que al conectar una sola bobina.

Reproducirá 6dB más que al conectar una sola bobina, y consumirá el doble de potencia.

 

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PARÁMETROS Q

Qms

Los parámetros Q mecánicos de un altavoz permanecen inalterados. La elasticidad de la suspensión es la misma, la masa móvil es la misma, las pérdidas en la suspensión también son iguales. Estos tres parámetros mecánico-acústicos se definen como:

  • MAS: Masa acústica. Formada por la masa del diafragma, la bobina y la carga del aire. Se modela como una bobina en serie con el circuito.
  • CAS: Elasticidad acústica de la suspensión. Se modela como un condensador en serie con el circuito
  • RAS: Resistencia acústica debida a las pérdidas de la suspensión. Se modela como un rozamiento viscoso, y en términos eléctricos, como una resisntencia en serie con el circuito.

Se puede obvservar que la respuesta acústica depende directamente de BL, que a diferencia de CAS, MAS y RAS, si cambia en algunos casos.

En la práctica, tenemos que Qms sólo depende de factores puramente mecánicos.

Equivalente acústico del altavoz

En los dos casos en los que la bobina está conectada en serie o en paralelo, se modifican los parámetros eléctricos, pero no los mecánicos, por lo que Qms permanece invariado.

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Qes

Qes son los parámetro puramente eléctricos. A la derecha se ve el equivalente eléctrico de un altavoz.

Se debería añadir Le en serie con Re, pero como Le no tiene efectos a la frecuencia de resonancia, se ignora para simplificar los cálculos.

Equivalente eléctrico de un altavoz ignorando Le

La fórmula que indica el parámetro Qes es la siguiente:

En el momento que la resistencia del generador de señal es 0, Rg=0, (está conectado a un amplificador), deducimos lo siguiente:

SERIE:

  • Re se dobla.
  • Bl se dobla.

Los demás factores son puramente mecánicos, por lo que sucede lo siguiente:

PARALELO

  • Re se divide por dos
  • Bl permanece inalterado.

Como en el caso anterior, los demás factores mecánicos no varían, y sucede lo siguiente:

 

Tenemos que en ambos casos el parámetro Qes se divide por dos.

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Qts

Qts es la unión de ls dos parámetros Q anteriores. Los parámetros Q son una medida del amortiguamiento en la resonancia. Ésta se puede producir por fenómenos mecánicos o elétricos, pero el caso es que ambos tabajan juntos en su labor de amortiguar la resonancia.

la expresión de Qts es esta:

Se ve que es como poner los dos amortiguamientos "en paralelo"

En un woofer, normalmente Qms es mucho mayor que Qes, por lo que en Qts será dominante Qes, se puee hacer la siguiente aproximación, tanto para el caso en el que están en serie como en el que están en paralelo:

De todas formas, para cálculos más precisos o para cuando Qms sea bajo (Qms<10·Qes), se debe usar la fórmula exacta con los valores numéricos de Qms y Qes.

 

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NOTAS SOBRE EL AMORTIGUAMIENTO

Cómo entender qué es Qes, Qms y Qts

Si partimos del concepto de amortiguamiento, se pueden hacer varias deducciones.

En un woofer con diafragma rígido, que suelen tener un Qms bastante alto (>4) y un Qes bajo (<0.4), se puede hacer la siguiente comprobación:

  • Se desconecta el woofer del filtro y se deja al aire libre fuera de la caja.
  • Se da un golpecito al diafragma, y se observa que se mueve bastante. Oscila y el tiempo que tarda en dejar de oscilar se puede ver a simple vista. Si se cortocircuita la bobina (con un cable entre el rojo y el negro) y se repite la prueba, se observa que casi no oscila. Esto es el amortiguamiento.

La explicación física de éste fenómeno es muy sencilla.

Para deducir Qes hemos supuesto que la resistencia de salida del amplificador es cero. Cuando el woofer está al aire libre sin conectar a nada, la resistencia del amplificador es infinita, y en la fórmula tenemos que Re en realidad debería ser Re+Rg, pero como Rg=0, no se pone. Ahora, Rg es infinita. El resultado es:

Qes infinito quiere decir que no hay en absoluto amortiguamiento eléctrico. Como Qes y Qms trabajan en paralelo, la única contribución al amortiguamiento total será la de Qms.

Al aire libre sin cortocircuito, Qts es alto (~Qms) y hay poco amortiguamiento, por eso da tiempo a ver cómo oscila. Con la bobina cortocircuitada Qts es bajo (~Qes) y hay mucho amortiguamiento, por eso la oscilación cesa rápidamente.

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Variar Qes para modificar el comportamiento de un woofer.

En efecto, Qes se puede modificar para obtener diferentes resultados con un woofer.

Digamos que Qes una medida de cómo el altavoz recoge el movimiento y lo transforma en corriente, entregándosela al amplificador, que la acepta sin ningún problema. Ésta es la manera de amortiguar, convertir el movimiento en corriente.

Si se añade una resistencia en serie, el altavoz perderá facultades para enviar corriente al amplificador, y habrá menos amortiguamiento eléctrico.

En un woofer, la respuesta de la caja depende de Qts, y Qts está dominado por Qes, por lo que cualquier variación en Qes repercutirá en la respuesta de la caja. Ésta resistencia en serie la puede aportar símplemente una bobina, con su resistencia parásita en serie. Este es un factor por lo que cuando se pone una bobina mala en el filtro de un woofer, al tener una RDC alta se produce una extensión en los graves, también acompañada de una cierta pérdida de SPL.

Lógicamente, una resistencia es un elemento de pérdidas, por lo que también se consumirá potencia. Esta potencia se disipa en forma de calor, y no llega al altavoz, por lo que su efciencia baja. Por otro lado, la potencia máxima que puede consumir el conjunto altavoz-resistencia aumenta (si la resistencia admite la potencia requerida).

La fórmula para calcular la variación en Qes dependiendo de una resistencia serie está todavía sin confirmar empíricamente, pero se puede aproximar por:

Se ha hecho una suposición todavía por confirmar empíricamente, que es aproximar MAS por MMS.

¿Qué ventajas tiene esto?

La enorme ventaja de poder extender la respuesta en caja de un woofer, a costa de reducir su eficiencia. Requerirá una caja más grande, pero con un 12" puede ser interesante poder bajar de 30Hz a 25Hz.

Hay métodos mejores que la resistencia, pero obligan a trabajr directamente en el motor magnético, lo cual aparte de su difiicultad requiere herramientas e instrumentos de medida muy precisos.

Pero con añadir unas vueltas de cobre a la bobina se puede aumentar la efciencia de un altavoz, aumentar BL, y bajar Qes. De esta manera el altavoz se extiende menos en graves pero requiere una caja más pequeña.

En el caso contrario, si se quitan algunas vueltas a la bobina, bajará su eficiencia, Bl y subirá Qes, por lo que necesitará una caja más grande pero con más extensión en graves.

¿Hasta qué punto es esto empírico y determinista?

Hasta el extremos de que en la construcción de un woofer no hay prácticamente lugar para el "arte". La respuesta en caja se puede predecir incluso antes de haber construido un prototipo.

La gran extensión en graves en caja de la serie 18W85xx de Scan-Speak no es resultado de el "arte" de sus diseñadores, sino de sus conocimientos y sus objetivos de diseño. No quiero de ninguna manera restarles mérito, es obvio que hacen altavoces con un comportamiento excelente, no sólo a bajas frecuencias. Tienen un Qes que ronda el 0.4

En el fondo, es un equilibrio entre eficiencia y respuesta. El precio que tienen que pagar los Scan-Speak por su gran extensión en graves es su baja eficiencia (87dB@1W1m)

Como ejemplo contrario, está la serie xxxnd de Beyma, orientada a audio profesional. Han conseguido una eficiencia de un 8%, 103dB@1W1m, pero la respuesta en caja bass-reflex del modelo más pequeño, el 102nd, de 10" no baja de 200Hz. Este altavoz es completamente incapaz de dar graves. Todo esto generado por un Qes de 0.09.

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Variar Qms para modificar el comportamiento de un woofer.

Como he comentado antes, Qts está dominado por Qes, y modificar Qms no tiene grandes efectos.

Pero hay ciertos factores mecánicos que sí se pueden modificar. Como en todo sistema masa-resorte-masa, sistema resonante por excelencia, la frecuencia de resonancia depende de la masa móvil y la constante elástica del muelle.

Añadiendo masa al driver se puede bajar fu recuencia de resonancia, pero eso no nos aprota mucho, salvo quizás para transformar EBP. Lo mismo con la elasticidad. Con aditivos (barnices, colas, ceras,...) se puede modificar la constante elástica de la suspensión y hacer que su suspensión sea más blanda o más dura.

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PARÁMETROS Q EN CASOS ESPECIALES

Las dos bobinas están conectadas a dos amplificadores diferentes.

En este caso, las dos bobinas participan en el amortiguamiento del movimiento, por lo que se comportan como en serie o paralelo: Qes se divide por dos, y Qts es también aproximadamente la mitad, si Qms es alto.

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Una bobina está conectada a un amplificador y la otra a una resistencia.

En este caso, todo dependerá del valor de la resistencia. Tenemos dos casos ya conocidos, que son cuando está conectada sólo una de las bobinas (la resistencia es infinita) y la otra bobina está conectada a un amplificador (la resistencia es cero)

Cuando la otra bobina está al aire, Qes es el original, y cuando la otra está cortocircuitada, Qes se divide por dos.

Y en los casos en los que la resistencia sea de un valor intermedio entre cero e infinito, Qes irá variando entre los márgenes Qes y Qes/2. Tenemos así un altavoz con un Qes variable a nuestro antojo, lo cual quiere decir que podemos hacer algo intermedio entre una caja grande con Qes'=Qes y una caja reducida con Qes'=Qes/2

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