CÓMO FUNCIONA UN ALTAVOZ


INTRODUCCIÓN

Un altavoz magnético funciona al hacer reaccionar el campo magnético variable creado por una bobina con el campo magnético fijo de un imán. Esto hace que se produzcan fuerzas, que son capaces de mover una estructura móvil que es la que transmite el sonido al aire. Esta estructura móvil se llama diafragma, puede tener forma de cúpula o de cono.

A su vez, esta estructura móvil está sujeta por dos puntos mediante unas piezas flexibles y elásticas que tienen como misión centrar al altavoz en su posición de reposo.

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ALTAVOZ DE CONO

Este es el esquema de un altavoz convencional.

La araña (una pieza de tela con arrugas concéntricas de color amarillo o naranja) se encarga de mantener centrado el cono, junto a la suspensión.

El imán, junto a las piezas polares crean un circuito magnético. En el entrehierro es donde el campo de la bobina reaciona contra el campo fijo del imán.

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ALTAVOZ DE CÚPULA (TWEETER)

Conviene decir que no sólo un tweeter puede ser un altavoz de cúpula.

El altavoz de cúpula funciona básicamente igual que el de cono, pero en éste la superficie radiante no es un cono, es una cúpula.

La cúpula tiene la caracteristica de que la resonancia en esa estructura es absorvida de manera muy eficiente y prácticamente no causa efectos audibles, pero tiene como desventaja que la aceleración no es igual en todos los puntos de la cúpula, siendo el centro el más perjudicado.

Como consecuencia, se produce una pérdida de eficiencia respecto a su equivalente en forma de cono, pero con un sonido mejor al evitar la resonancia.

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ALGUNOS PROBLEMAS Y LA SOLUCIÓN ADOPTADA

FLUJO MAGNÉTICO NO CONSTANTE

El principal problema de una bobina de voz es que se desplaza, y no en todos los puntos recibe la misma cantidad de flujo magnético, por lo que la fuerza de reacción contra ese campo magnético dependerá de su posición.

En el gráfico superior se puede ver el porqué. La bobina de voz literalmente abandona el campo magnético. Este problema se agrava a medida que crece el desplazamiento, por lo que es conveniente reducir estos desplazamientos al mínimo, lo que se hace con drivers más grandes, utilizando dos drivers o con menos SPL.

Campo asimétrico

campo simétrico

Estos dos son los casos posibles, siendo el primero el habitual en muchos tipos de altavoces. Tan sólo unos pocos altavoces de gran calidad y precio compensan este fenómeno. En la sección "asimetrías" hay más detalles.

En cualquier caso se produce distorsión armónica, de orden predominantemente par en el primer caso y de orden predominantemente impar en el segundo.

La forma en la que decae el flujo frente a Xd es indicador de cómo se creará distorsión. En el segundo gráfico se ha dibujado de manera muy exagerada.

Si el entrehierro es demasiado grande, una mínima variación en la posición de la bobina de voz hará variar el flujo que recibe. Si la bobina de voz es demasiado pequeña, se saldrá de la zona donde es constante.

Habitualmente un entrehierro grande dará una mayor eficiencia con un imán menor, pero es acosta de aumentar la distorsión. A veces un gran imán si es indicativo de calidad (para altavoces de un mismo tamaño, diámetro de bobina y eficiencia)

La única solución que existe a este problema es aumentar la longitud de la bobina de voz y/o reducir la del entrehierro. De esta manera un driver con THD=5% con Xd=1mm puede pasar a tener un 1% con ese mismo desplazamiento. XMAX es el parámetro que mide la excursión lineal del diaragma.

Se puede calcular de varias formas, la más correcta es la medida en la que tanto la elasticidad de la suspensión como el campo magnético son constantes dentro de un margen. En todo caso XMAX determina el desplazamiento máximo del diafragma dentro de unas condiciones que dependen del fabricante que pueden ser la habitual o la máxima que garantiza que no se puede romper la suspensión por una excesiva excursión lineal. En algunos casos se indican ambas.

XMAX se calcula como | longitud bobina-longitud entrehierro | /2

NOTA: estas dimensiones pueden ser denominadas altura en vez de longitud por algunos fabricantes.

La distorsión creada por esta limitación depende del desplazamiento, y el desplazamiento depende a su vez de la frecuencia y del SPL. La excursión lineal es inversamente proporcional a la frecuencia, y directamente proporcional al SPL.

No sólo creará distorsión armónica, también creará IMD, y mucha, ya que el desplazamiento en las frecuencias graves es mucho mayor que en las agudas.

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ELASTICIDAD DE LA SUSPENSIÓN NO CONSTANTE

A medida que se alcanza el límite de excursión lineal, la suspensión se acerca a su límite de elongación.. La suspensión ejerce siempre una fuerza que tiende a centrar las partes móviles y dejarlas en su posición de reposo. Esa fuerza debería ser prácticamente independiente de la posición, aunque en realidad al acercarse a ese límite de enolngación la constante elástica aumenta y la oposición a la excursión es mayor.

Sus efectos son muy semejantes a los magnéticos, aunque es común que sus efectos sean de manera dominante simétricos, lo que causa dominantemente armónicos de orden impar, aunque no es extraño el otro caso.

Lo que si es peor que en el caso magnético es que sus efectos no son tan progresivos, es como comparar el recorte en un amplificador de válvulas y un operacional, además los armónicos generados son muy semejantes. Aquí son muy bruscos, aunque para cuando los efectos de la suspensión son perceptibles, los efectos magnéticos ya son más que evidentes.

También esto es una causa de IMD.

La solución a esto es usar suspensiones y arañas con gran límite de enlongación. En el caso de las suspensiones de goma, están ahí para centrar el cono, pero su efecto está muy por debajo del de la araña para bajas amplitudes. Para altas amplitudes, el límite de enlongación suele estar determinado por la suspensión, con el problema añadido de que la estructura de media onda no permite una gran enlongación, y el material tampoco.

A su vez, la pescadilla que se muerde la cola, esto es un motivo que puede causar la destrucción del altavoz porque nada limitaría la excursión.

Normalmente en un woofer el amortiguamiento eléctrico es dominante sobre el mecánico, por lo que estos efectos mecánicos no son dominantes más que bajo grandes esfuerzos, especialmente térmicos, que reducen de manera drástica la amortiguación eléctrica.

En cambio, respecto a la distorsión, en drivers que usen motores lineales y corrección de la inductancia, la distorsión causada por la suspensión es dominante. A baja frecuencia, una suspensión demasiado dura creará distorsión porque la suspensión precisamente trata de empujar el cono hacia la posición de reposo.

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ASIMETRÍAS

Ya hemos visto un ejemplo de cómo se pueden crear asimetrías por el motor magnético. En el caso de la suspensión también se pueden causar, imaginemos por ejemplo una araña que no tiene el mismo número de valles que de picos. Cuanto mayor sea el número total de valles y picos, menor será esta asimetría, pero en el caso de un driver pequeño en donde puede haber dos picos y un valle este problema no es despreciable.

En general, una asimetría genera siempre armónicos de orden par muy relacionados con la amplitud (más amplitud, más distorsión). También generan IMD, ya que los mecanismos de creación de armónicos de orden par e IMD son muy semejantes. Por eso, se deben corregir en la medida de lo posible.

Como también hemos señalado, los efectos dominantes en la distorsión son los magnéticos, así que era lógico que los fabricantes empezaran a trabajar por ahí.

JBL empezó a corregir este problema con un motor que hoy día usan multitud de fabricantes, y muchos otros utilizan las mismas técnicas. Se trata de que el campo magnético en el entrehierro es desviado por la pieza polar, lo que hace que el campo sea asimétrico.

Al poner el entrehierro en medio del disco polar, y no entre el dsco y la pieza polar se consigue reducir de manera muy significariva la dispersión del flujo magnético

Esto obliga a usar bobinas de voz más anchas, lo que también suele ser una ventaja ya que se consigue un mayor factor de fuerza con una misma inductancia.

Sin embargo, aunque el el dibujo las líneas están de una forma ideal, aún se sigue dispersando flujo de manera asimétrica, ya que a la izquierda hay nua gran estructura ferromagnética y a la derecha no hay nada. Esto llevó al desarrollo del siguiente motor, cuyo inventor desconozco pero que se usa en drivers de muy alta gama.

Lo primero que se ve son los dos imanes. El imán de más atrás tiene como misión compensar el flujo creado por el imán del medio, el habitual en todos los diseños.

Vemos que se usa la idea de JBL de poner el entrehierro en el disco polar en vez de entre el disco y la pieza polar.

Y la característica más curiosa, la adición de dos pequeños imanes que compensan el flujo creado por el grande, y hacen más simétrico el flujo, ahora hay estructuras magnéticas que se compensan a ambos lados de la bobina de voz y el entrehierro, por lo que no hay asimetría. Una distorsión menos.

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INDUCTANCIA VARIABLE RESPECTO DE LA POSICIÓN.

La inductancia de la bobina de voz puede ser dependiente de su posición. En el siguiente gráfico se muestra la bobina en dos posiciones. En la de la izquierda, el desplazamiento es negativo, la obbina se halla en el interior de la estructura magnética. Tiene una gran cantidad de material ferromagnético alrededor, por lo que la reluctancia del circuito magnético es baja, es capaz de crean un gran flujo magnético y tiene una alta inductancia (al igual que si una bibna le añadimos un núcleo de ferrita.

En la de la derecha, el desplazamiento es positivo y la bobina se halla lejos de la estructura magnética. La porción de aire entre la bobina y los materiales ferromagnéticos es grande, y su reluctancia también lo será. Ahora no es capaz de crean un flujo magnético tan grande, y su inductancia es menor, como si a una bobina le quitamos el núcleo de ferrita.

Es lógico que cuanto menor sea la inductancia de la bobina de voz, menores serán esas variaciones, para empezar, un buen altavoz debe tener una inductancia baja. lógicamente, a costa de la eficiencia.

La solución a este problema es utilizar un anillo de cobre que cortocircuita la inductancia de la bobina de voz.

Cuando la bobina está cerca, este anillo hace que LE disminuya su valor, y crea un flujo magnético en dirección opuesta al creado por la bobina de voz. Cuando la bobina está lejos, sus efectos en la disminución de LE son menos notables, y también la inducción de flujo en el núcleo. De esta manera se pueden llegar a compensar de manera precisa las variaciones descritas anteriormente, aunque una mala colocación puede producir el efecto contrario.

El anillo también puede ser de aluminio, también es un buen conductor, prácticamente diamagnético y baja resistencia. También el anillo puede no ser un anillo sino un trozo de metal diamagnético y bueno conductor con forma de moneda que cubre la pieza polar.

Otra de las funciones del anillo de cobre es cortocircuitar las corrientes de Foucault creadas en el núcleo, que contribuyen a su calentamiento (como la cocina de inducción), a sa

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EL CONO DE PERFIL EXPONENCIAL

Uno de los más grandes problemas de los altavoces, que hoy día está bastante controlado, es la el terrible efecto que se produce cuando la onda reproducida hace que el diafragma entre en resonancia, ya que la onda reproducida y su frecuencia natural son la misma o están sumamente próximas.

En un principio los altavoces tenían un perfil de cono recto, porque eran más fáciles de fabricar, pero tenía el problema de que se producía un gran pico al final de la banda. El perfil de trompeta exponencial controla esa resonancia y evita que se produzcan picos. El ejemplo más simple era el 5MP30 de Beyma, un driver con un cono de papel impregnado con perfil recto, con un pico de ¡+10dB! a 4kHz. Su sucesor, el 5MP60N, con el mismo chasis y todo igual excepto el diafragma, que es un cono de polipropileno de perfil exponencial, y con una suspensión de goma en vez de espuma consigue eliminar la resonancia.y deja un pico de +4dB a 6kHz.

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EFECTOS TÉRMICOS

Uno de los más perniciosos efectos en un altavoz, especialmente en el campo del PA donde las potencias consumidas son importantes, la variación de sus parámetros por la temperatura.

Para empezar tenemos que variará RE, ya que en todo metal, la conductancia depende de la temperatura, y disminuye con ella. Tendremos por un lado que RE aumentará a medida que se caliente, y los efectos magnéticos perderán eficiencia, ya que el calor les afecta.

En otras palabras, se reduce de manera muy seria el amortiguamiento eléctrico, y el amortiguamiento mecánico pasa a ser dominante. Bajo estas circunstancias de estrés, la reproducción de bajas frecuencias se ve sumamente alterada de lo que se espera y la distorsión aumenta.

Otro fenómeno es la compresión de la potencia. A grandes potencias, el calentamiento implica que la resistencia aumenta, y por si fuera poco grave la disminución en la eficiencia (entre 3 y 10dBs), el consumo es menor. Consecuencia, en un largo periodo de funcionamiento, un woofer puede dar el mismo SPL a la cuarta parte de potencia que a plena potencia.

La solución es refrigerar el núcleo. La primera contribución por parte de JBL hace ya unos cuantos años fue perforar el núcleo para permitir su refrigeración. Posteriormente han venidos otras técnicas, como extender la pieza polar con un gorro de cobre como hace Seas, radiadiores de aluminio directamente de la pieza polar al exterior, prolongaciones del chasis (aluminio) desde la propia pieza polar (Volt Loudspeakers, en la fotografía), y un sistema semejante que aprovecha el propio movimiento del altavoz para bombear aire en la bobina de voz....

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