LA ENFERMEDAD DE LOS ALTAVOCES

INTRODUCCIÓN

Todos hemos comprobado lo corriente que es poner un altavoz a gran volumen y comporbar que el sonido es terriblemente chillón

En los altavoces baratos de minicadenas o semejantes, esto es una constante. Da igual que tengan dos o tres vías, el sonido es terrible cuando se les sube el volumen. Suele ser debido a que no usan bobinas para eliminar los agudos que llegan al altavoz de graves. De hecho no usan nada. Además, tampoco usan materiales absorbentes, y las cajas de aglomerado no ayudan mucho ya que dejan pasar parte del sonido creado en su interior, que son en muy alto porcentaje ondas estacionarias.

Las resonancias en los altavoces tienen un comportamiento muy caótico, son muy dependientes del material pero nunca son positivas para el sonido.

Lo mejor es no usar el altavoz en el rango donde tenga un pico de resonancia.

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SACAR UN ALTAVOZ DE SU RANGO.

Los fabricantes siempre dan un rango en el que funciona el altavoz, y es normal que den otro más reducido. El primero es en el que tiene respuesta más o menos plana, por encima de un cierto nivel, el segundo y más estrecho es el rango donde la distorsión no alcanza valores espantosos, o donde la potencia máxima del altavoz no se ve compormetida.

FRECUENCIAS MÁS BAJAS

Básicamente, utilizar un altavoz por debajo de su rango supone que no durará mucho tiempo, se romperá la suspensión o se quemará, a no ser que se tenga previsto de manera muy controlada.

Pero se puede incluso untilizar una frecuencia de corte por debajo de la frecuencia de resonancia... un woofer funciona así. Además, en el caso de un medios o un tweeter la respuesta temporal de un diafragma tan pequeño y tan ligero es excelente comparada con la de un grande, fácido (aunque sea de carbono, a 2kHz ya es flácido) y pesado woofer.

Pero hay que saber lo que se hace, no se puede cortar un tweeter con Qts=0,1 a una octava de Fs, ni tampoco un tweeter de 15W a 800Hz.

Para empezar, lo más simple tener en cuenta es la potencia.

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Limitación por potencia.

La gráfica muestra la estructura habitual de la música, aunque el máximo suele estar más bien a frecuencias de 200Hz.

La tabla muestra la distribución habitual de la potencia frente a la frecuencia de filtrado. Para hallar frecuencias intermedias se puede interpolar o hacer una media geométrica.

El contenido usual en la música es que predominan mucho más los graves y los medios que los agudos, por eso hacer reproducir a un tweeter frecuencias más bajas limita la potencia , ya que le llegará más potencia si reproduce desde 1000Hz que si lo hace desde 3000Hz, donde empieza a desaparecer el rango vocálico por ejemplo. Cuanto más agudo se corta un tweeter, menos potencia le va a llegar (por la estructura de la música).

Frecuencia de corte (Hz)
banda grave  (%)
banda aguda (%)
250
40
60
350
50
50
500 60 40
1200
65
35
3000
85
15
4000
87.5
12.5
5000
90
10

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El desplazamiento lineal:

Para un mismo voltaje de entrada, el desplazamiento lineal del diafragma aumenta inversamente con la frecuencia, esto hace que cada vez que se divide por dos la frecuencia, el driver se desplaza el doble para dar un mismo SPL.

A la derecha se puede ver la sección de un tweeter cualquiera, sin cámara de resonancia ni ningún elemento especial.

Y el problema del desplazamiento lineal es que la bobina de voz se sale del campo magnético que existe en el entrehierro, y esto causa distorsión armónica, porque a medida que se sale de él, el valor del campo deja de ser constante, como se ve abajo, en la gráfica de H frente al desplazamiento,

Esta distorsión puede llegar a niveles de un 10% con facilidad. Por eso, antes de elegir una frecuencia de corte hay que medir si la THD del tweeter a esa frecuencia es aceptable.

Ese caso aunque parezca exagerado es incluso algo ideal, una campana de Gauss simétrica, ya que normalmente el campo no es simétrico respecto del punto de reposo, aunque han surgido técnicas muy interesantes para compensarlo como colocar un pequeño imán entre la pieza polary el chasis, o prolongar la pieza polar. Esa asimetría crea armónicos de orden par, y el motor intrínsecamente genera armónicos de orden impar.

 

Por si fuera poco, la inductancia de la bobina de voz también depende de su posición, además de la frecuencia. Para solucionar esto, también se ha desarrollado una técnica que consiste en añadir un anillo de cobre alrededor del núcleo que contocircuita las corrientes de Foucault y neutraliza las variaciones de Le frente a Xd.

A la derecha se ve cómo varía Le frente a la frecuencia, algo normal pero que también explica la mayor distorsión a baja frecuencia, ya que los errores producidos por Le son mayores.

 

En la gráfica de la derecha, se puede observar cómo crece THD en un altavoz a medida que se baja en frecuencia, y que además este aumento es muy abrupto, 18dB/octava, lo que hace suponer que es la suma de varios fenómenos.

Sobre el orden del filtro, un 2º orden deja la excursión lineal frente a la frecuencia constante para frecuencias menores de la de corte, si a eso le añadimos la estructura habitual de la música, tenemos que el filtro no está reduciendo la excursión lineal del tweeter de manera significativa, por lo que tendremos gran cantidad de IMD, a pesar de los elementos correctores como los anilos de cobre.

En la gráfica vemos un ejemplo de caja sellada, que se comporta exáctamente igual que un filtro de 2º orden, Butterworth en este caso. Con una entrada de ruido blanco, por debajo de una frecuencia se puede ver que Xd es casi constante.

Los filtros de mayor orden (3º, 4º, 6,º...) son los que realmente detienen este movimiento y minimizan este problema y la IMD generada.

Como problemas añadidos y como es imaginable, las suspensiones tienen un límite de enlongación, si se sobrepasa se pueden romper fácilmente. Si no se respeta, se puede asegurar la destrucción del altavoz, tanto en un woofer 15" como en un tweeter de 1". Sin duda lo mejor es evitar un gran desplazamiento lineal.

Esto se consigue de tres maneras:

  1. No reproducir grandes SPL, no siempre es posible.
  2. Usar un driver más grande, que mueve más aire con menos desplazamiento.
  3. Usar un driver con mayor desplazamiento lineal, permiten mayor movimiento con menor distorsión.

Aquí existe un compromiso entre la respuesta temporal óptima de un driver pequeño y las distorsiones que produce al moverse demasiado. Con esto se deduce tambén que lo mejor es no estresar el driver, y es una buena opción los sistemas multidriver. Tampoco los drivers pequeños de gran desplazamiento están exentos de problemas, sufren fenómenos de compresión.

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Problemas asociados a la frecuencia de resonancia.

Existe una frecuencia a la cual el altavoz se mueve el altavoz en aire libre ante cualquier perturbación (un golpecito por ejemplo). Se denomina frecuencia de resonancia, y sin entrar en más detalles y casos especiales, es la frecuencia desde la cual el altavoz empieza a reproducir el sonido correctamente, aunque eso también depende de otros parámetros eléctricos como Qts.

La limitación más importante es que por debajo de esa frecuencia, la bobina de voz no es capaz de producir fuerza suficiente para mover el cono, y cuanto menor sea la frecuencia, mayor será esa imposibilidad.

Los tweeter Scan-Speak, Seas, Morel y algunos otros están muy bien construidos y diseñados porque tienen frecuencias de resonancia muy bajas, y se pueden cortar a 1500 Hz sin que halla excesivas interacciones con los problemas asociados a frecuencia de resonancia.

El más conocido de todos estos problemas es el siguiente:

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IMPEDANCIA

En el caso de filtros pasivos, la resonancia supone un problema añadido. Como en todo fenómeno resonante, a una cierta frecuencia existe una gran facilidad para oscilar, y como en todo motor magnético la facilidad para moverse se muestra como una disminución en el consumo de corriente, o visto de otra manera, como un aumento de la impedancia. Se muestra como un pico de Z a la frecuencia de resonancia, que de ninguna manera se puede ignorar, saldrá cualquier cosa menos lo que esperamos, ya que los filtros pasivos operan con impedancias fijas, y no es eso lo que tenemos.

En todo caso, se pueden evaluar sus efectos y tener en cuenta si merece el esfuerzo añadir elementos que compensen este fenómeno. Para corregir este problema cuando sea necesario, se debe añadir un filtro notch paralelo.... que se puede calcular en función de Qts y Qes.

O también se puede añadir ferrofluído en el motor magnético hasta que desaparezcan los indicios de resonancia en la Z, lo cual ha levantado polémicas. El ferrofluído es un aceite magnético que tiende a amortiguar la resonancia, frenando el conjunto móvil. Esto puede generar pérdidas mecánicas que derivan en distorsión y compresión sonora, ya que el motor tiene que realizar más fuerza para acelerar el conjunto móvil. Tiene sus ventajas y sus inconvenientes.

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RESPUESTA ACÚSTICA, ELÉCTRICA Y FASE.

Todo altavoz se comporta como un filtro de paso alto de 2º orden. Debido indudablemente a que es un sistema resonante de 2º orden.

A ambos lados de Fs se definen dos polos, cuya distancia depende precisamente de la Q. Cuanto mayor sea la Q, más cercanos estarán los polos. Cada polo implica una caída en la respuesta de -6dB/oct y un desfase de 45º a esa frecuencia, y de -90 al resto de la banda eliminada.

Todo esto hay que tenerlo en cuenta a la hora de diseñar el filtro, por ejemplo, si tenemos Qts=0,707, para tener un comportamiento real del altavoz como filtro de 4º orden Linkwitz-Riley a Fs, sólo debemos añadir al tweeter un filtro de 2º orden Butterworth a esa misma frecuencia, ya que un altavoz con Qts=0,707 se comporta acústicamente como un filtro de Butterworth de segundo orden.

Esto quiere decir que si tenemos un filtro de 1er orden a 3000Hz y Fs es 1500Hz, la respuesta real no será de filtro de 1er orden, será un filtro de 3er orden, el desfase no será de 90º, será de 270º.

Y por último, esta caraterística no puede aprovecharse de manera que si tenemos Fs del tweeter a 3000Hz y Qts=1 (Tchebychev), no sirve con poner un filtro de 2º orden Tchebychev a 3000Hz en el woofer y dejar al tweeter sin filtro, (aunque la respuesta acústica fuese correcta). Porque una cosa es la respuesta acústica, y otra la respuesta eléctrica. En ese caso nada protege al tweeter de la potencia del resto de la banda, nada limita su excursión lineal y su único fin es acabar en el cementerio de los tweeter.

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RESPUESTA TEMPORAL CERCA DE FS

Está también el problema de la respuesta temporal, que ya es más problematico pero sucede en muy pocos casos porque habitualmente se utilizan frecuencias de corte alejadas de Fs.

En la gráfica se puede ver porqué se le llama frecuencia de resonancia. En la foto ampliada se ve mejor que la respuesta temporal es bastante buena excepto la resonancia a 1200Hz de este tweeter.

Tenemos que un tweeter (y cualquier altavoz) se comporta como un sistema resonante masa-muelle-masa. Tiene una frecuencia de resonancia y su amortiguamiento tiene unas caracterísitcas concretas. Me refiero al parámetro Qts. En un tweeter puede incluso que Qms sea dominante. Tenemos el comportamiento subamortiguado, con Qts menor de 0.5 (casi ningún tweeter lo tiene) y el sobreamortiguado, con Qts=1, más común. A no ser que Qts sea menos de 0.5 no tendremos problemas serios de respuesta temporal, y si es cercano o mayor a 1, peor respuesta temporal a Fs.

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FRECUENCIAS MÁS ALTAS.

Al hacer reproducir frecuencias demasiado altas a un altavoz, aunque la respuesta sea plana y la distorsión parezca baja, la respuesta impulsional empeora muchísimo. Como es ovbio, no es lo mismo mover algo de 80 gramos a 1000 Hz que algo de 3 gramos. Los diseños multivías se aprovechan de ésto. La respuesta temporal de impulsional de un altavoz de 4 o 5" es muy buena comparada con uno de 12", pero para dar buenos graves hay que mover aire, y mover aire lo hace mejor uno de 12" que uno de 4", y con menos distorsión.

Por otra parte está que las resonancias del diafragma dependen además del módulo de Young del material, de su tamaño, grosor... En altavoces grandes de 10" o más, ésto hace que las resonancias se produzcan entre 500 y 1500Hz. El altavoz debe estar cortado desde al menos una octava antes, para que esa resonancia no sea audible, sobre todo porque con altos SPLs la resonancia será mucho más evidente.

En altavoces más pequeños, de 4 y 5" éstas se producen a frecuencias mucho más altas, entre 5 y 10 kHz, lo que hace posible enlazar sin problemas con un tweeter. De todas formas, al cortar un 5" a 5kHz con 2º orden, se está desaprovechando una banda que podría reproducir el tweeter, si el corte estuviese entre 2 y 3 kHz. Siempre sonará mejor cortado a esas frecuancias más bajs porque la respuesta del tweeter con sus 0,2gramos será mucho mejor que algo que pesa 50 veces más.

masa móvil típica frente a diámetro (sigle voice coil)

DIÁMETRO (")

MASA (g)

18"
150
15"
100
12"
80
10"
40
8"
27
6.5"
15-20
5"
10
4"
4 - 5.5
3"
2 - 3.5
2" (dome)
1.5 - 3
1" (dome)
0.18 - 0.27

Además está la pérdida del comportamiento como pistón rígido, que se produce cuando la longitud de onda reproducida es menor del doble del diámetro del diafragma. A partir de esa frecuencia no se puede asegurar mada, serán sólo las cualidades individuales del driver concreto las que permitan una reproducción más o menos correcta.

De aquí se deduce que es conveniente cortar los altavoces lo más abajo posible, para evitar que el altavoz grave suene mal y ensucie es zona. También hay que tener cuidado, porque si se realiza el corte demasiado abajo, corre peligro el otro altavoz más agudo.

Sobre los conos rígidos hay que decir que tienen muy poca distorsión, porque casi no se crean ondas estacionarias en la membrana, ni tampoco sufre casi deformaciones, y en el caso del aluminio, la diferencia de densidades entre el diafragma y el aire hace que no se transmitan al aire y puedan ser amortiguadas por la suspensión, pero en la frecuencia de resonancia del diafragma se pierde todo buen comportamiento.

Se crean picos de +15dB tranquilamente. Solución, usar filtros de 3º o 4º orden, o filtros notch, que a nivel de respuesta e impedancia puede ser igual de problemáticos y algo menos caros, por eso hay pocos altavoces que lo tengan. También está la solución de cortarlo mucho antes de esa frecuencia, a una década donde con un filtro de 2º orden la respuestra habrá bajado 40dB, o lo que se estime conveniente, pero en todo caso, que quede al menos 10dB por debajo del resto.


Vamos a ver un ejemplo con un diseño 3 vías con un woofer de 8" y un medios de 4". En un diseño normal se cortaría a 800Hz con un filtro de 2º orden por cuestiones que tienen que ver más con la costumbre de hacerlo así.

Se supone que el pico a 2kHz ya estaría a -8dB por debajo de la respuesta plana.

 

Ahora vemos en su cummulative spectral deccay esto:

La resonancia a 2000 Hz es terrible, pero aunque se supone que está atenuada, se oíra. La respuesta en general tarda en llegar a un nivel no medible unos 2.6 milisegundos.

 

Ahora vemos el cummulative spectral deccay del 4". No sólo no hay resonancia a 2000Hz sino que además la respuesta es mucho mejor en cualquier frecuencia, llega a niveles por debajo de la medición en la mitad de tiempo que el de 8".

Se puede ver que en este diseño, el primer corte podría estar a 400Hz, una octava más alto de la frecuencia de resonancia de altavoz del 4", y muchos de los problemas del 8" para reproducir sonido del wofer 8" quedarían eliminados.

También se puede ver que el 4" debería estar cortado a menos de 3000Hz, 2000Hz preferiblemente, para evitar su propio pico de resonancia del diafrgama, en vez de los 3500 o 4500 que hubiesen sido habituales.

Y esto obliga a usar un tweeter con una frecuencia de resonancia muy baja, que soporte bien la potencia y que tenga poca distorsión a bajas frecuencias, para poder dar corectamente frecuencias por debajo de 4000.

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RADIACIÓN SONORA.

Otro problema derivado de usar un altavoz grande a frecuencias altas es el estrechamiento de la radiación sonora. Esto tiene que ver con el área del diafragma, y es independiente de su forma(cono-cúpula).El resultado es que en isobaras, el ángulo sólido con vertice en el altavoz que marca una presión sonora se va estrechando y se comporta más direccionalmente..

Antes he sugerido usar varios driver para dar una misma banda, para tener:buena respuesta impulsional, bajo desplazamiento, alto SPL reproducible, etc. Cuando doblas el número de altavoces multiplicas por 1.41(raiz de 2) su área. Dos 8" en paralelo son como un 11.5" . Esto es algo muy interesante pero tiene asociados unos cuantos problemas.

La radiación sonora es muy uniforme, pero entre los driver se pueden producir retrasos, y el resultado es que el el centro del sistema la radiación es homogenea, la fase correcta y la respuesta plana. Pero fuera de ese eje en vertical, como los drivers no están alineados en tiempo, unos reproducen la señal antes que otros y el resultado es un efecto de filtro peine.

El resultado en vertical está representado por las columnas multidriver tipo Bang&Oluffsen. Son muy direcionales en el plano vertical, lo que es bueno para evitar las reflexones con el techo y el suelo que ensucian el sonido y tienen un comportamiento parecido al filtro peine. En el plano horizontal la dispersión es muy buena, la difracción también, ..

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El problema concreto de los altavoces de dos vías.

Realmente no existe ningún problema grave de que suene mál o que se pueda dañar un altavoz en un diseño dos vías tradicional.

El verdadero problema es el compromiso entre calidad del sonido y graves. Con un 5" se pueden dar graves, pero no van a ser espectaculares, y con un 4" se reducen todavía más. Con un 8 o 10" se podrían dar graves importantes, capaces de satisfacer grandes exigencias, pero no llegarían tan alto en frecuencia como para enlazar cómodamente con el tweeter, sin problemas de coloracíon, resonancia, claridad y buena respuesta impulsional.

Quedan en zona intermedia los woofer 6.5". Realmente son un punto intermedio entre los 5 y 4" y los 8 y 10". Pero no es sencillo hacer un buen diseño que coja lo mejor de las dos opciones en woofers (grandes y pequeños) y ninguno de sus problemas

Se necesita un woofer ligero, que tenga gran excursión lineal y que llegue a reproducir frecuencias lo más altas posible. Los modelos 6.5" suelen estar enfocados a esto, suelen cumplir estas condiciones. En caso de requerir gran calidad, la opción son los diafragmas rígidos, que tienen grandes picos de resonancia a 3000-6000Hz

Los tweeter no están preparados para funcionar a partir de 1000Hz, y tal y como se diseñan altavoces 2 vías hoy día, deberían. La suspensión que llevan, a costa de acumular poca energía y el motor poco optimizado para desplazamiento les hace tener desplazamientos ínfimos, por lo que a poco que se sube el volumen si el filtro no contiene el deslazamiento, la distorsión alcanza niveles inaceptables

Y los woofer deberían trabajar sin el menos problema hasta 2500Hz, pero esto es difícil, en 6.5" es casi imposible. Aunque la respuesta sea plana y la distorsión armónica baja, una membrana de 15-20 gramos (6.5") no se puede hacer que se mueva tan rápido sin que acumule retrasos o energía, y sin que su diafragma entre en resonancia. Es una cuestión de geometría y matemáticas. Las caraterísticas en el tema de coloración y resonancias en esa banda son parecidas en todos los materiales, quizás exceptuando el TPX y la cerámica Accutton tiene dos modelos de 7" que tienen la resonancia del diafragma a frecuencias muy altas, el C95-T6 lo tiene a 4000, a 3000 los efectos ya son notables, más o menos normal, pero en el C92-6, la resonancia a 4000Hz todavía no tiene ningún efecto.

En general, todos alcanzan el límite de su banda con una resonancia y tienen un mal comportamiento en la banda 1500-3500Hz y mientras no cambie algo lo seguirán haciendo.

Habitualmente es más complejo diseñar un 3 o 4 vías, también considera "peor" por los audiófilos, pero un 4" tiene un tercio del peso, y el 60% de diámetro de un 6.5". Esto permite que su diafragma resuene entre 5 y 10kHz, franja que puede coger el tweeter sin que halla que dejar una banda desde 1500 hasta 3000 con respuesta plana pero que suena mal. Obviamente con un 4" no se pueden reproducir correctamente los graves... pero se puede usar un 8, 10 o 12" que los van a dar mucho mejor que uno de 6.5". Y se pueden poner filtros pasivos de bajo orden (1º, 2º) que sí doy la razón a los audiófilos en que son mejores en pasivo. Pero desde luego es mejor utilizarlos activos.

Con filtrado activo se podrían hacer las habituales pantallas 2 vías con tweeter 1" y woofer rígido (kevlar, carbono, aluminio) de 6.5" con el cruce a 1500-2000Hz de 4º orden, siendo así el resultdo notablemente mejor que con un filtro pasivo de 2º orden.

La solución para estos casos es usar filtros duros, pasivos de 3º orden, o activos y biamplificados de 4º.orden, o filtros notch pasivos, que no siempre se pueden usar con seguridad y que al igual que los filtros pasivos duros también pueden generar serios problemas de fase e impedancia. Esto es caro y complicado, si la solución fuese fácil y barata ya se usaría comercialmente, pero es la solución óptima unida a usar una frecuencia de corte lo más baja posible.

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la enfermedad de los altavoces - PCPfiles en www.pcpaudio.com