MEDICIÓN DE LOS PARÁMETROS THIELE-SMALL

 

INTRODUCCIÓN

En muchas ocasiones resulta muy útil medir los parámetros thielle-Small de nuestros altavoces.

Puede ocurrir que deseemos cambiar la caja de una altavoz por otra de mayor calidad, o que queramos reciclar un driver viejo para hacer una pantalla, o simplemente queramos afinar mucho la construcción de nuestra caja.

Existe software que realiza de manera más sencilla la medición, aunque la ventaja de éste método es que no nos hace depender de ninguna licencia o programa concreto para poder realizarla. Son métodos que se han empleado durante largo tiempo y tampoco están desterrados pese a la ayuda que supone el software.

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INSTRUMENTAL

El instrumental de medida peude ser tan simple como un polímetro, un amplificador y un generador de frecuencias (el ordenador vale perfectamente)

CIRCUITO SENSOR DE V-I

En este caso era conveniente sacar gráficas, por lo que se ha usado un aparato HUM que cuenta con un conversor I-V y un buffer de voltaje, que se puede conectar a la tarjeta de sonido de un ordenador y así se puede utilizar el propio ordenador como analizador FFT, y lo más importante, para realizar operaciones aritméticas con los resultados.

El circuito de sensado de corriente se muestra a continuación:

En núcleo es un TL072, elegido no por nada en especial.. Tiene ancho de banda de sobra, distorsión muy baja, es barato y tiene un nivel de ruido suficientemente bajo (hay que recordar que en el ruido que habrá a la entrada del circuito será dominante el ruido del equipo).

Se usa una resistencia para sensar corriente, y para convertirla en tensión, que es con lo que vamos a trabajar. Para ello, la resistencia de sensado debe ser lo menos intrusiva posible, ya que su interación con el circuito es muy perniciosa en las medidas.

Elegimos un valor de 0.05 Ohm, 160 veces menor que un driver de 8 Ohm, y la formamos con cuatro resistencias bobinadas de 0.2 Ohm, de 1W. (también la potencia es importante). La razón de esta elección es que las resistencias bobinadas tienen una deriva térmica muy baja, y con 4W nos aseguramos que su valor no variará significativamente a lo largo de la medición. Aparte, aunque con menos importancia, su nivel de ruido de baja frecuencia es muy bajo.

Por supuesto, existen resistencias de sensado de 0,01 Ohm pero son de dificil acceso, hay que pedirlas por catálogo y son caras. 0,01 Ohm ya es una cifra en la que puede moverse la resistencia del cable y la impedancia de salida del amplificador.

Iin, la entrada del circuito debe estar conectada al terminal - del altavoz a medir, y el altavoz no debe estar conectado al menos, sólo a ese punto . es necesario recordar que queremos medir corriente, y que si conectamos el altavoz a tierra, la corriente se irá por ahí en vez de pasar por el sensor. Uno de los canales del TL072 amplifica el voltaje en las patas de esta resistencia,

 

Como otro integrante del circuito de medición esta el sensor de voltaje. No es estrictamente necesario, ya que el amplificador es una fuente de voltaje, y dará un voltaje fijo, por lo que podremos deducir la impedancia con sólo ver la corriente.

El otro canal del TL072 es un buffer de voltaje. Está atenuado para poder hacer que las dos señales (V e I) tengan más o menos el mismo voltaje, lo que está calculado para que lo den a unos 8 Ohm aproximadamente.

Los diodos protegen al operacional de picos de voltaje.

 
aspecto del medidor

Para medir altavoces de 8 Ohm R1 debe ser de 39Kohm, mientras que para medir altavoces de 4 ohm, aunque no es necesario en absoluto, puede ser interesante cambiarla por una de 18k ó 22kOhm.

Para poder acceder a la información que proporciona éste método, es conveniente que en una canal de entrada a la tarjeta de sonido valla la medición de corriente y en la otra la medición de voltaje.

ESQUEMA COMPLETO (PDF)

LISTA DE COMPONENTES DEL SENSOR I-V (XLS)

PCB DEL SENSOR I-V (PDF)

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RESISTENCIA

Se pueden obtener medidas semejantes a las anteriores con un circuito mucho más sencillo pero mucho menos preciso, y que nos obligará a hacer otros cálculos.

Consta de tres resistencias. Dos de ellas forman un divisor de voltaje, que a su vez protegerá las entradas de la tarjeta de sonido.

La otra es una resistencia de potencia en serie con el altavoz que sensará (y a la vez poluciona la medición) de corriente, por eso habrá que corregir los cálculos.

 

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Medición de QES, QMS y QTS

Examinando la fórmula para la obtención de los parámetros T-S vemos que requerimos varios datos.

Deseamos conocer QES, QMS y QTS.

Y para ello debemos conocer RMAX, RE, R0, F1 y F2.

Como primer paso, mediremos RE. RE es la resistencia para corriente continua, y se mide con un polímetro, con la función de medir Ohmios.

Lo siguiente que hay que determinar es Fs, ya que RMAX es igual a Z a la frecuencia de resonancia Fs. Dicho de otra manera:

Fs es el la frecuencia a la que el altavoz presenta una mayor impedancia. Sabiendo esto, podemos buscar esa frecuencia midiendo su impedancia a distintas frecuencias. Hay que hacer las cosas con orden, es convenietne delimitar el margen de búsqueda... un tweeter no va a tener su Fs a 100Hz, ni un subwoofer de 18" la va a tener Fs a 500Hz.

Podemos establecer los siguientes rangos orientativos.

diámetro (")
media
Fs mínima
Fs máxima
4"
85Hz
50Hz
150Hz
5"
50Hz
35Hz
80hz
6.5"
35Hz
25Hz
60Hz
8"
30Hz
20Hz
50Hz
10"
25Hz
18Hz
45Hz
12"
25Hz
18Hz
40Hz
15"
22Hz
15Hz
35Hz
18"
20Hz
12Hz
30Hz

Los datos mostrados son meramente estadísticos. La mínima no es una mínima absoluta sino una medida de la desviación típica, al igual que la máxima. Como muestra se han tomado los drivers de los fabricantes de más prestigio. Para modelos de menor calidad o para aplicaciones profesionales, las frecuencias especificadas pueden ser mayores de lo previsto.

Ahora ya tenemos delimitado el rango donde buscar Fs, pero aún así, medir la impedancia a cada frecuencia puede ser pesado.

Un apunte sobre la medición de la impedancia a una frecuencia. La funció de medir Ohmios en un polímetro es sólo para DC y no sirve para varias frecuencias. Para medir Z a una frecuencia concreta con un polímetro se debe inyectar una señal senoidal pura de la frecuencia deseada, y se debe medir V~ e I~. Luego se aplica la ley de Ohm, R=V/I

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Método tradicional

El método tradicional consiste en sacar valores de Z a intervalos regulares (logarítmicos). Para ello se requiere un generador de frecuencias puras (el Win ISD mismo puede servir), una tarjeta de sonido y un amplificador. Se apuntan las frecuecnias y la medida de Z a cada frecuenicia. Es conveniente hacer una gráfica para trabajar de manera más cómoda, con la Z en el eje Y y fen el eje X.

Como un amplificador es una fuente de voltaje, y la tarjeta de sonido también, se puede medir únicamente la corriente, así el polímetro puede estar siempre en la misma posición y no hay que desconectar nada, sólo dar nuevos valores de f al generador.

Una vez que se tienen un número razonable de valores (al menos 20), y en la gráfica se aprecia una campana, se puede pasar a determinar los parámetros T-S.

Fs es la frecuencia donde Z es más alta.

RMAX es la resistencia a Fs.

R0 es la media geométrica entre RE y RMAX.

Para hallar F1 y F2, trazamos una línea correspondiente a Y=R0 (debe ser horizontal y plana. En los puntos donde esa recta corta con la gráfica de Z del altavoz, tenemos F1 y F2.

Para comprobar que todo es correcto, Fs debe ser la media geométrica entre F1 y F2.

A partir de ahí, el resto es hacer cálculos con las fórmulas.

Si se tiene acceso a un analizador de frecuencias en archivos .wav, se puede hacer lo siguiente.

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Usando una fuente de ruido blanco y el circuito sensor de V e I.

Con el circuito mostrado anteriormente, las salidas deben ir a la tareta de sonido.

En uno de los canales se graba el sensado de corriente, y el otro el de voltaje.

Grabamos una muestra de ruido blanco, con 10 segundos es suficiente, y se visualiza el análisis en frecuencias de la corriente.

 

La frecuencia donde el valor de la corriente sea más baja, ahí estará la frecuencia de resonancia (es donde mayor es la impedancia, y con voltaje constante, será donde menos corriente fluya).

Ahora ya sabemos cual es Fs, un gran paso, y más rápido que buscarla a base de polímetro con ondas senoidales. Ahora se debe hallar Z a Fs, que la llamamos RMAX.

   

Si se dispone de software que permita mostar la división entre un canal y el otro, como por ejemplo el spectralab, tendremos una gráfica como la que se muestra a continuación.

Con este programa se puede hacer algo que resulta muy útil: tomar muestras de varias resistencias y así superponiendo overlays se deducen rápidamente los valores de Z a las frecuencias. Supone que se deben medir varias resistencias para poder establecer los valores concretos, o al menos aproximarlos, pero una vez que se han medido unos cuantos el método es muy rápido.

Si no se dispone de esta utilidad, será necesario generar una señal senoidal de frecuencia igual a Fs, y medir la impedancia con el polímetro.(R=V/I)

Ahora es necesario buscar F1 y F2 , que las obtenemos tras haber obtenido RMAX. R0 es la media geométrica entre la resistencia máxima y la resistencia DC(RE)

Una vez que conocemos R0, sólo tenemos que grabar una muestra de ruido blanco con una resistencia del mismo valor. Sí, sale una línea recta (ya que la Z de la resistencia es perfectamente constante a frecuencias de audio).

Superponemos como overlay esta recta sobre la gráfica o el overlay de la medida de impedancia. Y tenemos que esa línea de resistencia corta en dos puntos a la gráfica que habíamos sacado antes, de la Z del altavoz.

Pues F1 y F2 son los puntos donde se cortan las dos líneas.

Ya tenemos los datos, ahora el resto es aplicar las formulitas.

Como los cálculos pueden ser pesados a base de calculadora, se adjunta una hoja de cálculo en excel que permite hacer los cálculos de manera automática.

Hoja excel

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Usando una fuente de ruido blanco y una resistencia.

Con una resistencia normal y corriente de 5W, bobinada o de carbón, y dos resistencias de 0.25W, se puede hacer una variante del método anterior que nos permite no tener que construir o adquirir el circuito, a pesar de que requiere correcciones posteriores, ya que la resistencia de sensado modifica los parámetros T-S.

Con el circuito mostrado a la derecha, las salidas deben ir a la tareta de sonido. En uno de los canales se graba la salida de la resistencia de sensado, y el otro diréctamente el voltaje.

Grabamos una muestra de ruido blanco y se visualiza el análisis en frecuencias de la resistencia de sensado.

La frecuencia donde sea menor la medida de corriente es, como en el caso anterior, la frecuencia de resonancia. Recordamos que es donde mayor es la impedancia, y con voltaje constante, el divisor de voltaje creado entre el altavoz y la resistencia hace que el altavoz consuma casi todo el voltaje.

El resto es todo igual, salvo que QES depende diréctamente de RE, y ahora hemos modificado RE, sumándole R3, por lo que habrá que hacer los cálculos de otra manera.

Si tratamos de medir RMAX no obtendremos la medida correcta.

Aún faltan cosas...

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Medición de VAS

Para medir VAS hay que modificar las condiciones resonancia del cono bajo factores conocidos. Los dos principales factores que definen la resonancia son la elasticidad de la suspensión y la masa móvil. Podemos modificar la elasticidad de la suspensión metiendo el altavoz en una caja sellada pequeña, y el aire contenido en el interior hará de muelle, lo que variará la elasticidad de la suspensión. O también podemos añadir lastre al cono, variando su masa.

Por estos dos métodos se puede averiguar Vas al aire libre. El más sencillo en cuanto a cálculos es el del volumen, pero requiere la construcción de una caja que difícilmente será la óptima, por lo que sólo servirá para hacer la medición. El método de la masa es más complicado en cuestión de cálculos pero no requiere más que una pequeña masa conocida

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Método del volumen

Como hemos explicado, el método consiste en variar la elasticidad de la suspensión con otra conocida. Esta nueva elasticidad añadida es el aire contenido en una caja de volumen conocido.

Cuando se añade esta elasticidad, Fs aumenta, y sabiéndo cómo se comporta bajo una elasticidad podremos predecir cómo se comportará ante otra elasticidad (caja).

En la gráfica se vé lo que ocurre con la impedancia. Fs aumenta de 40Hz a 90 Hz y la campana es menos picuda y pronunciada.

Para hallar VAS, una vez conocida la nueva frecuencia de resonancia FS2, se debe aplicar la fórmula de la derecha.

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Método de la masa.

En este métoco ocurre lo contrario, al añadir masa la frecuencia de resonancia disminuye, como se puede ver en la gráfica.

Para empezar la deducción, VAS es una función de la elasticidad acústica de la suspensión (CAS), de la densidad del aire (ro) y de la velocidad del sonido.(c)

CAS se define por la siguiente fórmula

Y MAS está cerca del parámetro que hemos modificado, MMS.

En caso de no saber la masa móvil del altavoz (lógico, por eso estamos midiendo sus parámetros), se puede decucir de la variación de la frecuencia de resonancia, mediante la siguiente dórmula

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medición parámetros TS - PCPfiles en www.pcpaudio.com