Supra SUB

INTRODUCCIÓN.

El subwoofer Supra se trata de un subwoofer hecho con la cabeza, en contraposición a las barbaridades que se encuentran en grandes superficies comerciales, car-audio y también, aunque en menor medida, en proyectos HUM / DIY.

Este artículo pretende mostrar las claves de la construcción de un subwoofer.

Los objetivos de la construcción son: que sea capaz de crear grandes niveles de SPL, funcionar en el rango 20-40 Hz (quizás más) y que su calidad de sonido se la mayor posible. En un subwoofer esto radica en: bajos niveles de distorsión armónica, ausencia de contribución al sonido por parte de la caja y buena respuesta temporal. A esto nos vamos a atener.

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TIPO DE CAJA.

Para quien todavía no halla leído los artículos de cajas acústicas y halla experimentado un poco con el Win ISD, (invitamos encarecidamente a ello) empezaremos por decir: de 100 Hz hacia frecuencias inferiores, el altavoz es tan importante como la caja en la que se encuentra, por eso es sumamente importante el tipo de caja.

Este punto resultará chocante a mucha gente, ya que en cuestión de subwoofers casi sólo existen los bass-reflex. Pero que sea un concepto extendido no quiere decir que esté en el camino adecuado hacia una buena reproducción, como lo son los filtros pasivos, las cajas de dos vías, y mucho menos los sistemas home cinema de satélites + subwoofer.

En el gráfico de la derecha se puede observar cómo con un mismo altavoz se pueden obtener respuestas tan dispares por debajo de los 100 Hz, sólo variando la caja. Se pueden ver diferencias de 8dBs y variaciones en la frecuencia de corte desde 33 hasta 90 Hz. Cada caja tiene sus ventajas e inconvenientes, es cuestión de elegir lo que conviene.

Pero no sólo de SPL vive el hombre, también vive de respuesta temporal, y es un tremendo error ignorarla.

Si clasificamos de mejor a peor las cajas estándar por su respuesta temporal tenemos el ranking de la derecha.

Respuesta temporal

Cajas cerradas baja Q

Líneas de transmisión

Cajas bass-reflex y
cajas de radiador pasivo

Cajas paso banda 4º orden

Cajas paso banda 6º orden

Se han excluído los baffles abiertos porque el cortocircuito acústico produce ineficiencias terribles, a las trompetas de carga frontal o trasera por el tamaño tan exagerado resultante y a los laberíntos acústicos por ser equivalentes a una caja cerrada de baja Q a nivel de respuesta, y más a estas frecuencias.

¿Porqué es importante la respuesta temporal?

Porque la psicoacústica ha demostrado que es importante. Nuestra respuesta emocional a sonidos percusivos, etc.. depende de la primera información recibida, si ésta indica un SPL bajo no causará impacto en nuesta mente. Por esto la respuesta impulsional debe ser lo mejor posible.

A nivel del límite inferior de respuesta (conocido como F3), la clasificación es la de la derecha. Ganan las líneas de transmisión, que además son las segundas con mejor respuesta temporal. Serían la opción si no dispusiésemos de un altavoz de 15" y el tamaño necesario para hacer la caja no fuese tan grande.

Frecuencia de corte

Líneas de transmisión

Cajas bass-reflex y cajas de radiador pasivo

Cajas paso banda 6º orden

Cajas paso banda 4º orden

Cajas cerradas baja Q

Es un problema que las cajas que mejor respuesta temporal tengan la menor eficiencia de todas, pero esto se debe a que son las únicas que no aprovechan la onda creada por la parte trasera del altavoz para reforzar, y esto en sí mismo es una explicación de lo que sucede:

La onda creada por la parte trasera del altavoz está desfasada 180º respuecto de la otra. Se pueden hacer dos cosas: 1) esperar a que se deshaga el desfase (Línea de transmisión) y 2), desfasar la onda mediante sistemas resonantes (tubos reflex o radiadores pasivos).

Lo más importante de ésto último es que la respuesta en frecuencia (SPL a cada frecuencia, F3, ... ) se puede corregir, pero no se puede corregir tan fácilmente la respuesta temporal, y por esto conviene estudiar cómo se poducirá la ecualización pertinente.

Facilidad de ecualización

Cajas cerradas baja Q

Líneas de transmisión

Cajas bass-reflex y
cajas paso banda 4º orden

Cajas de radiador pasivo

Cajas paso banda 6º orden

El tema de la potencia nunca lo he considerado muy importante, hoy día se fabrican altavoces con un potencias nominales sobradamente altas, si tenemos en cuenta que en un subwoofer el SPL máximo no está limitado por la potencia sino por el desplazamiento.

Pot. max. admisible f>Fb

Líneas de transmisión

Cajas bass-reflex,
cajas de radiador pasivo y
cajas paso banda 6º orden

Cajas cerradas baja Q

cajas paso banda 4º orden

Es más importante tener un altavoz de gran Xmax y Vd que una potencia RMS de 1000W, porque en muchos altavoces a 20 Hz sobran 10 irrisorios watios para hacer que el altavoz haga su recorrido de límite a límite.

Pot. max. admisible f<Fb

Cajas cerradas baja Q

Líneas de transmisión

Cajas paso banda 4º orden

Cajas de radiador pasivo

Cajas bass-reflex y
cajas paso banda 6º orden

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ALTAVOZ.

Un subwoofer debe mover mucho aire, y eso se puede hacer de dos maneras. 1) Empujando mucho aire de vez y 2) desplazando mucho el aire.

Lo primero equivaldría a una gran superficie que moviéndose poco llega a abarcar mucho aire, lo segundo a una superficie más pequeña que se mueve mucho para desplazar más aire. Tal y como se construyen los altavoces electromagnéticos, todo indica que es mejor mover ese aire con un desplazamiento pequeño, es decir: se requiere un altavoz grande. Y si tiene un gran Xmax, mejor.

El modelo elegido fue un JBL 1500 GTi, un subwoofer de 15", 600W RMS para car-audio que tiene características bastante interesantes, como que desplaza un litro de aire, (Xmax*2*Sd), doble entrehierro, doble spider, bobina de 4", y ventilación, mucha y muy eficiente ventilación. JBL es una marca un tanto paradójica, tiene en catálogo altavoces mediocres y tambien algunos de los mejores altavoces del planeta. Se han dedicado a desarrollar muchos productos de PA y a ellos se debe mayormente la evolución de los motores magnéticos.

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CONSTRUCCIÓN DE LA CAJA DE UN SUBWOOFER.

¿Qué debe tener una caja para un subwoofer?

Una caja de subwoofer debe ser dura y pesada, para evitar que vibre, radíe sonido al exterior, se deforme y por supuesto, que esté garantizada su propia integridad.

¿Qué es lo que no necesita tener una caja para un subwoofer?

Hay un realidad física que nos dice que en condiciones en las que la onda no puede completar ni un solo ciclo no se puede producir una onda estacionaria. Un subwoofer debe estar cortado a 100 Hz máximo. Esto corresponde con una longitud de onda de 3,4 metros, y una caja normalmente nunca tiene tanta distancia en su interior. Por lo tanto:

No hace falta poner absorbentes en el interior. Eso si hubiese absorbentes que tuviesen una capacidad razonable para absorber ondas por debajo de 100 Hz.

No hace falta hacer cajas con formas antirresonantes. Esto es también un aspecto estético, pero dificulta la construcción y es importante que la caja sea muy sólida. El sólido que mejor aprovecha el volumen para unas dimesiones dadas dada la actual arquitectura de nuestras casas es el cubo. Y este es el sólido recomendado para cualquier tipo de caja de subwoofer a excepción de las líneas de transmisión y de requisitos arquitectónicos especiales.


RIGIDEZ EN LA CAJA

La rigidez es necesaria por dos motivos principalmente: evitar la deformación de la caja (se pueden alcanzar presiones MUY elevadas en el interior de una caja) y evitar que ésta se convierta en un elemento radiante.

Sobre la rigidez y deformación, una caja con una superficie radiante entre 10 y 30 veces mayor que el altavoz, a poco que se combe está produciendo un fenómeno semejante a un cortocircuito acústico, que generará compresión sonora, y es uno de los efectos más nocivos que hay.

Precisamente por tener una superficie radiante tan grande hay que controlar que el sonido del interior no salga al exterior, y existen dos vías: acoplamiento acústico de la caja con el aire, en esto los materiales rígidos tienen puntos a favor porque las impedancias nominales de ambos medios son muy diferentes y así es más bajo, y el segundo, que es la transmisión entre el propio altavoz con la caja, pero que tiene más que ver con la masa:

Cuanto mayor sea la relación entre la masa de la caja y la masa móvil del altavoz, mejor se comportará la caja ya que la cantidad de movimiento que pueda transmitir el altavoz a la caja hará que esta se mueva menos (por la menor velocidad lineal). Por supuesto se puede recurrir a elemetos auxiliares como juntas de silicona o neopreno que absorberán parte de estas vibraciones y reducirán la transmisión de vibraciones a la caja, pero ésto sólo sucede a partir de la frecuencia de resonancia de esta unión.

Por debajo de la Fs de la caja, la excitación consigue movimientos muy leves, pero sólo es a partir de esa Fs cuando empieza vibrar, por debajo símplemente se mueve acompañando al cono. Esto hará que sólo se mueva (vibrando, claro), y aunque se puede radiar en más direcciones, éstas serán muy próximas en el tiempo a la onda reproducida por el altavoz porque las ondas en la caja viajan a más velocidad que en al aire. Pero por encima de esa Fs pueden pasar cosas diferentes, y no tan benignas.

Por eso es importante que la Fs de la caja sea alta, y ésto deriva directamente de su rigidez, aparte de que si el altavoz reproduce la frecuencia de resonancia de la caja, ésta tendrá una mala respuesta temporal a esa frecuencia.

Otro punto es que la amplitud generada a la frecuencia de resonancia puede ser muy alta en función de los parámetros de amortiguamiento del material. Éstos suelen depender de la frecuencia, como en fibras y demás absorbentes. Cuanto mayor es la frecuencia más absorven, y cuanto mayor sea la Fs de la caja, menor será su contribución al sonido.

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MATERIAL absorbente.

A la derecha se puede ver la ecuación de ondas unidimensional, que se aplica para ondas planas, aquellas que se desplazan por un conducto cuyo diámetro es menor que su longitud de onda.

Y aqui se puede ver su solución. Vemos que la presión sonora en un punto depende de k, la amplitud, de la frecuencia, de la posición y de la velocidad de la onda en el medio.

Pero no depende de la distancia del foco emisor como en el caso de las ondas esféricas, por lo que se puede deducir que la onda no se dispersa.

Bajo estas condiciones no se pueden producir ondas estacionarias, por lo que el material absorbente dentro de la caja tiene una función nula.

Por otro lado, los materiales absorbentes tienen una gran dependencia de la frecuencia, y la absorción a bajas frecuencias es nula o muy baja. Afortunadamente no son necesarios.

Otro tema es que con láminas bituminosas se consiga hacer que las paredes vibren menos. Pero es muy diferente de lo que se entiende habitualmente por material absorbente, de hecho su función no es absorber, es evitar que vibren las paredes modificando su frecuencia de resonancia, aumentando su masa y haciendo que sea necesario invertir más energía para hacerlas vibrar.

Y otro tema también diferente es que las fibras tienen la propiedad de modificar los parámetros de compresibilidad del aire, y variar el volumen aparente.

Ésta es una característica que podemos y debemos aprovechar, ya que en cajas cerradas se puede incrementar hasta un 30% el volumen aparente, o lo que es lo mismo, reducir la caja un 30% y obtener la misma respuesta.

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AMPLIFICADOR.

Un buen subwoofer en el rango que debe actuar como subwoofer (<50Hz) no requiere muchos watios.

Un buen subwoofer en aplicaciones home cinema no requiere muchos watios, normalmente no se admiten más de 100, pero requiere muchos Amperios, en un subwoofer la masa móvil suele ser alta, y el factor de fuerza del motor no es tan alto como para conseguir crear los Newton necesarios para frenar y acelerar efectivamente la masa móvil con un aporte normal de corriente, por lo que se necesita un extra.

Éste es uno de los puntos desfavorables de los amplificadores de subwoofer, y en general de los amplificadores. En colaboración con los propios altavoces y los filtros pasivos, es la causa de que el sonido se vuelva muy poco nítido a grandes SPL, primero por el propio altavoz, pero agravado por la imposibilidad del amplificador para controlar el movimiento del altavoz. También la cantidad de amperios proporcionados define gran parte de la respuesta impulsional.

En esta aplicación tenemos un punto en contra, la eficiencia es baja a las frecuencias que deseamos, por lo que debemos compensar esa pérdida con más potencia. Sin embargo, 100W pueden ser más que suficientes si escuchamos música a niveles razonables.

Por el momento lo alimentaré con una etapa de 70W @ 4Ohm, a la espera de construir una etapa de 450W RMS a 4 Ohm y capaz de entregar picos de 200A. Pero no porque sea estríctamente necesario.

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RANGO DE FRECUENCIAS

Un subwoofer debe actuar desde la frecuencia de corte de nuestras cajas hacia frecuencias inferiores. Si se solapan, se producirán picos o cancelaciones, y si no llega se perderán partes del sonido.

Quizás éste sea un buen momento para desmentir un "cuento de la abuela" muy extendido entre ingenieros y audiófilos. "no se puede reproducir una señal cuya longitud de onda es mayor que la dimensión máxima de la sala": Se nota que existen pocos sistemas que reproduzcan desde los 20 Hz.

Vamos a examinar ésta cuestión: ¿porqué no? Si eso fuese así dentro de una caja de 20 litros con 30 cm como dimensión máxima no existirían ondas de menos de 1130 Hz (aproximadamente corresponde a la longitud de onda de 30 cm), y la realidad es que existen. Se puede introducir un micrófono por el tubo reflex y comprobarlo. Tampoco en un coche se podrían reproducir frecuencias menores de 100 Hz, y la realidad es que se reproducen.

En el plano físico se puede, y además con dos ventajas: la primera es que no se pueden crear ondas estacionarias, porque no hay espacio físico para completar un ciclo, lo que elimina los modos de sala. La segunda es un fenómeno denominado "room gain", que corresponde a una ganancia de 12dB/oct desde una frecuencia determinada hacia otras más bajas, lo que permite que en un coche se reproduzcan frecuencias hasta prácticamente los 20 Hz con cajas que en el exterior tienen el punto de corte alrededor de 70 Hz. Ésto es un aliado o un enemigo, según se mire.

En nuestro caso, realizaremos una corrección activa para adaptar el rango existente al rango deseado, que será de 20 Hz hasta lo que la práctica y la integración con el resto de altavoces demuestre conveniente, pero nunca más allá de 80 Hz.

 


Construcción del Supra Sub
Filtro del Supra Sub
Conclusiones

Apéndice A
Apéndice B
Apéndice C

 

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Supra SUB - PCPfiles en www.pcpaudio.com