MONITOR

Introducción.

Esto pretende ser un ejemplo de diseño al completo de una caja acústica. La metodología es la habitual: decidir los objetivos y luego elegir la mejor manera de cumplirlos.

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Objetivo:

Se desea un monitor de sonido lo más neutro posible, de dimensiones reducidas con la finalidad de evaluar amplificadores auditivamente. Y además, con un bajo coste.

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Principios del diseño.

El nombre "monitor" es ya de por sí una declaración de funcionalidad. No he empleado ni un sólo segundo en buscar un nombre bonito. Tampoco en tener sentido estético.

Las reducidas dimensiones se refieren a 15 litros aproximadamente. Esto se puede conseguir con drivers de 6.5 o 5", aunque los 6.5" son la opción más valorada por cuestiones de distorsión armónica, extensión en frecuencia y eficiencia. Esto a su vez permite utilizar un diseño de 2 vías. Con un 8" hubiese sido prácticamente imposible. Otro de los puntos fue el de reutilizar componentes que tenía en "stock". Al necesitar sólo un monitor, sólo se necesita un driver o un componente de cada. Y sin que el hecho de reutilizar llegase a condicionar en lo más mínimo los objetivos de diseño.

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Elección del woofer

Se requiere un woofer de 6.5" con una reproducción muy neutra y niveles de distorsión armónica bajos. Esto implica que el motor debe ser bueno y el diafragma no debe ser rígido, ya que en un diseño dos vías es difícil de evitar el pico de resonancia del diafragma, que colorea el sonido y rompe al gran neutralidad del resto del rango. Tratar de eliminar ese pico puede perjudicar otros objetivos como mantener baja la THD, ya que la primera tentación es bajar la frecuencia de corte y eso aumenta la THD del tweeter. Un polipropileno o un papel duro puede ser una opción. Otro requisito es que "quepa" en una caja de dimensiones reducidas.

Disponemos de un SPH170TC, que cumple los requisitos. Su respuesta es razonablemente plana, y en la realidad, cumple la respuesta esperada. Los indicios de resonancia del diafragma se producen a partir de 3000Hz, inusualmente alto para un 6.5", y están muy amortiguados por el propio material del cono, el polipropileno. el guardapolvo (dustcap) es de tela tratada, y de 5cm de diámetro, lo que ayuda a contener esta resonancia

Por lo demás, no es una maravilla de driver como podría ser cualquier Scan-Speak. Respecto al motor, tiene refrigeración en el núcleo pero no llega a ser un motor lineal, muy parecido al motor de algunos Vifa. El desplazamiento es de 5mm, un poco pobre en comparación con otros pero suficiente para el SPL requerido, y superior en todo caso a un driver de calidad baja.

Pese a todo, dispone de un anillo de cobre para cortocircuitar corrientes de Foucault y para mantener constante Le, lo cual reduce THD e IMD, un punto a favor. El chasis es de hierro, un mal material para un chasis. La suspensión es de goma, muy fina y sin apariencia de acumular vibraciones, aunque tampoco de absorverlas. El centrador dispone de 7 arrugas simétricas, lo que garantiza baja THD por lo que al centrador se refiere.

El imán tiene un gran tamaño, y las piezas de hierro también. En la gráfica no se observa ningún comportamiento extraño a la frecuecnia de resonancia del chasis, lo que apoya la teoría de que es un driver basante neutro. Desde luego no es la octava maravilla pero tiene una muy buena relación calidad-precio, hay que pensar que cuesa aproximadamente entre 25€ y 30€.

Medimos sus parámetros thiele-Small y nos llevamos una sorpresa. Fs no es tan baja como indica el fabricante. Por otro lado, en la gráfica de impedancia que ofrece el fabricante tampoco coincide con la Fs que indican ellos ¿?. Desde luego el dato más fiable es el que estamos midiendo. QMS es más alto de lo indicado, y QES si coincide.

VAS también coincide, aunque lo comprobamos a posteriori.

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Eleccción del tweeter

La elección del tweeter vino condicionada por el "stock". El que más se ajustaba a los requisitos era un T2010 de Beyma que estaba fundido. Arreglarlo no fue difícil. Es un tweeter con cúpula de Supronyl de 3/4", lo que da una cierta mezcla de neutralidad y defición, semejante a lo que puede ser una tela tratada dura aunque sin llegar a destacar en ningunos de los dos aspectos.

El pequeño diámetro (3/4") lleva su zona de ruptura a frecuencias mayores que otros tweeter de 1", y eso fue lo que determinó su elección, la extensión en frecuencias agudas sobre los demás candidatos. En un amplificador la mayoría de las distorsiones se concentran en la banda aguda y es donde más neutralidad debe haber, es donde más información se puede sacar.

...Y esto a costa de aumentar la THD a frecuencias más bajas. Pero afortunadametne el woofer aguantaría una frecuecnia de corte más alta de lo habitual.

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Diseño de la caja.

¿Cerrada o bass-reflex? La eterna pregunta... cerrada da una reproducción más fiel pero bass-reflex tiene una mayor extensión en graves, y ambos factores son muy importantes.

El volumen necesario para una bass-reflex óptima es mayor del que marcan los objetivos. La decisión final fue atenuar la contribución del port, pero hacer una caja bass-reflex. En la simulación se observa una chepa debido al menor volumen. Esto es lo que se tratará de eliminar.

Vemos que la chepa sube 1.5dB por encima de la respuesta plana, lo que no es alarmante, el punto de -3dB está a 64Hz y la frecuencia de sintonía es de 55 Hz.

El retardo de grupo muestra que a frecuencias que a 50 Hz en bass-reflex, es de 7ms, lo que no está mal, aunque dista de la caja cerrada.

Las proporciones de la caja son 0.8:1:1.25.15 litros interiores con 30x25x20cm interior.

El grosor de la caja elegido fue de 2cm, un tamaño que dará suficiente neutralidad a la caja sin llegar al extermo de que el sonido sea apagado y sin cuerpo, lo que haría que los medios dominasen el sonido y enmascarasen el resto. El material empleado es un MDF de baja calidad, si existiera el LDF esto sería un ejemplo. Es muy fibroso y débil, lo que garantizará una alta autoabsorción.

Se emplean dos capas de 1cm pegadas entre si con cola de contacto y tornillos.

Como el MDF usado es muy poroso, se diluye la cola de contacto con acetona, para que así se pueda extender de manera eficiente con una espátula.

Hay grandes discusiones sobre los tornillos... hasta ahora no he encontrado ninguna evidencia de que un tornillo vibre a una frecuencia diferente de la caja a la que está atornillado, ni que su contribución en la coloración sea mayor que cualquir otra.

Queda pendiente la opción de añadir refuerzos en el interior para controlar el timbre. Con MDF estándar posiblemente no sean necesarios.

Todas las paredes quedan sólidamente unidas entre sí mediante el uso de tornillos y pasta de cola de contancto y serrín. En algunas piezas, debido a la tremenda debilidad del MDF utilizado se usaron tornillos tirafondos de gran longitud (8cm) para escayola, con un resultado muy bueno.

La tapa de atrás debía quedar fácil de desmontar ya que era lógico que se debían hacer pruebas y correcciones el el filtro, el material absorvente y el interior del recinto (refuerzos, etc...). La opción fue utilizar tubos que se usan para empalmar varillas roscadas. Se introducen en un agujero, se llena de cola de contacto y se le presiona con un tonillo tirafondos por el interior del MDF. Tienen rosca métrica y 20mm de profundidad, lo que da un tamaño perfecto.

Los drivers van enrasados porque luego se empleará un método antiestético pero eficaz para controlar y eliminar en ciertos casos la difracción. Se hace cortando ods agujeros de diferente tamaño en las capas de MDF. Los tornillos que sujetan los drivers son pasantes y apoyan sobre arandelas de goma o silicona, así se reduce la transmisión de vibraciones entre el driver y la caja.

Todas las esquinas van selladas con silicona. En el frontal se peparará una capa de silicona sobre la que se apoyan los drivers. La silicona cede, pero es más dura de lo que parece en este tipo de construcción. Por eso debe tener la forma del driver bajo el que va a encajar. Para esto, se forra la parte que no llevará la silicona pegada con cinta de embalar. Es de polipropileno y la silicona no pega sobre ella.

Para dar más facilidad a la hora de "despegar", conviende untarla con aceite o grasa. Luego se coloca el driver en su hueco, apretando para que coja su forma pero no tanto como lo apretarán los tornillos. Se deja secar durante dos días y luego se separa. Esto forma un molde perfecto. Los drivers encajan como un guante, quedan estancos y se reduce de manera drástica la transmisión de vibraciones. Entre todos los materiales empleados para esto, la silicona es con diferencia el mejor.

La tapa de atrás, que será desmontable también va sellada de esta misma manera.

El tubo del bass-reflex irá en la parte trasera. Aquí hay dos consideraciones. El tubo debería ir centrado respecto a la altura del woofer, así la radiación sonora sería perfectamente simétrica respecto de un plano horizontal. Pero si hacemos esto, saldrán frecuencias que no les corresponde por el tubo (medios) que "ensuciarán" el sonido). Por ese motivo y por evitar una carga espacial con la mesa (habitalmente estará apoyado en una mesa) se coloca en la parte de arriba.

Los drivers se colocan de manera que la distancia mínima entre el centro y el borde superior e inferior de la caja no sea igual que con los laterales. De esta forma se evitan problemas de difracción, que se acrecentarían con la regularidad de las distancias. También se colocan lo más cerca posible, con 0.5cm entre sus chasis.

El interior de la caja se forra de moqueta, y a la vez se sella el MDF con la cola de contacto utilizada para pegarlo. Se cubre absolutamente todo. La parte trasera lleva dos capas de moqueta.

Los drivers también se forran en la media de lo posible con moqueta. Toda parte es susceptible de crear reflexiones, asi que todas deberán llevar moqueta. Hay que tener cuiado de no tapar la ventilación del núcleo del woofer.

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El filtro v1.0

El fitro que se requiere es un filtro duro. Los drivers están próximos al estremo de su rango, tanto inferior (tweeter) como superior (woofer)

Se elige un filtro de 3er orden por es un filtro de gran dureza y a la vez mantiene la degradación de los componentes pasivos en niveles tolerables. Un filtro de 4º orden pasivo no conlleva grandes diferencias a oído,y el comportamiento del driver al final del rango es bueno por lo que se estima que 3er orden es suficiente.

La frecuencia de corte debe ser algo elevada al haber elegido un tweeter con diafragma pequeño. Se elige 2800Hz, lo que hace que el tweter no reciba grandes interacciones con su Z y fase a Fs (los altos parámetors Q hacen que su comportamiento paso bajo tenga el punto de -3dB a menos de 1000 Hz ya que los polos están muy próximos a 1000Hz.

Esto se ve cuando la fase del T2010 es igual a +60º desde 2000Hz en adelante. De 2000 a 1000 sube ligeramente a +90, inapreciable. Queda pues un filtro muy bien trabado, donde a la frecuecnia de corte el habitual desfase de 90º queda reducido a 30º.

En las mediciones del fabricante, que en materia de THD están bastante acertadas muestan que por debajo de 3kHz es donde la distorsión aumenta de manera descontrolada debido a la excesiva excursión. La distorsión armónica de 2º orden muestra deficiencias en el diseño del motor, aunque no son extrañas en un tweeter.

Con centro en 4kHz vemos una gran subida de la distorsión de 3er orden. Está causada por la resonancia del chasis, un grave fallo que se debería haber eliminado en su diseño, con cualquier material absorvente se puede reducir. Eso se muestra también en las gráficas del SPL.

La respuesta del D2010 es ligeramente caótica. Su eficiencia es muy alta en comparación con la del woofer, las gráficas marcan 95dB en los puntos máximos. Mis mediciones distan de las del fabricante una vez más. y a 3khz dan el mismo SPL que a 10kHz. Desgraciadamente tiene dos valles y la extrema delgadez del supronyl hace que su autoabsorción sea muy buena, pero no se extienda demasiado en frecuencia. Se añade una L-pad que atenúa 6dB. Para corregir la caída a HF se coloca una ecualización integrada en la L-pad que introduce un cero a 12kHz y un polo a 24kHz.

EL valle a 6kHz, que ocupa desde 5kHZ hasta 7200Hz se deja sin tratar en esta versión del filtro, ya que tiene un ancho corto y la Q del notch correspondiente puede ser incómoda por un valor "alto". La inclusión de una red implicaría componentes muy precissos.

 

La frecuencia de 2800Hz hace que el woofer tenga aún un cierto margen para no reproducir sus resonancias. La dureza del filtro y la frecuencia elegida permite que los chillidos del tweeter no sean obvios más que a muy altos SPL, cosa que no se requiere en este monitor. El woofer requiere una red Zobel, ya que el valor de su inductancia es demasiado grande como para integrar su inductancia en el fitro. Por cierto, sólo se conecta una de las bobinas del SPH170TC. Dará la opción de que si algún día un amplificador falla y quema la bobina quedará otra de repuesto. Un fusible sería conveniente, para le versión definitiva se investigará.

En esta primera versión del filtro se utilizan componentes como condensadores MKT en general y un MKP @100V (baja absorción dieléctrica y ESR) para la ecualización del tweeter. Las bobinas son de núcleo de aire pero en la versión definitiva se sustutuirán algunas por otras de núcleo de ferrita, ya que por ejemplo en el tweeter su RDC es crítica, mejora el filtrado de baja frecuencia y eso reduce la IMD. A la derecha se ve el filtro del tweeter.

El material empleado para esa bobina será de grado N27 (una ferrita normal y corriente) que puede trabajar hasta 100kHz. Los valores requeridos son bajos, 0.6mH máximo y los fenómenos de saturación son difíciles de alcanzar en la bobina del tweeter. No así en la de 0.6mH del woofer, aunque si son (3 veces) más difíciles de alcanzar en la 2ª bobina del woofer, la de 0.2mH. Una solución sería poner de ferrita las de 0.2 y 0.3mH y dejar de aire la de 0.6mH.

Las resistencias empleadas son de carbón de 2W, motivada por una elucubración acerca de la distorsión de cruce por cero creada por los microrectificadores Shottky que forman los óxidos en los metales (ver cables Van Den Hull). En cualquier caso no suena diferente de las de film metálico, y SI suena mejor que una bobinada.

La distorsión armónica del tweeter a 3000Hz es de un 0,316%, con un tamaño grande en la barra de ferrita se puede consegir que la distorsión de la bobina de ferrita sea baja. La distorsión del woofer es mucho menor. Pero otra parte, el hecho de que sea un filtro duro minimiza los efectos de esta distorsión, ya que ésta distorsión está presente sólo en la banda eliminada, lo que significa que un filtro de 1er orden con una bobina de ferrita no es una buena idea.

Como curiosidad, estas barritas y sus chasis de plástico distribuidas por Ariston son las que utiliza Beyma para hacer sus filtros.

Un tema muy importante con bobinas de núcleo de aire es ponerlas en perpendicular unas respecto de otras para que no se acoplen los campos mangéticos entre sí.

La colocación tiene su punto de importancia, el paso alto está en un lado y el paso bajo en el contrario.

Los cables utilizados son cable de cobre estañado forrado de teflón, de 0.5mm^2 de área y formando pares o cuartetos trenzados. Están sacado de un cable de telecomunicaciones. Lo más cortos posible.

Los conectores son conectores banana estándar. No se ha previsto bicableado ya que la distancia al amplificador será siempre inferior a 1 metro. En el interior todo va soldado excepto los contactos de atrás del conector banana, por si hay que separar la tapa trasera.

 

 

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Material absorvente.

El material absorvente utilizado en el interior es la moqueta y la fibra de poliéster. El modo y la contidad consistieron en cubrir los laterales y tener especial interés en las esquinas y detrás del woofer. Se debe dejar un espacio libre para que el aire circule libremente desde el woofer hasta el port.

Pero la mayor novedad no está dentro sino fuera.La lucha contra la difracción y las pocas perspectivas estéticas me llevaron a forrar el monitor al completo con moqueta.

De esta forma las vibraciones de la caja no pasan al aire, y en el caso del frontal es donde realmente se evita la difracción. A la derecha se vé la manera de forrar con el menor cúmero de cortes posible.

La gran absorción impide que se refleje sonido en el frotal, a pesar de que el reducido tamaño de la cúpula del T2010 hace que tenga una radiación sonora muy amplia. Se cubrió todo el frontal del T2010 con dos capas de moqueta, y se hicieron dos agujeros de prácticamente el mismo tamaño que la cúpula, para ayudar a la absorción del sonido radiado en todas las direcciones y que quede un ángulo menor.

Hay que pensar que normalmente estaré a poca dsitancia y que pretendo obtener información del altavoz, no recrear una escena que por otra parte no voy a poder recrear en estéreo, ya que sólo hay un monitor.

 

 

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Primeras impresiones (acústicas)

Pues no es como unas Proac 2.5, lógico, cuesta unos 110 € en materiales la unidad, frente a los 330-360 € con más o menos lo mismo: 2 vías 6.5"+3/4" y filtro de 3er orden.

Son los polos opuestos. Una falla donde la otra destaca, por ejemplo en este monitor la profundidad del grave es baja, consecuencia de su menos extensión en frecuencias, y los agudos extremos también son peores gracias al D2010 de Scan-Speak, tweeter en el que se "inspira" por no decir otra cosa el D2010 de Beyma.

Pero los medios agudos tienen una buena definición y sobre todo una gran ausencia de coloración y distorsión. Por lo demás no son comparables, la diferencia entre las dos pantallas es tan grande como la diferencia en costes.

 

El objetido de neutralidad está cumplido de sobra, la elección de la frecuecnia está muy acertada y en general no hay coloración. Por los graves hay alguna cosa que corregir. Recordamos que tenemos un pico en la respuesta del woofer que hemos decidido tener para que el comportamiento sea un término medio entre sellada (infinita) y bass-reflex. Con un trozo de fibra de poliéster rellenamos el tubo, que como indicaba nuestra simulación, silba a gran SPL. La fibra reduce la turbulencia el descontrol del paso del aire, Con la fibra se elimina este comportamiento. La chepa se reduce y la coloración también, llegando a confundirse con las resonancias creadas por la sala.

 

Al posicionar el monitor en uno de los 8 puntos áureos de la sala, y situarme en otro se advierte que no hay resonancias apreciables y ya no se tiene la sensación de que la caja "sólo produce una nota" como pasa en miles de subwoofers malos. El instrumento que más diferencias marca en la coloración alrededor de 100Hz (truco sucio promovido por las investigaciones en psicoacústica para tener la impresión de que hay más graves de los que en realidad hay), que es el bajo de acompañamiento demuestra cuando se perciben en el punto correcto los numerosos armónicos y cuándo una nota sobresale... y de manera ovbia. Esta prueba queda superada pero queda todavía algún punto pendiente.

 

Por ejemplo la sensación de cuerpo es buena, la gran neutralidad en medios hace que no se enmascare ninguna nota, pero en la tonalidad predomina el grave, por lo que se necesitará un refuerzo transversal en los laterales. Así se hará que la frecuencia de resonancia de la caja suba y el timbre sea ligeramente más agudo.

 

Otro aspecto a corregir es que se percibe una pérdida de claridad entre 800 y 2000 Hz. Lógico por otra parte. La primera línea de trabajo es el material absorvente. Posiblemente requiera algún material más contundente que la fibra de poliéster justo detrás del woofer.

Todavía no he econtrado el material adecuado para corregir este defecto.

 

En general la definición de su sonido es: Neutro y correcto. Pero no tan neutro como para llegar a ser aburrido, a pesar de la gran inexpresividad del polipropileno.

Suenan muy bien los que no suele sonar bien en otras pantallas, me refiero a voz de soprano, violín, guitarra eléctrica, lo que lleva a pensar que la reducción de la THD y el trabajo para eliminar la difracción han merecido la pena, ya que el hecho de que se oiga bien no es un mérito de esta pantalla sino un defecto de las demás.

Cuesta hacerla chillar, y en esa situación está dominado por la THD por excesivo desplazamiento del tweeter. En música pop, preparada y predigerida para pantalls con poca extensión en graves se defienden de manera excelente, también en ciertas piezas de clásica con mucha cuerda y viento.

 

Cuando se implemetne el filtro definitivo se realizarán una serie de medidas que se contrastarán con las impresiones acústicas, aparte de complementar y apoyar las decisiones de diseño.

 

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