Cómo funcionan los altavoces: Guía de tecnología de altavoces
Los altavoces convierten las señales eléctricas de audio en ondas sonoras mediante principios electromagnéticos. Una corriente eléctrica fluye a través de una bobina móvil situada en un campo magnético, lo que hace que un diafragma vibre y mueva el aire, creando los sonidos que oímos.
Comprender la tecnología de los altavoces le ayuda a tomar decisiones informadas a la hora de seleccionar equipos de audio para la producción musical o la escucha. A pesar de los avances tecnológicos en materiales y fabricación desde la década de 1920, el principio básico de funcionamiento sigue siendo el mismo en todos los tipos de altavoces, desde los altavoces de los teléfonos inteligentes hasta los monitores de estudio profesionales.
En esta guía aprenderás:
- Los principios electromagnéticos que rigen el funcionamiento de los altavoces.
- Los componentes internos y sus funciones específicas
- Cómo reproducen los altavoces los diferentes rangos de frecuencia
- Especificaciones técnicas: impedancia, sensibilidad, respuesta de frecuencia
- La historia y el futuro de la tecnología de los altavoces
El principio básico del funcionamiento de los altavoces
El controlador del altavoz (también llamado transductor) realiza una función esencial: convertir la energía eléctrica en movimiento mecánico que crea ondas sonoras.
Cuando una señal de audio procedente de un amplificador llega a los terminales del altavoz, recorre una bobina móvil, un cable enrollado alrededor de un molde cilíndrico. Esta bobina se encuentra en el espacio entre los polos de un imán permanente. A medida que la corriente alterna pasa por la bobina, las fuerzas electromagnéticas hacen que se mueva hacia adelante y hacia atrás.
La bobina móvil se une a un diafragma. Cuando la bobina se mueve, el diafragma se mueve con ella, empujando y tirando del aire para crear ondas de presión. Estas ondas de presión son el sonido. La amplitud del movimiento del diafragma determina el volumen; la frecuencia del movimiento determina el tono.
Un borde flexible permite que el diafragma se mueva libremente mientras mantiene su posición. Un movimiento mayor del diafragma produce niveles de volumen más altos.
Componentes internos de un altavoz
Cada componente del interior de un altavoz realiza una función específica en el proceso de producción del sonido.
Componentes del sistema magnético
Polo, placa posterior y placa superior
El polo se encuentra en el centro y dirige el campo magnético. La placa trasera se encuentra detrás del polo, mientras que la placa superior se encuentra encima de él. Estos tres componentes concentran el campo magnético en el espacio donde opera la bobina móvil.
Imán permanente
El imán permanente proporciona energía magnética constante. Conserva sus propiedades magnéticas sin necesidad de alimentación externa. La bobina móvil solo se magnetiza cuando pasa corriente eléctrica a través de ella.
Bobina móvil
La bobina móvil es un alambre enrollado alrededor de un molde cilíndrico (también llamado bobina). Cuando la señal eléctrica pasa a través de la bobina, esta se convierte en un electroimán. Las fuerzas magnéticas entre la bobina móvil y el imán permanente hacen que la bobina se mueva. Al igual que los polos magnéticos se repelen, los polos opuestos se atraen. Esta interacción crea el movimiento de vaivén que produce el sonido.
Componentes estructurales
Araña
La araña es un material corrugado que sostiene la bobina móvil y permite el movimiento vertical. Impide el movimiento lateral, manteniendo un movimiento estable solo a lo largo de un eje.
Borde
El borde sostiene el diafragma en la parte superior de la cesta del altavoz, lo que permite un movimiento suave mientras se produce el sonido.
Diafragma
El diafragma (también llamado cono en algunos diseños) es la superficie móvil visible del altavoz. Se mueve en respuesta al movimiento de la bobina móvil, creando ondas de presión en el aire. Estas ondas de presión producen los sonidos que oímos.
Tapa antipolvo
La tapa antipolvo protege los componentes internos del polvo y los residuos, evitando daños.
Cesta
La cesta es el marco que mantiene todos los componentes del altavoz en sus posiciones correctas.
Componentes eléctricos
Los terminales del altavoz son los puntos de conexión metálicos donde los cables de audio se conectan al altavoz. Estos terminales se conectan al cable que se conecta a la bobina móvil, proporcionando la señal eléctrica necesaria para su funcionamiento.
Caja del altavoz
La caja (también llamada gabinete) cumple tres funciones importantes:
En primer lugar, protege los componentes internos del polvo, la suciedad y los elementos externos.
En segundo lugar, reduce la cancelación de fase. Cuando el diafragma se mueve, produce ondas sonoras en ambas direcciones. Sin una caja, estas ondas pueden cancelarse entre sí, lo que da lugar a una reducción de la calidad del sonido, especialmente en las frecuencias bajas.
En tercer lugar, la caja afecta a la dirección del sonido y a la respuesta de los graves. El diseño del gabinete influye en la forma en que los oyentes perciben las frecuencias bajas.
Las cajas están fabricadas con materiales densos y rígidos para evitar resonancias y vibraciones no deseadas. Los materiales más comunes son la madera, el MDF (tablero de fibra de densidad media) y el plástico.
Cómo reproducen los altavoces las diferentes frecuencias
Un solo controlador no puede reproducir de manera eficiente todas las frecuencias de audio. Las limitaciones físicas impiden un rendimiento óptimo en todo el rango de frecuencias.
En los conciertos, se pueden ver sistemas de altavoces separados para diferentes rangos de frecuencia: subwoofers y woofers para las frecuencias bajas, controladores de rango medio para las frecuencias medias y tweeters para las frecuencias altas. Cada tipo de controlador está diseñado específicamente para su rango de frecuencia.
Para uso doméstico y en estudios, los altavoces multiconvertidor resuelven este problema de forma compacta.
Sistemas de altavoces multiconductores
Los altavoces multitreiber utilizan dos, tres o cuatro controladores de diferentes tamaños para manejar diferentes frecuencias. La configuración más común es el sistema de dos vías, que utiliza dos controladores.
Un componente de cruce divide la señal de audio en diferentes rangos de frecuencia. Las frecuencias altas se envían al tweeter, mientras que las frecuencias bajas y medias se dirigen al controlador más grande. El cruce utiliza filtros para dividir las frecuencias correctamente.
Esta configuración permite al altavoz reproducir todo el rango de frecuencias con una calidad superior a la que podría alcanzar un solo controlador.
Por qué son necesarios diferentes tamaños de controladores
La mayoría de los altavoces tienen varios controladores de diferentes tamaños en el panel frontal. Este diseño responde a limitaciones físicas específicas.
Los controladores pequeños no pueden mover suficiente aire para producir frecuencias bajas a niveles de volumen suficientes. Los controladores grandes manejan bien los graves, pero tienen limitaciones mecánicas que impiden una reproducción eficiente de las altas frecuencias.
La directividad del controlador también depende del tamaño. La directividad se refiere al ángulo dentro del cual el sonido está correctamente equilibrado. Los controladores grandes tienen una directividad estrecha en las frecuencias altas, mientras que los controladores pequeños tienen una directividad limitada en las frecuencias bajas.
Comprender la impedancia de los altavoces
La impedancia de los altavoces es la resistencia total al flujo de corriente eléctrica en un altavoz, medida en ohmios. La impedancia incluye tanto la resistencia del cable de la bobina móvil como la inductancia causada por el bobinado de la bobina.
A diferencia de la resistencia estándar, la inductancia cambia con la frecuencia de la señal. Esta variación se denomina reactancia inductiva.
Es importante que la impedancia del altavoz coincida con la impedancia del amplificador para obtener un rendimiento óptimo. Una impedancia no coincidente puede provocar una reducción de la calidad del sonido, sobrecalentamiento y daños en el equipo.
Compruebe siempre que la impedancia del altavoz sea compatible con las especificaciones de su amplificador.
Potencia y sensibilidad del altavoz
Muchas personas asumen que una mayor potencia significa un sonido más alto. Esta suposición es incompleta.
Una mejor medida de comparación es la sensibilidad. La sensibilidad, medida en decibelios (dB), indica la eficiencia con la que un altavoz convierte la energía eléctrica en sonido. Una mayor sensibilidad significa que el altavoz produce más sonido con una determinada cantidad de potencia.
Los índices de sensibilidad permiten comparar de forma justa diferentes altavoces. Sin embargo, cuando se utiliza un amplificador externo, también hay que tener en cuenta la potencia admisible, es decir, la potencia eléctrica máxima que puede recibir un altavoz sin sufrir daños. Adapte la salida del amplificador a la potencia nominal del altavoz.
Elija una alta sensibilidad para aplicaciones en las que la eficiencia energética sea importante (altavoces portátiles, sistemas de audio para automóviles). Elija una mayor capacidad de potencia para aplicaciones de audio profesionales.
Respuesta de frecuencia
La respuesta de frecuencia describe la capacidad de un altavoz para reproducir sonido en diferentes rangos de frecuencia. Un gráfico de respuesta de frecuencia muestra las frecuencias en las que el altavoz puede exagerar o rendir por debajo de lo esperado.
La respuesta de frecuencia es importante por dos razones. En primer lugar, es necesaria a la hora de diseñar sistemas con varios controladores y configurar crossovers. En segundo lugar, le ayuda a seleccionar los altavoces adecuados para sus necesidades específicas, ya sea para trabajo profesional en estudio o para escuchar música en casa.
Muchos altavoces de consumo están ajustados con un ligero refuerzo en las frecuencias bajas y altas para mejorar la experiencia auditiva. Sin embargo, la producción musical requiere altavoces con una respuesta de frecuencia plana. La respuesta plana garantiza que ningún instrumento o muestra quede enmascarado por caídas de frecuencia o reforzado artificialmente por picos de frecuencia.
Los altavoces con respuesta de frecuencia plana proporcionan un sonido preciso que refleja fielmente la fuente de audio original, lo cual es necesario para una mezcla y masterización precisas.
Auriculares
Los auriculares utilizan la misma tecnología que los controladores de los altavoces, pero a menor escala. Son pequeños altavoces que se colocan sobre o dentro de los oídos y transmiten el sonido directamente al oyente.
Cómo funcionan los altavoces estéreo
Un solo altavoz reproduce el sonido en mono. Para crear un escenario sonoro estéreo completo, se necesitan dos altavoces, cada uno de los cuales transmite señales de audio izquierda y derecha y se coloca de manera que se cree un entorno sonoro amplio.
Las barras de sonido crean una salida estéreo utilizando múltiples controladores dispuestos a lo largo de la caja. La señal estéreo se divide en canales izquierdo y derecho, y cada controlador recibe su parte designada para crear una imagen estéreo más amplia. Estos sistemas suelen incluir un subwoofer independiente para la reproducción de bajas frecuencias.
La historia del desarrollo de los altavoces
Al igual que muchos inventos de principios del siglo XX, el altavoz fue desarrollado por varios inventores a lo largo del tiempo, a medida que mejoraba la comprensión de las ondas sonoras y las corrientes eléctricas.
Alexander Graham Bell, inventor del teléfono, realizó importantes contribuciones a la tecnología de audio, desarrollando una versión temprana de un altavoz a finales del siglo XIX. Oliver Lodge creó el primer altavoz de bobina móvil. En 1915, los ingenieros daneses Peter L. Jensen y Edwin Pridham patentaron el altavoz electrodinámico, en el que se colocaba una bobina de alambre unida a un diafragma en un campo magnético.
En 1925, Edward W. Kellogg y Chester W. Rice desarrollaron el altavoz dinámico con diafragma, que más tarde fue licenciado por RCA. Su diseño incluía muchos elementos que constituyen la base de la tecnología moderna de los altavoces.
Varios ingenieros contribuyeron al desarrollo de la tecnología que permite hoy en día una reproducción de audio de alta calidad.
El futuro de la tecnología de altavoces
La tecnología básica de los altavoces se ha mantenido prácticamente sin cambios desde su invención. Los altavoces son convertidores de energía ineficientes: más del 99 % de la energía de entrada se convierte en calor en lugar de sonido.
Sin embargo, la tecnología futura de los altavoces podría cambiar con el grafeno, un material descubierto en 2004. El grafeno es ligero y requiere menos energía para moverse y crear ondas sonoras. Esta propiedad es especialmente beneficiosa para los controladores de alta frecuencia, que requieren materiales ligeros para funcionar de manera eficiente a altas frecuencias.
Si la producción de grafeno puede ampliarse para productos comerciales, los altavoces del futuro podrían ser más ligeros y significativamente más eficientes desde el punto de vista energético.
Conclusiones
- Los altavoces convierten las señales eléctricas en sonido mediante la interacción electromagnética entre una bobina móvil y un imán permanente.
- El diafragma se mueve en respuesta al movimiento de la bobina móvil, creando ondas de presión que percibimos como sonido.
- Se necesitan múltiples controladores de diferentes tamaños para reproducir de manera eficiente todo el rango de frecuencias.
- Es necesario que la impedancia entre los altavoces y los amplificadores coincida para obtener un rendimiento óptimo y garantizar la seguridad del equipo.
- La sensibilidad indica la eficiencia con la que un altavoz convierte la energía eléctrica en salida de sonido.
- Es necesaria una respuesta de frecuencia plana para una producción y mezcla musical precisas.
- La tecnología de los altavoces no ha cambiado fundamentalmente desde la década de 1920, aunque los materiales siguen mejorando.
FAQ
Un woofer es un controlador grande diseñado para reproducir frecuencias bajas (graves). Un tweeter es un controlador pequeño diseñado para reproducir frecuencias altas (agudos). El tamaño de cada controlador está optimizado para su rango de frecuencia específico debido a limitaciones físicas: los controladores pequeños no pueden mover suficiente aire para los graves y los controladores grandes no pueden moverse lo suficientemente rápido para las frecuencias altas.
La impedancia del altavoz debe coincidir con las especificaciones del amplificador para garantizar un funcionamiento adecuado, una calidad de sonido óptima y la seguridad del equipo. Una impedancia inadecuada puede provocar una reducción de la calidad del audio, el sobrecalentamiento del amplificador y daños permanentes en el equipo.
La sensibilidad de los altavoces, medida en decibelios (dB), indica la eficiencia con la que un altavoz convierte la energía eléctrica en salida de sonido. Una mayor sensibilidad significa que el altavoz produce más volumen con la misma cantidad de potencia de entrada. La sensibilidad es más útil que la potencia nominal a la hora de comparar el potencial de volumen de los altavoces.
Una respuesta de frecuencia plana significa que el altavoz reproduce todas las frecuencias a niveles iguales sin enfatizar ni reducir rangos específicos. Esto es necesario para la producción musical porque garantiza una representación precisa de la fuente de audio, lo que permite a los productores tomar decisiones correctas de mezcla y masterización.
Un crossover divide la señal de audio en diferentes rangos de frecuencia y dirige cada rango al controlador adecuado. Por ejemplo, en un altavoz de dos vías, el crossover envía las frecuencias altas al tweeter y las frecuencias bajas al woofer, lo que garantiza que cada controlador solo reproduzca las frecuencias para las que está diseñado de manera eficiente.
