El Sonido y sus Parámetros: Micrófonos y Altavoces

El Sonido y sus Parámetros

Tono y Timbre

Es la cualidad de los sonidos que permiten distinguir entre las frecuencias del espectro de audio (graves, medios, agudos).

El Timbre

Es la característica que nos permite identificar los diferentes instrumentos musicales, cuando dan el mismo tono, con la misma intensidad.

Comportamiento del Sonido

Propagación del Sonido

Existen dos tipos de fuentes sonoras: fuente sonora puntual y fuente sonora lineal. La propagación del sonido desde una fuente sonora puntual es de forma esférica. Si la fuente sonora es lineal, las ondas se propagan en forma cilíndrica.

Influencia Atmosférica en el Sonido

Cuando un sonido recorre distancias considerables, además de la atenuación por la distancia, hay que añadir la atenuación producida por la absorción acústica del aire.

Propagación del Sonido

Reflexión del Sonido

Cuando una onda sonora choca contra una superficie, parte de la misma será reflejada con un ángulo igual al incidente, dependiendo del grado de absorción del material de esa superficie.

Absorción del Sonido

Es cuando una onda sonora es absorbida por la superficie, al chocar contra ella.

El reparto entre la energía absorbida y la energía reflejada depende de la naturaleza del elemento, de su forma y tamaño y de la rugosidad superficial.

Difracción del Sonido

Cuando un haz de onda sonora que se propaga en el espacio encuentra a su paso un obstáculo cuyas dimensiones son menores que la longitud de onda incidente, el sonido rodeará el obstáculo, expandiéndose a su alrededor originando el fenómeno de difracción.

Cálculo de la Longitud de Onda

La longitud de onda depende de la frecuencia de la señal sonora y de la velocidad de propagación.

Eco y Reverberación

La reverberación es una prolongación de la audición del sonido, provocada por reflexiones que llegan instantes después del sonido original.

Si la reflexión llega más tarde de 0.1 segundos, el oído interpretará dos sonidos: el original y el eco.

La Señal de Audio

La señal de audio es el sonido convertido en señales eléctricas de forma que sea posible su amplificación, transporte, atenuación y modificación mediante procedimientos electrónicos.

Características

Nivel de Tensión

Pueden tener niveles de tensión muy variados, desde 1mV (micrófonos) hasta varios voltios (megafonía).

Formas para Expresar un Nivel de Tensión

• Tensión en dB
• El dBmV

Nivel de Potencia de la Señal de Audio

Formas de Potencia

• Potencia eficaz o continua: es la potencia que puede entregar un amplificador continuamente, sin sobrepasar un determinado nivel de distorsión.
• Potencia musical: es la potencia máxima que un amplificador puede proporcionar durante un corto periodo de tiempo (normalmente 0.2 segundos). Puede ser decenas de veces el valor rms.
• Potencia máxima o de pico: es el valor de la potencia expresada en valores máximos.
• Potencia de pico a pico: es el valor de la potencia expresada en valores pico a pico.

Distorsión

Es la especificación de los productos de sonido que permite evaluar su capacidad de procesar la señal de audio, sin alterar su timbre o contenido de armónicos.

Relación Señal-Ruido

Es la característica de la señal de audio que expresa la relación de niveles entre la señal en sí y el ruido que inevitablemente la acompaña. Se expresa por S/N y mide en dB.

Gama Dinámica

Es la diferencia que existe en una determinada señal de audio entre el nivel o la amplitud de los pasajes más intensos y los más débiles de la señal de sonido. Se expresa en dB.

Respuesta en Frecuencia

Esta característica define el comportamiento de un determinado elemento de sonido en relación a las diferentes frecuencias de la señal de audio.

El elemento de sonido ideal es aquel que es capaz de tratar a todas las frecuencias de la gama audible, sin realzar o atenuar ninguna, salvo que ésta sea su misión.

Impedancia

La impedancia es la oposición total incluyendo resistencia y reactancia que un circuito eléctrico o elemento presenta al paso de la corriente alterna.

Distintos Tipos de Impedancias

Impedancia de Entrada (Zin)

Es la correspondiente a las entradas de la señal de audio de cualquier elemento de sonido.

Impedancia de Salida (Zout)

Es la impedancia que presenta cualquier elemento de sonido a su salida. Presenta en general valores bajos. El ideal sería cero, evitando así la captación de ruidos y facilitando la adaptación con otros elementos de sonido.

Adaptación de Impedancias

Según se quiera transmitir la señal entre dos elementos de sonido, deberemos tener en cuenta la impedancia de salida del primer elemento y la de entrada del siguiente.

• Máxima corriente: la impedancia de entrada pequeña que la impedancia de salida.
• Máxima tensión: la impedancia de entrada mucho mayor que la impedancia de salida.
• Máxima transferencia de potencia: ambas impedancias deben ser iguales.

Impedancia Mínima de Carga (Zmin)

La impedancia mínima de carga debe venir especificada en todos los equipos que hayan de ser conectados a otros, y sobre todo en aquellos destinados a proporcionar potencia.

Factores a Tener en Cuenta en la Adaptación de Impedancias

1. No conectar a la salida de un aparato cargas de valor inferior a su impedancia mínima de carga.
2. Cuando la salida de un equipo ha de conectarse a varios elementos, deberemos verificar que la impedancia de entrada combinada de todos ellos, no sea menor que la impedancia mínima de carga del equipo.

Micrófono

Es el elemento capaz de captar las ondas sonoras convirtiendo las variaciones de presión que inciden en su diafragma en energía eléctrica de similares características de onda para su posterior proceso por medios electrónicos.

Características de los Micrófonos

Sensibilidad

Es la relación existente entre el nivel de presión sonora que actúa sobre el diafragma y la amplitud de señal alterna eficaz que genera en sus bornes en circuito abierto.

Respuesta en Frecuencia de un Micrófono

La respuesta en frecuencia indica la variación de sensibilidad de un micrófono dentro del espectro de frecuencias audibles.

Directividad o Direccionalidad

Variación del nivel de salida del micrófono, para cada uno de los diferentes ángulos de incidencia de la presión acústica.

Tipos de Micrófonos Según su Directividad

• Micrófonos omnidireccionales: son aquellos que tienen igual sensibilidad respecto de la onda incidente en todas las direcciones.
• Micrófonos bidireccionales: son los micrófonos en los que su sensibilidad es mayor a ambos lados del diafragma, atenuando los sonidos procedentes de otras direcciones.
• Micrófonos unidireccionales o cardioides: son aquellos que captan preferentemente los sonidos procedentes de los puntos situados delante de su diafragma, atenuando en gran medida los demás.
• Micrófonos hipercardioides: son micrófonos que están a medio camino entre el bidireccional y el cardioide, ya que son muy sensibles por delante del diafragma, aunque también recogen el sonido por detrás.

Impedancia

• De alta impedancia: superior a 1000Ω, entregan muy poca corriente.
  
• De baja impedancia: inferior o igual a 600Ω, mayor corriente de salida.
  

Rango Dinámico

Se conoce como rango dinámico, la magnitud existente entre el sonido más fuerte y más débil que se transforma en señal eléctrica por un micrófono sin producir distorsión.

Tipos de Micrófonos Según su Transductor

• Micrófonos de resistencia variable: se basan en la modificación de la resistencia presentada por unos gránulos de carbón al producirse variaciones de presión sobre el diafragma.
• Micrófonos piezoeléctricos: basan su funcionamiento en un cristal piezoeléctrico que al ser deformado por la acción de una presión sobre su diafragma, genera una tensión eléctrica proporcional a la deformación.
• Micrófonos electrodinámicos: su funcionamiento se basa en que cuando un conductor eléctrico se desplaza dentro de un campo magnético creado por un imán permanente, a causa de las variaciones de presión en el diafragma, en dicho conductor se genera una señal eléctrica de la misma frecuencia y amplitud proporcional a la onda acústica que la ha ocasionado.
• Micrófonos de bobina móvil: su impedancia es baja y su respuesta en frecuencia es bastante buena.
• Micrófonos de cinta: estos micrófonos son muy robustos y fiables, pero en contrapartida son muy voluminosos y pesados, y muy sensibles al viento.
• Micrófonos electroestáticos o de condensador: este tipo de micrófonos utiliza como principio de funcionamiento las diferencias de capacidad existentes entre las armaduras de un condensador, siendo una de ellas el propio diafragma, al producirse variaciones de presión sobre el diafragma.
• Micrófono por condensador: es un micrófono de alta calidad, con una respuesta en frecuencia muy buena. Su alimentación es conocida como phantom.
• Micrófono electret: su funcionamiento es parecido al del micrófono por condensador, pero con la particularidad de que llevan un polímero polarizado llamado electret, con lo que se consiguen micrófonos de pequeño tamaño.

Colocación de los Micrófonos

Efecto de la Proximidad

Como norma general, el micrófono debe estar lo más cerca posible de los labios del orador, pero existen algunos límites a esta proximidad, ya que al pronunciar ciertas consonantes explosivas se produce el efecto de golpe de aire.

Acoplamiento Acústico, Efecto Larsen

El efecto Larsen o acoplamiento acústico se desencadena cuando cualquier sonido producido en la estancia es recogido por el micrófono, amplificado y difundido de nuevo por los altavoces.

Altavoz

Un altavoz es un dispositivo capaz de convertir energía eléctrica en energía acústica que se radia al aire.

Características

Impedancia

Son la resistencia óhmica del hilo de la bobina móvil, la reactancia inductiva, la forma constructiva del altavoz y la caja o alojamiento donde está instalado.

Frecuencia de Resonancia

Llamamos frecuencia de resonancia de un altavoz a la frecuencia característica de vibración de los elementos mecánicos formados por el diafragma, la bobina móvil y los elementos de suspensión. Esta frecuencia tiene una gran importancia, pues marca el límite inferior de la curva de respuesta del altavoz.

Respuesta en Frecuencia

Es la gama de frecuencias que un altavoz es capaz de reproducir con un determinado nivel de eficacia y calidad.

Sensibilidad

Es el nivel de presión sonora que un altavoz produce a 1m de distancia, en su eje, cuando lo alimentamos con 1W de potencia.

Potencia

La potencia máxima de un altavoz es aquella que puede soportar de forma continua, en prolongados periodos de tiempo. Está determinada por la capacidad de evacuación de calor que posea.

Distorsión

El altavoz es uno de los elementos que en la actualidad, mayor distorsión presenta, siendo sus índices del orden del 5% especialmente en frecuencias bajas, en el caso de los altavoces la distorsión es mayor cuanto más nos acercamos a su máxima potencia de trabajo.

Directividad

Es la variación del nivel de presión sonora a una distancia fija, en función del ángulo de giro del altavoz.

Rendimiento

Indica el cociente entre la potencia acústica entregada a la salida del altavoz y la potencia suministrada al mismo.

Tipos de Altavoces Según su Principio de Funcionamiento

Altavoces Electroestáticos

Muy poco eficientes aunque su respuesta en frecuencia es amplia y plana. Diafragma grande y plano, colocado entre dos placas fijas acústicamente transparentes, que reciben la señal de audio. Necesitan tensiones continuas de varios cientos de voltios.

Altavoces Piezoeléctricos

Basan su funcionamiento en la propiedad de algunos cristales (cuarzo), a los que cuando se les aplica una señal eléctrica entre dos de sus caras, aparece una vibración mecánica en las caras opuestas.

Altavoces Electrodinámicos

Están constituidos por varios elementos:

• Elemento electromagnético: está formado por la bobina móvil y el imán permanente. También se le denomina elemento motor del altavoz.
• Elemento mecánico: está constituido por el cono o diafragma, la tapadera para el polvo y el sistema de suspensión, que está constituido por el anillo de suspensión o araña, para que no pueda desplazarse el cono lateralmente, siendo éste una pieza de tela rígida en forma de acordeón. Por la parte exterior, el cono está sujeto a la armadura por un anillo elástico que puede ser prolongación del mismo cono o bien, de otro material, generalmente de goma.
• Elementos de soporte y conexionado: constituidos por la campana o carcasa, en la cuál se colocan los bornes de conexión, además de los orificios que servirán de soporte del altavoz a la caja acústica.

Principio de Funcionamiento

La corriente eléctrica correspondiente a la señal de audio se aplica a los terminales de conexión y circula por la bobina generando un campo magnético alterno que interacciona con el campo magnético constante del imán, produciendo una fuerza en la bobina, que por ser solidaria con el cono, ocasiona que éste se desplace con la amplitud proporcional al nivel de tensión aplicado y con la misma frecuencia. Estos desplazamientos del cono generan variaciones de presión en el aire, que nosotros escuchamos.

Tipos de Altavoces Según su Utilidad

Altavoces de Tonos Graves: Woofers y Sub-Woofers

Poseen una frecuencia de resonancia muy baja. Las dimensiones del diafragma para estos altavoces son grandes.

Altavoces de Tonos Medios: Squawker

Estos altavoces reproducen el espectro de frecuencias comprendido entre una frecuencia de resonancia de unos 300Hz y una frecuencia de corte superior de entre 5 y 8KHz. El diámetro de su diafragma suele estar comprendido entre 12 y 22 cms.

Altavoces de Tonos Agudos: Tweeter

La frecuencia de resonancia de estos altavoces se sitúa entre los 3 y 4KHz con una frecuencia de corte superior por encima de los 20 KHz. Los diafragmas de estos altavoces son de pequeñas dimensiones, estando diseñados para altas frecuencias.

Recintos Acústicos o Cajas Acústicas

Sabemos que los altavoces basan su funcionamiento en transmitir una energía sonora al aire mediante la vibración del cono o diafragma. Dado que el cono tiene dos caras que al vibrar producen variaciones de presión opuestas, las ondas sonoras procedentes de ambas caras, tienden a anularse entre sí, siendo este efecto más acusado en bajas frecuencias y se le denomina cortocircuito acústico.

Para evitarlo, se colocan los altavoces en cajas, bafles, techos, etc...

Bafle Infinito

Cuando un altavoz se instala de forma que su radiación posterior se emite en un recinto totalmente independiente de la estancia donde se produce la emisión frontal, decimos que está colocado en bafle infinito. En la práctica es necesario que el panel de separación sea de dimensiones superiores a la longitud de onda más baja que se quiere reproducir, lo que en la práctica es difícil conseguir. Aunque una solución que se aproxima al bafle infinito es introducir los altavoces en falsos techos. Cuando se utiliza este tipo de montaje, la curva de impedancia coincide con la frecuencia de resonancia del altavoz.

Caja Acústica o Bafle

Tres variantes:

1. Caja abierta: están construidas habitualmente en madera, y presentan aberturas. Son utilizadas en equipos de baja calidad. Su respuesta en frecuencias bajas es muy limitada.
2. Caja cerrada: no poseen ninguna comunicación con el exterior. Internamente suelen estar recubiertas de algún absorbente acústico. Varía la frecuencia de resonancia del altavoz y se consigue una respuesta en bajas frecuencias superior a las cajas abiertas.
3. Caja sintonizada o “Bass Reflex” (reflexión de graves): estos bafles incorporan una salida de aire mediante un tubo que tiene la propiedad de aprovechar la energía acústica de la cara posterior del altavoz y sumarla a la frontal, especialmente en bajas frecuencias. Son los más utilizados, sobre todo en alta potencia y en alta fidelidad.

Ubicación de los Altavoces

Altavoces en Columna

El ángulo de cobertura horizontal es similar al de un solo altavoz, pero el ángulo de cobertura vertical se reduce a la mitad cada vez que duplicamos el número de altavoces. Se eliminan las reflexiones no deseadas y un alcance mayor.

1. El eje focal de todos los altavoces, esté alineado en el plano vertical.
2. Que los conos de los distintos altavoces, estén lo más próximos posible entre sí.

Altavoces en Abanico

Con esta disposición conseguimos aumentar la cobertura en sentido horizontal. La instalación de altavoces en abanico deberá ser de tal forma que los altavoces no estén en el mismo plano horizontal, sino a distintas alturas.

                                            MAL                    BIEN

Conexión de Altavoces

Podemos conectar los altavoces de tres formas distintas para la correcta adaptación de impedancias entre el conjunto de altavoces y el amplificador.

Conexión en Serie

Si conectamos en serie respetando la polaridad, la impedancia resultante será la suma de las impedancias de todos ellos. Si los altavoces son iguales, se repartirán la potencia por igual. Si las impedancias son distintas, la potencia será mayor para aquel que tenga mayor impedancia.

El principal inconveniente de la conexión serie es que la avería de uno de los altavoces afecta a todos.

Nota: Para la conexión de altavoces en serie es imprescindible que estos sean idénticos, no en impedancia sino en marca y modelo y además estar colocado en la misma cámara acústica; pues de lo contrario, al no coincidir sus curvas de impedancia y frecuencia de resonancia se obtiene una respuesta en frecuencia muy irregular.

Conexión en Paralelo

La impedancia total de varios altavoces conectados en paralelo es igual a la inversa de la suma de las inversas de las impedancias parciales. Si los altavoces son de la misma impedancia, la impedancia total es igual al valor de uno de ellos partido por el número de altavoces.

Con este tipo de montaje la potencia se repartirá inversamente proporcional a la impedancia, es decir, a menor impedancia mayor potencia, y viceversa.

Conexión Mixta

Cuando es necesario un gran número de puntos de sonido, se recurre a la conexión mixta o conexión serie-paralelo, existiendo diversas combinaciones dependiendo del número de altavoces, de la impedancia y del reparto de potencia que se desee.

Cálculo de las Pérdidas en los Cables

Como las resistencias de los altavoces son valores relativamente bajos, cuando se conectan éstos a distancias largas del amplificador, deberemos tener en cuenta las pérdidas que se producen en el cable debido a su resistencia, que la calcularemos por la expresión:

à Coeficiente de resistividad. (Ω mm²/m)

 l à Longitud del cable, con la ida y la vuelta. (m)

 s à Sección del cable (mm²)

del cobre es igual a 0.017 Ω mm²/m