Controlador de altavoz electrodinámico

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Un controlador de altavoz electrodinámico , a menudo llamado simplemente controlador de altavoz cuando el tipo está implícito, es un transductor individual que convierte una señal de audio eléctrica en ondas de sonido . Si bien el término a veces se usa indistintamente con el término altavoz ( altavoz ), generalmente se aplica a transductores especializados que reproducen solo una parte del rango de frecuencia audible . Para una reproducción de sonido de alta fidelidad , a menudo se montan varios altavoces en el mismo gabinete , cada uno de los cuales reproduce una parte diferente del rango de frecuencia audible. En este caso, los altavoces individuales se denominan controladores y la unidad completa se denomina altavoz . Los controladores hechos para reproducir frecuencias de audio altas se denominan tweeters , los de frecuencias medias se denominan controladores de rango medio y los de frecuencias bajas se denominan woofers , mientras que los de rango de graves muy bajo son subwoofers . Los tipos de controladores menos comunes son los supertweeters y los woofers rotatorios .

El mecanismo electroacústico más utilizado en altavoces para convertir la corriente eléctrica en ondas sonoras es el driver dinámico o electrodinámico , inventado en 1925 por Edward W. Kellogg y Chester W. Rice , que crea el sonido con una bobina de alambre llamada bobina móvil suspendida entre los polos de un imán . Existen otros que son mucho menos utilizados: drivers electrostáticos , drivers piezoeléctricos , drivers magnéticos planares , drivers de movimiento de aire Heil y drivers iónicos , entre otros diseños de altavoces . ^[1]

El tipo más común de controlador, comúnmente llamado altavoz dinámico , utiliza un diafragma liviano , o cono , conectado a una canasta rígida , o marco , a través de una suspensión flexible, comúnmente llamada araña , que obliga a una bobina móvil a moverse axialmente a través de un espacio magnético cilíndrico. Una tapa protectora pegada en el centro del cono evita que el polvo, y más importante aún, los desechos ferromagnéticos , entren en el espacio.

Cuando se aplica una señal eléctrica a la bobina móvil, se crea un campo magnético por la corriente eléctrica en la bobina móvil, lo que la convierte en un electroimán variable. La bobina y el sistema magnético del controlador interactúan de manera similar a un solenoide , generando una fuerza mecánica que mueve la bobina (y, por lo tanto, el cono conectado). La aplicación de corriente alterna mueve el cono hacia adelante y hacia atrás, acelerando y reproduciendo el sonido bajo el control de la señal eléctrica aplicada que proviene del amplificador.

A continuación se muestra una descripción de los componentes individuales de este tipo de altavoz.

El diafragma se fabrica generalmente con un perfil en forma de cono o cúpula. Se puede utilizar una variedad de materiales diferentes, pero los más comunes son el papel, el plástico y el metal. El material ideal es rígido, para evitar movimientos incontrolados del cono, tiene poca masa para minimizar los requisitos de fuerza de arranque y los problemas de almacenamiento de energía y está bien amortiguado para reducir las vibraciones que continúan después de que la señal se ha detenido con poco o ningún zumbido audible debido a su frecuencia de resonancia determinada por su uso. En la práctica, estos tres criterios no se pueden cumplir simultáneamente utilizando los materiales existentes; por lo tanto, el diseño del controlador implica compensaciones . Por ejemplo, el papel es ligero y normalmente está bien amortiguado, pero no es rígido; el metal puede ser rígido y ligero, pero normalmente tiene una amortiguación deficiente; el plástico puede ser ligero, pero normalmente, cuanto más rígido esté hecho, peor será la amortiguación. Como resultado, muchos conos están hechos de algún tipo de material compuesto. Por ejemplo, un cono podría estar hecho de papel de celulosa, al que se le han añadido fibras de carbono , kevlar , vidrio , cáñamo o bambú ; o podría utilizar una construcción tipo sándwich de panal; o podría aplicársele un recubrimiento para proporcionar rigidez o amortiguación adicional.

El chasis, marco o cesta, está diseñado para ser rígido, evitando la deformación que podría cambiar las alineaciones críticas con el espacio entre imanes, tal vez permitiendo que la bobina móvil roce contra el imán alrededor del espacio. Los chasis suelen estar fundidos a partir de aleación de aluminio, en altavoces con estructura magnética más pesada; o estampados a partir de una lámina fina de acero en los controladores de estructura más ligera. ^[2] Otros materiales como cestas de plástico moldeado y compuesto de plástico amortiguado se están volviendo comunes, especialmente para controladores económicos y de baja masa. Un chasis metálico puede desempeñar un papel importante en la conducción del calor fuera de la bobina móvil; el calentamiento durante el funcionamiento cambia la resistencia, causa cambios físicos dimensionales y, si es extremo, quema el barniz de la bobina móvil; incluso puede desmagnetizar los imanes permanentes.

El sistema de suspensión mantiene la bobina centrada en el espacio y proporciona una fuerza de restauración (centrado) que devuelve el cono a una posición neutra después de moverse. Un sistema de suspensión típico consta de dos partes: la araña , que conecta el diafragma o bobina móvil al marco inferior y proporciona la mayor parte de la fuerza de restauración, y el marco , que ayuda a centrar el conjunto bobina/cono y permite un movimiento pistónico libre alineado con el espacio magnético. La araña suele estar hecha de un disco de tela corrugada, impregnado con una resina de refuerzo. El nombre proviene de la forma de las primeras suspensiones, que eran dos anillos concéntricos de material de baquelita , unidos por seis u ocho patas curvas . Las variaciones de esta topología incluían la adición de un disco de fieltro para proporcionar una barrera a las partículas que de otro modo podrían hacer que la bobina móvil se rozara.

El marco del cono puede ser de goma o espuma de poliéster , papel tratado o un anillo de tela corrugada recubierta de resina; se fija tanto a la circunferencia exterior del cono como al marco superior. Estos diversos materiales de marco, su forma y tratamiento pueden afectar drásticamente la salida acústica de un altavoz; cada implementación tiene ventajas y desventajas. La espuma de poliéster, por ejemplo, es liviana y económica, aunque generalmente pierde aire en cierto grado y se degrada con el tiempo, la exposición al ozono, la luz ultravioleta, la humedad y las temperaturas elevadas, lo que limita la vida útil antes de fallar.

El cable de una bobina móvil suele estar hecho de cobre , aunque también se puede utilizar aluminio (y, en raras ocasiones, plata ). La ventaja del aluminio es su peso ligero, que reduce la masa en movimiento en comparación con el cobre. Esto aumenta la frecuencia de resonancia del altavoz y aumenta su eficiencia. Una desventaja del aluminio es que no se suelda fácilmente, por lo que las conexiones deben estar firmemente prensadas y selladas. Las secciones transversales del cable de la bobina móvil pueden ser circulares, rectangulares o hexagonales, lo que proporciona cantidades variables de cobertura de volumen de cable en el espacio de separación magnética. La bobina está orientada coaxialmente dentro de la separación; se mueve hacia adelante y hacia atrás dentro de un pequeño volumen circular (un orificio, ranura o surco) en la estructura magnética. La separación establece un campo magnético concentrado entre los dos polos de un imán permanente; el anillo exterior de la separación es un polo y el poste central (llamado pieza polar) es el otro. La pieza polar y la placa posterior a menudo se fabrican como una sola pieza, llamada placa polar o yugo.

El tamaño y el tipo de imán y los detalles del circuito magnético difieren, dependiendo de los objetivos de diseño. Por ejemplo, la forma de la pieza polar afecta la interacción magnética entre la bobina móvil y el campo magnético, y a veces se utiliza para modificar el comportamiento de un controlador. Se puede incluir un anillo de cortocircuito , o bucle de Faraday , como una tapa de cobre delgada colocada sobre la punta del polo o como un anillo pesado situado dentro de la cavidad del polo magnético. Los beneficios de esta complicación son una impedancia reducida a altas frecuencias, lo que proporciona una salida de agudos extendida, una distorsión armónica reducida y una reducción en la modulación de inductancia que generalmente acompaña a las grandes excursiones de la bobina móvil. Por otro lado, la tapa de cobre requiere un espacio entre la bobina móvil y el campo magnético más amplio, con una reluctancia magnética aumentada; esto reduce el flujo disponible, lo que requiere un imán más grande para un rendimiento equivalente.

Los electroimanes se utilizaron a menudo en los amplificadores de instrumentos musicales hasta bien entrada la década de 1950; se lograron ahorros económicos en aquellos que utilizaban amplificadores de válvulas, ya que la bobina de campo podía cumplir una doble función (y por lo general lo hacía) como estrangulador de la fuente de alimentación. Muy pocos fabricantes siguen produciendo altavoces electrodinámicos con bobinas de campo alimentadas eléctricamente , como era común en los primeros diseños.

El alnico , una aleación de aluminio, níquel y cobalto, se hizo popular después de la Segunda Guerra Mundial, ya que eliminaba los problemas de los controladores de bobina de campo. El alnico se utilizó comúnmente hasta la década de 1960, a pesar del problema de que los imanes de alnico se desmagnetizaban parcialmente . ^[3] En la década de 1960, la mayoría de los fabricantes de controladores cambiaron de alnico a imanes de ferrita , que están hechos de una mezcla de arcilla cerámica y partículas finas de ferrita de bario o estroncio. Aunque la energía por kilogramo de estos imanes cerámicos es menor que la del alnico, es sustancialmente menos costoso, lo que permite a los diseñadores utilizar imanes más grandes pero más económicos para lograr un rendimiento determinado. Debido al aumento de los costos de transporte y al deseo de dispositivos más pequeños y livianos, existe una tendencia hacia el uso de imanes de tierras raras más compactos hechos de materiales como neodimio y cobalto de samario . ^[4]

Los controladores de los altavoces incluyen un diafragma que se mueve hacia adelante y hacia atrás para crear ondas de presión en la columna de aire en el frente y, según la aplicación, en cierto ángulo hacia los lados. El diafragma suele tener forma de cono para frecuencias bajas y medias o de cúpula para frecuencias más altas, o con menos frecuencia, de cinta, y suele estar hecho de papel recubierto o sin recubrimiento o plástico de polipropileno. ^[5] En algunos controladores se utilizan materiales más exóticos, como fibra de vidrio tejida , fibra de carbono , aluminio , titanio , carbono cruzado puro y muy pocos utilizan PEI, poliimida, película de plástico PET como cono, cúpula o radiador.

Todos los controladores de altavoces tienen un medio para inducir eléctricamente el movimiento de ida y vuelta. Normalmente hay una bobina de alambre aislado enrollada firmemente (conocida como bobina móvil ) unida al cuello del cono del controlador. En un altavoz de cinta, la bobina móvil puede estar impresa o adherida a una hoja de papel muy fina, aluminio, fibra de vidrio o plástico. Este cono, cúpula u otro radiador está montado en su borde exterior mediante un marco flexible a un marco rígido que sostiene un imán permanente muy cerca de la bobina móvil. Por el bien de la eficiencia, la bobina móvil y el cono relativamente ligeros son las partes móviles del controlador, mientras que el imán mucho más pesado permanece estacionario. Otros componentes típicos son una araña o amortiguador, utilizado como elemento de suspensión trasera, terminales simples o postes de conexión para conectar la señal de audio y posiblemente una junta flexible para sellar la unión entre el chasis y la caja.

Los parlantes se montan casi universalmente en una carcasa rígida de madera, plástico o, ocasionalmente, metal. Esta carcasa o caja de altavoz aísla la energía acústica de la parte frontal del cono de la de la parte posterior del mismo. Se puede utilizar una bocina para aumentar la eficiencia y la direccionalidad. Generalmente se proporciona una rejilla , una malla de tela u otra pantalla acústicamente neutra para ocultar cosméticamente los parlantes y el hardware, y para proteger al parlante de daños físicos.

En funcionamiento, se envía una señal a la bobina móvil por medio de cables eléctricos, desde el amplificador a través del cable del altavoz , luego a través de un cable de oropel flexible hasta la bobina móvil. La corriente crea un campo magnético que hace que el diafragma sea forzado alternativamente en un sentido u otro, por el campo magnético producido por la corriente que fluye en la bobina móvil, contra el campo establecido en el espacio magnético por la estructura magnética fija a medida que varía la señal eléctrica. El movimiento de ida y vuelta resultante impulsa el aire frente al diafragma, lo que da como resultado diferenciales de presión que se alejan en forma de ondas sonoras .

La araña y el marco actúan como un mecanismo de recuperación de resorte para el movimiento que se aleja de la posición equilibrada establecida cuando se montó el parlante en la fábrica. Además, cada uno contribuye a centrar la bobina móvil y el cono, tanto de manera concéntrica dentro del conjunto magnético como de adelante hacia atrás, restaurando la bobina móvil a una posición crítica dentro del espacio magnético, ni hacia un extremo ni hacia el otro.

La bobina móvil y el imán forman esencialmente un motor lineal que trabaja contra la "tensión del resorte" de centrado de la araña y el marco. Si no hubiera ninguna restricción en la distancia de recorrido impuesta por la araña y el marco, la bobina móvil podría ser expulsada del conjunto de imán a altos niveles de potencia, o viajar hacia adentro lo suficientemente profundo como para colisionar con la parte posterior del conjunto de imán. La mayoría de los controladores de altavoces funcionan solo contra las fuerzas de centrado de la araña y el marco y no monitorean activamente la posición del elemento del controlador ni intentan colocarlo con precisión. Algunos diseños de controladores de altavoces tienen disposiciones para hacerlo (generalmente denominados servomecanismos ); estos generalmente se usan solo en woofers y especialmente en subwoofers, debido a las excursiones de cono mucho mayores requeridas en esas frecuencias en un controlador cuyo tamaño de cono está muy por debajo de la longitud de onda de algunos de los sonidos que está hecho para reproducir (es decir, frecuencias de bajos por debajo de quizás 100 Hz o algo así).

Los controladores de los altavoces pueden estar diseñados para funcionar dentro de un rango de frecuencia amplio o estrecho . Los diafragmas pequeños no son adecuados para mover el gran volumen de aire que se requiere para una buena respuesta de baja frecuencia. Por el contrario, los controladores grandes pueden tener bobinas móviles y conos pesados ​​que limitan su capacidad para moverse a frecuencias muy altas. Los controladores presionados más allá de sus límites de diseño pueden tener una alta distorsión . En un sistema de altavoces multivía, se proporcionan controladores especializados para producir rangos de frecuencia específicos, y la señal entrante se divide mediante un crossover . Los controladores se pueden subcategorizar en varios tipos: rango completo , tweeters , super tweeters , controladores de rango medio , woofers y subwoofers .

Los controladores de altavoces son el principal medio de reproducción de sonido. Se utilizan, entre otras cosas, en aplicaciones de audio como altavoces, auriculares , teléfonos , megáfonos , amplificadores de instrumentos , altavoces de televisión y monitores , sistemas de megafonía , radios portátiles , juguetes y en muchos dispositivos electrónicos diseñados para emitir sonido.

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