Detrás de escena de la gestión de potencia de los altavoces

Hemos escrito varios artículos sobre calificaciones de potencia de altavoces a lo largo de los años, pero el tema parece ser uno que muy poca gente entiende completamente. Este artículo servirá como guía de referencia de cómo los fabricantes premium y de confianza califican las capacidades de manejo de potencia de sus altavoces. Empezaremos mirando la física del diseño de altavoces respecto a cómo lidian con el calor creado por la potencia de tu amplificador, luego explicaremos cómo se usa el ruido rosa para crear calificaciones de potencia.

Eficiencia de altavoces y potencia

Desafortunadamente, los altavoces son notoriamente ineficientes. Un driver de medios de 8 pulgadas de alta eficiencia usado en un altavoz de megafonía solo puede transformar alrededor del 1,3 por ciento de la potencia del amplificador en energía acústica. El resto se convierte en calor en la bobina de voz y, posteriormente, en las partes alrededor de la bobina como el imán, T-yoke y cono.

Los altavoces diseñados para aplicaciones de audio para coche a menudo son significativamente menos eficientes porque necesitan operar en un rango de frecuencia más amplio. Para un driver de medios con una calificación de sensibilidad de 90 dB 1W/1M, la eficiencia es un mísero 0,63 por ciento.

Piensa en cuánto calor genera una bombilla incandescente de 100 vatios. Abajo hay una imagen térmica de una bombilla de 100 vatios que ha estado encendida solo 60 segundos. La base de vidrio de la bombilla ya ha alcanzado una temperatura de más de 90 grados Celsius o 195 grados F. Claramente es demasiado caliente para tocar y solo seguirá calentándose. Una investigación rápida muestra que las bombillas incandescentes tienen una eficiencia de alrededor del 2,2. Esta falta de eficiencia las hace una gran analogía en términos de comparar generación de calor con la de un altavoz.

Cómo los altavoces manejan el calor

El calor en un altavoz se genera en el devanado de la bobina de voz. Ya sea cobre, aluminio o una combinación de ambos, todo ese calor se enfoca en esa bobina de alambre relativamente pequeña. El único componente que entra en contacto directo con la bobina de voz es, no sorprendentemente, el soporte de la bobina de voz. En altavoces de audio para coche, los soportes de bobina de voz están hechos de materiales como papel kraft, papeles aislantes sintéticos como 3M TufQUIN, fibras de aramida como Nomex y Bondex, y aluminio. Cada uno de estos materiales tiene diferentes propiedades de aislamiento y conductividad térmica.

El siguiente componente del altavoz que tiene que manejar el calor de la bobina de voz es la placa superior (top plate). En la mayoría de casos, la placa superior es una pieza de acero que está unida al imán (o imanes) para enfocar el campo magnético en la bobina de voz. Aunque la placa superior no entra en contacto con la bobina de voz, los dos componentes están muy cerca el uno del otro. La mayoría del enfriamiento de la bobina de voz del altavoz puede atribuirse a la transferencia de calor hacia la placa superior y posteriormente la estructura del motor. Muchos fabricantes de altavoces hacen grandes esfuerzos para asegurar que hay un flujo de aire significativo alrededor de la placa superior para mejorar aún más el enfriamiento, especialmente en subwoofers.

El T-yoke, la parte de la estructura del motor que completa el bucle del campo magnético, también es importante para ayudar a alejar el calor de la bobina de voz y el soporte. El T-yoke reside dentro del soporte de la bobina de voz en la mayoría de diseños.

Diámetro de bobina de voz de subwoofer y manejo de potencia

La capacidad de cualquier dispositivo para manejar calor está determinada por su tamaño. Una resistencia de 1/8 vatio es mucho más pequeña que una de 1 vatio. Generalmente, el tamaño de un componente determina la cantidad de área de superficie y la capacidad de transferir calor al aire. En altavoces, el diámetro y la longitud del devanado de la bobina de voz en un subwoofer son un buen indicador de cuánto calor y, posteriormente, cuánta potencia puede manejar el altavoz.

Como ejemplo, mirando a través de la gama de productos de un fabricante popular de subwoofers, vemos que sus subwoofers con diámetro de bobina de voz de 2 pulgadas están calificados para 250 vatios; subiendo a una bobina de 2,5 pulgadas aumenta la calificación de potencia a 500 vatios. Sus subwoofers con bobinas de 3 pulgadas están calificados a 600 vatios, y sus woofers de nivel competición tienen bobinas masivas de 4 y 5 pulgadas de diámetro calificadas para 2.500 y 3.000 vatios, respectivamente.

Ten en cuenta que el tamaño físico (altura) de cada una de estas bobinas de voz no fue proporcionado, así que es seguro asumir que el salto a más de 2.500 vatios de manejo de potencia viene con un aumento significativo en la altura del devanado y el área de superficie asociada.

Tamaños de bobina de voz de altavoces de alta frecuencia

Hablar sobre manejo de potencia en cualquier cosa que no sea un subwoofer va a requerir algo de sentido común. Piensa cuidadosamente en las calificaciones de manejo de potencia en un altavoz de medios. Mirando a través de otra marca popular, vemos cómo sus diámetros de bobina de voz se relacionan con las especificaciones de manejo de potencia de varios de sus altavoces de medios de 6,5 pulgadas. Esta marca tiene un driver con bobina de 1 pulgada calificado para 70 vatios, y una bobina de 1,25 pulgadas calificada a 80 vatios en una serie y 100 vatios en una solución de gama alta. Las diferentes calificaciones de potencia en las bobinas de 1,25 pulgadas demuestran cómo la altura total del devanado afecta la capacidad térmica.

Ahora, hablemos de tweeters. Los tweeters en aplicaciones de audio para coche son extremadamente pequeños y, francamente, bastante frágiles. Los devanados de bobina de voz en tweeters están hechos de alambre muy fino, a menudo menor a 24 AWG. Incluso con un diámetro de 1 pulgada en un tweeter de cúpula blanda, no pueden manejar mucha potencia. Entonces, ¿cómo inventan los fabricantes calificaciones de 100 vatios o más para sus tweeters cuando sabemos que un driver de medios con un devanado de bobina de voz al menos cinco veces más alto solo puede manejar 100 vatios? La respuesta está en cómo los fabricantes prueban sus altavoces.

¿Qué es el ruido rosa?

Antes de meternos en la explicación de cómo se califica el manejo de potencia de los altavoces, necesitamos echar un vistazo de cerca a algo llamado ruido rosa. El ruido rosa es una señal de audio compuesta por frecuencias aleatorias desde justo por encima de 0 Hz hasta el límite superior del formato de archivo de audio o computadora. Para un archivo .wav de calidad CD convencional, esto sería 22,05 kHz.

En el ruido rosa, cada octava contiene una cantidad igual de energía de ruido. Esto significa que la octava de 100 Hz a 200 Hz contiene la misma cantidad de energía de ruido que la octava de 1 kHz a 2 kHz. La potencia en cada octava también es inversamente proporcional a la frecuencia de la señal. Aunque esto es una aproximación aproximada de cómo funcionan las matemáticas, hay 100 Hz entre 100 Hz y 200 Hz, mientras que hay 1.000 hertzios entre 1 kHz y 2 kHz. En una señal de ruido rosa, la banda de 1 a 2 kHz se extiende sobre 10 veces más espacio.

Aquí está el aspecto del análisis espectral de una señal de audio de ruido rosa:

Puedes ver que por encima de 20 Hz, el nivel de la señal disminuye a una tasa de -10 dB por década a medida que aumenta la frecuencia. Esto significa que hay 10 dB menos de energía de señal a 1 kHz que a 100 Hz. Cuando relacionamos esta reducción en la fuerza de la señal con la potencia de nuestros amplificadores, la relación también es un factor de 10.

Si estamos reproduciendo ruido rosa a través de un sistema de audio, y los controles de sensibilidad del amplificador están ajustados para producir 100 vatios de potencia a 20 Hz, a 200 Hz el amplificador estará produciendo 10 vatios. A 2 kHz, el amplificador producirá 1 vatio, y a 20 kHz, el amplificador entrega 0,1 vatio de potencia a nuestros altavoces.

Densidad de potencia en la música

Otro tema que deberíamos discutir antes de llegar a las calificaciones de potencia de altavoces es cómo se distribuye la energía de audio en la música que escuchamos. Miramos seis pistas de audio y analizamos su contenido espectral en Adobe Audition de la misma manera que la forma de onda de ruido rosa de arriba. Los resultados se muestran abajo:

Como puedes ver en esta selección moderadamente diversa de pistas musicales, la energía de audio se distribuye de manera similar a nuestra pista de ruido rosa. Por esta razón, muchos fabricantes usan señales de ruido rosa para probar las capacidades de manejo de potencia de sus altavoces.

Cómo se prueba el manejo de potencia de los altavoces

Dependiendo de la marca, diferentes empresas usan diferentes procesos para probar las capacidades de manejo de potencia de sus altavoces. Debe notarse que algunas empresas tienen especificaciones detalladas para sus procedimientos de prueba, mientras que otras confían simplemente en datos proporcionados por sus proveedores, y otras adivinan basándose en el tamaño de la bobina de voz usada en el diseño. Esta es una de las diferencias clave entre empresas que ponen un esfuerzo significativo en el diseño y desarrollo de sus productos y aquellas que eligen soluciones de un catálogo y ponen su nombre en la cesta y la tapa antipolvo.

Un proceso de prueba de altavoz debidamente diseñado involucra varios pasos. Usaremos un subwoofer para el primer ejemplo. El técnico que realiza la prueba ajustaría la salida del amplificador usando una pista de audio de onda sinusoidal para representar un nivel de voltaje que equivale al nivel de potencia que quieren probar. Para un subwoofer de 4 ohmios que se va a probar a un nivel de potencia de 200 vatios, el voltaje de onda sinusoidal debería ser 28,28 voltios RMS o 40 voltios pico a pico. Una vez que esta amplitud está establecida, se reproduce ruido rosa que equivale a una amplitud igual a 20 Hz para probar el driver.

Una vez que los niveles están establecidos y el altavoz está montado en el banco de pruebas, esta pista de ruido rosa se reproduce a un nivel continuo hasta que el altavoz falla, o ha pasado un tiempo adecuado. Muchas empresas usan ocho a 10 horas como tiempo mínimo de prueba y algunas extienden esto a 100 horas. Después de que la temperatura se estabiliza en el altavoz, la prueba de tiempo extendido puede ayudar a confirmar la idoneidad y fiabilidad de los adhesivos y materiales elegidos para construir el altavoz. En esencia, se convierte en una prueba física así como de manejo de potencia.

Aunque varía de marca a marca, para que el altavoz pase la prueba, los parámetros Thiele/Small del driver no deben haber cambiado más de una cantidad predeterminada desde antes de que comenzara la prueba. Un cambio significativo en las propiedades electromecánicas indica que algo pudo haber sido dañado durante la prueba y que se generó demasiado calor.

Cómo se prueban los altavoces de medios y alta frecuencia

Como los drivers de medios y tweeters no pueden manejar altos niveles de excursión, se prueban de la misma manera que un woofer, pero la señal de prueba pasa a través de un filtro pasa-altas. Aquí hay un ejemplo:

Digamos que queremos probar un tweeter de 4 ohmios, y queremos usar el estándar anterior para probarlo para 100 vatios de manejo de potencia. Eso equivale a un nivel de onda sinusoidal de 20 voltios RMS o 28,28 voltios pico a pico. La prueba comienza con el amplificador calibrado para producir 20 V RMS usando una onda sinusoidal mientras no está conectado al altavoz. Una vez que el nivel ha sido establecido, se reproduce ruido rosa a través del filtro pasa-altas que el fabricante especifica. Para el propósito de este ejemplo, digamos que el filtro está ajustado a 2 kHz.

Esto es cómo se verá el análisis espectral de la señal de prueba.

 

El nivel pico promedio de la señal de prueba ahora es aproximadamente 20 dB más bajo que a 20 Hz con una señal de ancho de banda completo. En términos de potencia de señal de audio, tenemos 1/100 de potencia. O 1 vatio.

¿Estamos diciendo que un tweeter calificado para manejar 100 vatios de potencia de ruido rosa, probado por encima de 2 kHz, solo se prueba con 1 vatio de potencia? ¡Absolutamente! Eso es exactamente cómo funciona. Piensa en la física de la música. Queremos que el audio producido por los tweeters esté equilibrado con el de los drivers de medios y los woofers o subwoofers.

En el mundo real, ese tweeter probablemente puede manejar mucho más que solo 1 vatio de potencia. Puede ser capaz de manejar 10 vatios. ¿Significa esto que sería buena idea calificar el driver como capaz de manejar 1.000 vatios de ruido rosa? Probablemente no. Sabes que alguien que no entiende cómo funciona el ruido rosa va a usar una pista de onda sinusoidal para ajustar las ganancias en su amplificador de tweeter e intentar alimentar 63 voltios (1.000 vatios) en el tweeter. Por supuesto, estas mismas personas también llamarán al fabricante del altavoz y se quejarán de que el tweeter está "roto" y todo lo que estaban haciendo era ajustar los controles de ganancia.

¿Cuál es el punto de las especificaciones de manejo de potencia?

Las calificaciones de manejo de potencia de altavoces que usan ruido rosa se basan en criterios establecidos para altavoces de rango completo para hogar. Las pruebas imitan lo que los altavoces experimentarían al escucharse a niveles de volumen altos y están destinadas a indicar qué calificación de potencia de amplificador sería adecuada para sacar lo mejor de los altavoces sin dañarlos. Esta especificación no tiene en cuenta lo que ocurre cuando un amplificador es llevado a recorte; tocaremos eso en otro momento.

Por ahora, la conclusión de todo esto es que configurar un sistema de audio debería empezar con ajustar los controles de sensibilidad en tu amplificador de subwoofer, luego subir los niveles de los canales de medios y tweeter para crear un sistema equilibrado. Lo más probable es que no te acerques en nada a la potencia máxima de los amplificadores de medios y tweeters. Oh, y no necesitas un amplificador de 150 vatios para impulsar tus tweeters.