Detrás de escena de la gestión de potencia de los altavoces

Hemos escrito varios artículos sobre las clasificaciones de potencia de los altavoces a lo largo de los años, pero el tema parece ser uno que muy pocas personas entender completamente. Este artículo servirá como guía de referencia sobre cómo los fabricantes premium y de buena reputación califican las capacidades de manejo de potencia de sus altavoces. Comenzaremos observando la física del diseño de los parlantes con respecto a cómo manejan el calor creado por la potencia de su amplificador, luego explicaremos cómo se usa el ruido rosa para crear clasificaciones de potencia.

Eficiencia y potencia de los altavoces

Desafortunadamente, los altavoces son notoriamente ineficientes. Un controlador de rango medio de 8 pulgadas de alta eficiencia utilizado 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, el yugo en T y el cono.

Los parlantes diseñados para aplicaciones de audio para automóviles a menudo son significativamente menos eficientes porque necesitan operar en un rango de frecuencia más amplio. Para un controlador de rango medio con una clasificación 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. A continuación se muestra una imagen térmica de una bombilla de 100 vatios que se ha encendido durante sólo 60 segundos. La base de vidrio de la bombilla ya alcanzó una temperatura de más de 90 grados Celsius o 195 grados F. Claramente está demasiado caliente para tocarla y seguirá calentándose más. Una investigación rápida muestra que las bombillas incandescentes tienen una eficiencia de alrededor de 2,2. Esta falta de eficiencia los convierte en una gran analogía en términos de comparar la generación de calor con la de un altavoz. Entraremos en la logística y la realidad de alimentar tanta potencia en cualquier cosa que no sea un subwoofer en breve.

Cómo manejan el calor los altavoces

El calor de un altavoz se genera en el devanado de la bobina móvil. Ya sea cobre, aluminio o una combinación de ambos, todo ese calor se concentra en esa bobina de alambre relativamente pequeña. El único componente que entra en contacto directo con la bobina móvil es, como era de esperar, el formador de la bobina móvil. En los altavoces de audio para automóviles, los formadores de bobinas 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 aislantes y de conductividad térmica.

El siguiente componente del altavoz que tiene que manejar el calor de la bobina móvil es la placa superior. En la mayoría de los casos, la placa superior es una pieza de acero que se fija 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 móvil, los dos componentes están muy cerca uno del otro. La mayor parte del enfriamiento de la bobina de voz del altavoz se puede atribuir al calor que se transfiere a la placa superior y, posteriormente, a la estructura del motor. Muchos fabricantes de altavoces hacen todo lo posible para garantizar que haya un flujo de aire significativo alrededor de la placa superior para mejorar aún más la refrigeración, especialmente en los subwoofers.

El yugo en T, 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 la anterior. El yugo en T reside dentro de la bobina de voz en la mayoría de los diseños.

Diámetro de la bobina de voz del subwoofer y manejo de potencia

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

A modo de ejemplo, observando la gama de productos de un popular fabricante de subwoofers, vemos que sus subwoofers con una bobina móvil de 2 pulgadas de diámetro tienen una potencia nominal de 250 vatios; aumentar a una bobina de 2,5 pulgadas de diámetro aumenta la potencia nominal a 500 vatios. Sus subwoofers con bobinas de 3 pulgadas tienen una potencia nominal de 600 vatios, y sus woofers de nivel de competencia tienen bobinas masivas de 4 y 5 pulgadas de diámetro con una potencia nominal de 2500 y 3000 vatios, respectivamente.

Tenga en cuenta que no se proporcionó el tamaño físico (altura) de cada una de estas bobinas de voz, por lo que es seguro suponer que el salto a más de 2500 vatios de manejo de potencia viene con un aumento significativo en la altura del devanado de la bobina y el área de superficie asociada.

Tamaños de bobina de voz de altavoces de alta frecuencia

Hablar de manejo de potencia en cualquier cosa que no sea un subwoofer requerirá algo de sentido común. Piense detenidamente en las clasificaciones de manejo de potencia en un altavoz de rango medio. Examinaremos otra marca popular y veremos cómo se relacionan los diámetros de sus bobinas de voz con las especificaciones de manejo de potencia de varios de sus altavoces de gama media de 6,5 pulgadas. Esta marca tiene un controlador con una bobina de 1 pulgada con capacidad para 70 vatios, y una bobina de 1,25 pulgadas tiene una capacidad nominal de 80 vatios en una serie y 100 vatios en una solución de gama alta. Las diferentes clasificaciones de potencia en las bobinas de 1,25 pulgadas demuestran cómo la altura total del devanado afecta la capacidad térmica.

Ahora, hablemos de los tweeters. Los tweeters en las aplicaciones de audio para automóviles son extremadamente pequeños y, francamente, bastante frágiles. Los devanados de la bobina de voz en los tweeters están hechos de alambre muy fino, a menudo de calibre más pequeño que 24. Incluso con un diámetro de 1 pulgada en un tweeter de cúpula blanda, no pueden manejar mucha potencia. Entonces, ¿cómo obtienen los fabricantes clasificaciones de 100 vatios o más para sus tweeters cuando sabemos que un controlador de rango medio con una bobina móvil que es al menos cinco veces más alta solo puede manejar 100 vatios? La respuesta está en cómo los fabricantes prueban sus altavoces.

¿Qué es el ruido rosa?

Antes de entrar en la explicación de cómo se clasifica el manejo de la potencia de los altavoces, debemos observar de cerca 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 audio de computadora. Para un archivo .wav con calidad de CD convencional, esto sería 22,05 kHz.

En el ruido rosa, cada octava contiene la misma cantidad 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 esta es una aproximación aproximada de cómo funcionan las matemáticas, hay 100 Hz entre 100 Hz y 200 Hz, mientras que hay 1000 Hz entre 1 kHz y 2 kHz. En una señal de ruido rosa, la banda de 1 a 2 kHz se distribuye en 10 veces más espacio.

Así es como se ve el análisis espectral de una señal de audio de ruido rosa:

Puede ver que por encima de 20 Hz, el nivel de la señal disminuye a un ritmo 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 intensidad 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 configurados para producir 100 vatios de potencia a 20 Hz, a 200 Hz, el amplificador producirá 10 vatios. A 2 kHz, el amplificador producirá 1 vatio y a 20 kHz, el amplificador entregará 0,1 vatios de potencia a nuestros altavoces.

Densidad de potencia en la música

Otro tema que debemos discutir antes de llegar a las clasificaciones de potencia de los altavoces es cómo se distribuye la energía de audio en la música que escuchamos. Observamos seis pistas de audio y analizamos su contenido espectral en Adobe Audition de la misma manera que la forma de onda de ruido rosa anterior. Los resultados se muestran a continuación:

Como puede ver en esta selección moderadamente diversa de pistas de música, la energía del audio se distribuye de manera similar a nuestra pista de ruido rosa. Por este motivo, muchos fabricantes utilizan señales de ruido rosa para probar las capacidades de gestión de potencia de sus altavoces.

Cómo se prueba el manejo de la potencia de los altavoces

Dependiendo de la marca, diferentes empresas utilizan diferentes procesos para probar las capacidades de manejo de potencia de sus altavoces. Cabe señalar que algunas empresas tienen especificaciones detalladas para sus procedimientos de prueba, mientras que otras confían simplemente en los datos proporcionados por sus proveedores y otras hacen conjeturas en función del tamaño de la bobina móvil utilizada en el diseño. Esta es una de las diferencias clave entre las empresas que dedican un esfuerzo significativo al diseño y desarrollo de sus productos y aquellas que eligen soluciones de un catálogo y tienen su nombre estampado en la canasta y la tapa antipolvo.

Un proceso de prueba de altavoces correctamente diseñado implica varios pasos. Usaremos un subwoofer para el primer ejemplo. El técnico que realiza la prueba configuraría la salida del amplificador utilizando una pista de audio de onda sinusoidal para representar un nivel de voltaje que equivale al nivel de potencia que desea 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 debe ser de 28,28 voltios rms o 40 voltios de pico a pico. Una vez que se establece esta amplitud, se reproduce un ruido rosa que equivale a una amplitud igual a 20 Hz para probar el controlador.

Una vez que se establecen los niveles y se monta el altavoz en el dispositivo de prueba, esta pista de ruido rosa se reproduce a un nivel continuo hasta que el altavoz falla o ha transcurrido un tiempo adecuado. Muchas empresas utilizan de ocho a 10 horas como tiempo mínimo de prueba y algunas lo amplían a 100 horas. Después de que la temperatura se estabilice en el altavoz, la prueba de tiempo prolongado puede ayudar a confirmar la idoneidad y confiabilidad de los adhesivos y materiales elegidos para construir el altavoz. En esencia, se convierte en una prueba física además de una prueba de manejo de potencia.

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

Cómo se prueban los altavoces de frecuencia media y alta

Debido a que los controladores de rango medio y los 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 de paso alto. He aquí un ejemplo:

Digamos que queremos probar un tweeter de 4 ohmios y queremos usar el estándar anterior para probar 100 vatios de potencia. Eso equivale a un nivel de onda sinusoidal de 20 voltios rms o 28,28 voltios de pico a pico. La prueba comienza con el amplificador calibrado para producir 20 Vrms usando una onda sinusoidal mientras no está conectado al altavoz. Una vez que se ha establecido el nivel, el ruido rosa se reproduce a través de cualquier filtro de paso alto que especifique el fabricante. A los efectos de este ejemplo, supongamos que el filtro se establece en 2 kHz.

Así es como se verá el análisis espectral de la señal de prueba.

El nivel de 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 la 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! Así es exactamente como funciona. Piensa en la física de la música. Queremos que el audio producido por los tweeters esté equilibrado con el de los controladores de rango medio y los woofers o subwoofers.

En el mundo real, es probable que ese tweeter pueda manejar mucho más que solo 1 vatio de potencia. Puede ser capaz de manejar 10 vatios. ¿Significa esto que sería una buena idea calificar al controlador como capaz de manejar 1000 vatios de ruido rosa? No es probable. Usted sabe que alguien que no entiende cómo funciona el ruido rosa utilizará una pista de onda sinusoidal para establecer las ganancias en su amplificador de tweeter e intentará alimentar 63 voltios (1000 vatios) en el tweeter. Por supuesto, estas mismas personas también llamarán al fabricante de los parlantes y se quejarán de que el tweeter está "roto" y que todo lo que estaban haciendo era configurar los controles de ganancia.

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

Las clasificaciones de manejo de potencia de los parlantes que usan ruido rosa se basan en los criterios establecidos para los parlantes domésticos de rango completo. Las pruebas imitan lo que experimentarían los parlantes cuando se escuchan a niveles de volumen altos y están destinadas a indicar qué clasificación de potencia del amplificador sería adecuada para aprovechar al máximo los parlantes sin dañarlos. Esta especificación no tiene en cuenta lo que sucede cuando un amplificador se satura; hablaremos de eso en otro momento.

Por ahora, la conclusión de todo esto es que la configuración de un sistema de audio debe comenzar con la configuración de los controles de sensibilidad en el amplificador de su subwoofer, luego suba los niveles de los canales de rango medio y tweeter para crear un sistema balanceado. Lo más probable es que no se acerque a la potencia máxima de los amplificadores de medios y tweeters. Ah, y no necesitas un amplificador de 150 vatios para hacer funcionar tus tweeters.