Explicación de las cajas de subwoofer con suspensión acústica

Recinto, caja o gabinete:como quiera llamarlos, el lugar donde instale su altavoz o subwoofer es de vital importancia para su rendimiento resultante. En este artículo, nos centramos en el diseño y la construcción de los recintos más sencillos y tolerantes:el recinto de suspensión acústica o sellado.

Las leyes de la física

Hay algunas características a tener en cuenta acerca de cada orador. La primera es que a medida que disminuye la frecuencia, aumenta la excursión del cono. De hecho, para producir la misma salida acústica, un altavoz debe moverse cuatro veces más por cada reducción a la mitad de la frecuencia. Como ejemplo, si su subwoofer se moviera 1 mm a 80 Hz, tendría que moverse 4 mm para producir la misma salida a 40 Hz. Para producir la misma salida a 20 Hz, tendría que moverse 16 mm.

Un altavoz incluye un elemento llamado araña. La araña almacena energía cuando la bobina móvil de un altavoz mueve el cono hacia adelante o hacia atrás desde su posición de reposo. Cuando el cono llega al final de su recorrido y se detiene, la energía potencial almacenada en la araña quiere ser liberada. Esta energía almacenada tira del cono en la dirección opuesta. Cada transferencia de energía incluye algunas pérdidas y, finalmente, el cono se detiene.

Piense en el movimiento del cono como un columpio en el parque. Ejerces una fuerza sobre el columpio para que comience, y continúa balanceándose hacia adelante y hacia atrás con una amplitud decreciente hasta que se detiene. Afortunadamente, un altavoz deja de moverse mucho más rápido que el columpio del parque.

En un altavoz, esta transferencia de energía del cono a la araña y viceversa es más eficiente en una frecuencia específica. A esto lo llamamos la frecuencia de resonancia del altavoz. A la frecuencia resonante, hay un aumento dramático en la impedancia porque la araña almacena una gran cantidad de energía. Este almacenamiento de energía hace que el cono quiera seguir moviéndose. El movimiento de la bobina móvil a través del campo magnético genera un voltaje. Este voltaje genera un flujo de corriente en la dirección opuesta a la corriente que fluye desde el amplificador. Representamos esta oposición al flujo de corriente como un aumento en la impedancia.

También debemos tener en cuenta que cada altavoz está limitado en cuanto a la distancia que puede moverse el cono. Una vez que superamos las limitaciones de excursión del altavoz, suceden cosas malas. El formador de la bobina de voz puede golpear la placa posterior. Los componentes de la suspensión pueden verse comprometidos y comenzar a fallar. Como subproducto de la geometría del cono, la tapa antipolvo, el marco, la araña y el motor, la distorsión armónica también aumenta a medida que aumenta la excursión.

Nuestro objetivo al diseñar cualquier sistema de audio debe ser mantener la distorsión lo más baja posible. La mayor parte de la distorsión a bajas frecuencias es resonancia. Estas resonancias disminuyen a medida que nos movemos por encima de la frecuencia de resonancia del altavoz. La araña y la fuerza del motor cambiante, a medida que la bobina se mueve más allá del borde del espacio, son los principales contribuyentes a la distorsión.

¿Por qué necesitamos un recinto?

Consideremos algunas características adicionales. El roll-off de baja frecuencia de un altavoz es un filtro de paso alto. La araña en el parlante es como un capacitor:un resorte almacena energía y también lo hace un capacitor. El aire dentro de la caja también es un resorte y está en paralelo con la araña. La cámara de aire y la araña trabajan juntas al mismo tiempo para hacer lo mismo. La combinación de la cámara de aire y la araña aumenta la frecuencia del filtro de paso alto. Sí:contrariamente a nuestros esfuerzos por producir tanta información de baja frecuencia como sea posible, un recinto limita la reproducción de baja frecuencia.

Si ese es el caso, ¿por qué queremos limitar el movimiento del cono? Considere lo que hemos dicho sobre cuánta excursión se requiere para reproducir frecuencias bajas y sobre la distorsión. Limitar la salida de baja frecuencia de nuestro parlante no es un objetivo ideal, pero vale la pena limitar algunas de las frecuencias realmente bajas para obtener la cantidad correcta de graves en frecuencias más altas.

There is a benefit to increasing the resonant frequency of the speaker and enclosure system. Let us say we have a subwoofer with a Q of 0.5 and it is our goal to have a total system Q of 0.707. We choose an enclosure air volume that increases the Q, which then increases the system output at the new resonant frequency. Yes, we sacrifice output at lower frequencies, but we gain output around the new system resonant frequency.

I Want More Bass!

Modern speaker designs continue to reduce distortion through computer simulation and modeling of material behavior. Qualified and properly equipped speaker designers can simulate spider, cone and surround behavior to analyze individual resonance and distortion behaviors. They also can model the interaction between the voice coil and the motor structure to predict changes in magnetic field strength and inductance that can further affect how a speaker will sound at moderate to high excursion levels.

These advancements have resulted in speakers that produce less distortion at higher excursion levels. This improvement in performance allows enclosure designers to build speaker systems that will play lower and louder.

Some basic principles govern low-frequency sound reproduction. Cone area is critical. An old article published by the Audio Engineering Society called “The Problem with Low-Frequency Reproduction,” by Saul J. White, included a graph that compared cone excursion vs. frequency vs. system output for a 12- and 15-inch loudspeaker. In the chart, it shows that a 15-inch driver cone only has to move half as much as a 12-inch driver to produce the same output.

To produce sound, we need to displace air. Displacement is calculated by the product of speaker cone area times the distance the cone can travel. In other words, bore times stroke. For the same displacement, more bore requires less stroke.

What is the punch line? If you want it louder, buy more speakers or subwoofers.

Driver Behavior in an Enclosure

The increase in the system Q caused by the addition of air stiffness in the enclosure can cause distortion if the Q is increased excessively. This increase in Q works against our desire for a low-distortion system. Making the enclosure too small increases the Q too much, and we wind up with a system that produces a great deal of output in a narrow frequency range. These undersized enclosures are often referred to as a “one-note-wonders.”

What causes this behavior? The one-note quality is a result of the increased energy storage and transference in the resonant system. The bass just keeps going and going – like our swing at the park.

Power Handling

In an acoustic suspension enclosure, cone excursion increases as frequency decreases. This increase in excursion continues down to the frequency at which the force of the spider and the box exceeds the force of the motor. At that point, the excursion level is limited, and we will not see the increase in excursion . The result:We protect the speaker from physical damage due to cone excursion beyond the design characteristics of the speaker.

Predicting the limits of cone excursion relative to frequency and power is relatively simple for a sealed enclosure. The volume of the enclosure is inversely proportional to the amount of power the speaker can handle when perceived from the standpoint of excursion. A small enclosure limits cone excursion a great deal at very low frequencies, but the system does not produce a lot of deep bass. A large enclosure allows the speaker to move further and produce more low-frequency output, but we cannot drive the speaker with as much power for fear of damaging it.

As we increase the volume of the subwoofer enclosure, the air inside has less “spring effect” on the subwoofer’s motion. This graph shows the increase in driver excursion as air volume increases in four different enclosures.

Acoustic Suspension Overview

An acoustic suspension speaker enclosure reduces bass output at a rate of -12 dB per octave below the resonant frequency. When you combine this roll-off with the cabin gain associated with most vehicles, you can get excellent and linear low-frequency extension well into the infrasonic region. Acoustic suspension enclosures are easy to calculate and to construct. They are very forgiving of minor errors in volume calculation.

Finally, it is worth remembering that acoustic suspension enclosures are not the lowest-distortion enclosure designs available.

When it comes time to design a subwoofer enclosure for your car or truck, visit your local mobile electronics retailer and discuss your requirements. They can help you choose a subwoofer and enclosure design that will give you a solid foundation on which to build your audio system.