Filtros pasivos para altavoces




EL GRAN PROBLEMA DE LOS ALTAVOCES.

Todo el mundo se habrá fijado en que los bafles no tienen un solo altavoz, sino dos, tres, o a veces más.

Salvo extrañas excepciones, cuando un bafle tiene un solo altavoz (radiocasettes, altavoces para el ordenador,…) no suelen sonar demasiado bién. El problema es que no todos los altavoces pueden reproducir correctamente todo el rango de frecuencias audibl

Para crear graves hay que desplazar una gran cantidad de aire, y para eso hace falta un altavoz grande. Este altavoz tendrá masa, y será difícil moverlo a altas frecuencias, ya que el tiempo que tarda en adquirir velocidad el cono es grande.

Un tweeter puede estar sometido a campos de 1000 G, aunque la reducida masa de la cúpula hace que la fuerza que acelera la cúpula sea de 20-25 N. Esto sería impensable con las pesadas membranas de los woofer.

Lo contrario ocurre con altavoces pequeños. Para mover un gran volumen de aire con un pistón, puedes tener mucha área y poco desplazamiento o mucho desplazamiento y poca área. El problema es que existen restricciónes a la excursión máxima de la membrama.

Para crear sonido sin distorsión, la primera suposición es que el proceso de creación del sonido es adiabático. Si el aire se comprime, este proceso deja de serlo, y esto ocurre cuando la presión es muy elevada. La presión depende de la superficie, y la presión que crea un pistón pequeño no es perfecta, ya que el aire ofrece resistencia al movimiento, y cuanto mayor sea el movimiento, mayor será la compresión del aire, y mayor la distorsión.
La membrana está sujeta por dos puntos, que se encargan de mantenerla centrada. La enlongación de estos materiales que sujetan la membrana es finita, y además suelen ser elásticos, por lo que absorben y devuelven energía de la membrana y producen distorsión. Como el fin de la suspensión es mantener el cono en su sitio, no pueden tener una longitud infinita, por lo que un desplazamiento muy amplio, además de causar distorsión, puede llegar a romper el altavoz.
El campo magnético creado por el imán no es perfectamente homogéneo. A una cierta distancia, la lineas de flujo magnético empiezan a separarse, y el valor del campo magnético en el eje no se mantiene constante, sino que empieza a disminuir. Esto causa distorsión.

¿SOLUCIÓN?

La solución a este problema es tan simple como combinar varios tipos de altavoces especializados en agudos, medios, graves, medios-graves, subgraves…para conseguir que la respuesta en frecuencia sea cubierta correctamente.

PERO NO. Si las cosas fuesen tan fáciles como esto, nadie estaría mirando esta página…

  • A veces, un altavoz grande tiene un comportamiento incorrecto a altas frecuencias. Eso hay que quitarlo.
  • Los altavoces de agudos tienen una potencia MUY limitada, y un desplazamiento muy pequeño, de menos de 0.5mm. Si se le hace reproducir graves de 50W durará poco.

Lo ideal en este punto es que a cada altavoz le llegue la banda de frecuencia que puede reproducir sin problemas y sin distorsión. Existen varias maneras de hacer este proceso, llamado filtrado. De momento, nos vamos a ocupar sólo de los filtros pasivos.

EL PROBLEMA DE LOS FILTROS

 

Los filtros no cortan perfectamente una señal en frecuencias mayores o menores que una frecuencia determinada, llamada frecuencia de corte. Lo que hacen es disminuir la potencia de la señal a medida que su frecuencia se va alejando de la frecuencia de corte.La brusquedad con la que se produce esta atenuación se puede elegir y depende del número de componentes que se usen, como se ve en la gráfica de arriba.

Corte de frecuencia según el orden

Los filtros se clasifican en primer lugar por su función (eliminar agudos o graves…) y en segundo lugar por la brusquedad con la que se atenúan las frecuencias fuera del rango. En las gráficas logarítmicas, esto da una linea recta, que empieza a decaer en la fecuencia de corte con otra linea recta, y la pendiente de esta recta es lo que marca el orden del filtro.

La pendiente se mide en decibelios por octava. Una octava es el doble de algo. En este caso, el espacio entre 200 y 400Hz es una octava y es exactamente igual que el que hay entre 10 y 20kHz.

Los filtros causan errores de fase. Cuantos más componentes tiene un filtro, más desplazamiento de fase causará, pero menor será la interacción entre los altavoces. En la gráfica de la derecha se aprecian los errores causados por los diferentes tipos de filtros.El que menos desplazamiento produce es el de primer orden, que tiene un desfase de 45º en la frecuencia de corte (1kHz) y 90º en la banda eliminada.

El que más es el de 4º orden, que a la frecuencia de corte desplaza 180º y en la banda eliminada 360º.

desfase según orden  

El problema de los filtros para subwoofers

Otro problema bastante importante, no exclusivo pero si acuciante, de los filtros pasivos es que a medida que decrece la frecuencia de corte, aumenta el valor de los componentes. Esto implica que sean más grandes y caros. En concreto, las bobinas tienen resistencia en serie y puden llegar a valores de 1 Ohm. En un woofer de 4 Ohm, esto es una pérdida importante, -1dB. El ejemplo más simple es porqué los subwoofers comerciales son activos: porque es más barato y menos voluminoso fabricar un filtro activo con su fuente de alimentación propia que utilizar bobinas de hasta ¡36mH! para un filtro de 4º orden.

Supongo que nadie (ni yo) habrá visto una bobina de 36 mH para altavoces. Una bobina con núcleo de transformador(las más eficientes y “pequeñas” para valores grandes) ocuparía alrededor de 1,5 litros y pesaría entre 6 y 8 Kg.

En un sub, un filtro activo es prácticamente obligado.

 


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