El Cedazo

¿El… qué? Menuda palabra para algo tan simple (y complejo a la vez). Ya hablamos en la introducción de los transductores electroacústicos, pero en esta entrega vamos a estudiar bien qué son, cómo funcionan, cómo se desarrollaron, etc.

Un transductor es un dispositivo que convierte un tipo de energía en otra. Simple, ¿no?

Podemos entender por transductor una turbina de una represa hidroeléctrica, que convierte la energía potencial y cinética del agua en eléctrica, un motor de un coche convierte energía química en cinética, etc. La idea es simple… Electroacústico… según la etimología de la palabra deducimos que viene de “electricidad” y “acústica”, es decir, un transductor electroacústico es un dispositivo que convierte energía eléctrica en acústica, o sea, ondas sonoras. De ahora en adelante lo llamaremos “Altavoz” para simplificar.

Como bien explicó Compotrigo en su serie sobre la música, un sonido es una onda que se propaga por un medio elástico (típicamente, aire) creando zonas de presión y depresión en el medio a su paso; cualquier cosa que oscile en un medio elástico tiene un sonido asociado: podemos deducir esto al golpear cualquier objeto y escuchar “algo”. Ese sonido característico de los objetos se debe a su frecuencia natural, a la cual los objetos oscilan. Estas oscilaciones se acoplan con el aire circundante y como consecuencia aparecen las ondas sonoras.

Como vemos, crear un sonido es más fácil de lo que parece, por esta razón ya hace más de treinta mil años que existen las flautas y otros tipos de instrumentos con su sonido característico. El problema que se presentó fue el de poder reproducir TODOS los sonidos a la vez, fielmente, cada uno de ellos con su frecuencia, timbre, amplitud, etc.

La idea es simple, cualquier dispositivo que vibre crea un sonido (en realidad no crea, acá también se respetan las leyes de la termodinámica: la energía perdida es la correspondiente a la onda creada más perdidas; si no, una campana sonaría por siempre^[1] ), si esta vibración es igual a la de un instrumento en particular, voz, ruido, etc, debería sonar igual. Además, si sumamos todas las ondas de todos los instrumentos, voces, sonidos, etc, nos debería dar una onda correspondiente con toda la información de las otras ondas sumadas, ésta es la onda que debería reproducir nuestro dispositivo.

Phonógrafo de Edison, uno de los primeros "altavoces"

Los primeros intentos con éxito datan de hace aproximadamente 130 años. No se sabe quién fue exactamente el primero en lograrlo, pero el más popular fue Edison con su “Phonógrafo”. Cabe acotar que los primeros altavoces no eran “electroacústicos”, son más bien “mecánico-acústicos”, ya que transformaban energía mecánica en acústica. ¿Cómo lo hacían? Muy fácil: las primeras grabaciones^[2] dejaban en un cilindro un surco que oscilaba de un lado a otro de la misma forma que la onda oscila en el medio. En este surco se ponía una fina aguja (hoy llamada “púa”) unida a un cono exponencial; al girar el cilindro a la misma velocidad a la cual se grabó, la púa iba trazando la forma de onda registrada en el cilindro, ésta se transmitía al cono… ¡y por éste se emitía el sonido grabado! Cabe aclarar que la calidad del sonido reproducido era pésima, a un volumen bajísimo, muy lejos de ser HI-FI… pero fue el primer paso. El paso siguiente fue toda una revolución…

Ya en esa época se conocían bien las propiedades de las ondas electromagnéticas y sus consecuencias. La que nos concierne a nosotros es el fenómeno de inducción electromagnética descubierto por Michael Faraday. Éste, en pocas palabras, nos dice que cuando un conductor se mueve por un campo magnético aparece en él una corriente eléctrica; y viceversa: una corriente eléctrica variable que corre por un conductor genera un campo magnético (que también es variable). Si ahora ese campo magnético lo ponemos cerca de un imán, lo que tenemos es que el conductor es atraído o repelido por el imán dependiendo de la corriente que circula por él. La idea fue la siguiente: que la corriente variable tenga la forma de la onda que queremos reproducir (forma, frecuencia, amplitud, etc.). Luego, el conductor por donde va a circular esta corriente tiene que estar dentro de un campo magnético. Como éste conductor, debido a la ley de Faraday, va a vibrar dependiendo de la corriente que circule por él, si encontramos la forma de transmitir este movimiento al aire, ¡podemos reproducir sonoramente la información que venía eléctricamente!

El resultado fue lo que vemos en la siguiente animación:

Podemos ver que entra una corriente eléctrica sinusoidal a una bobina por donde circula la corriente (efectivamente, llega a la bobina, no al imán), que se puede ver en color rojo con puntos blancos,  y esta bobina esta rodeada por un imán que produce el campo magnético. La bobina está acoplada al “cono” y ambos, bobina y cono, se mantienen en posición a través de dos suspensiones que sólo permiten el movimiento en un sólo eje. Como vemos en la animación, ¡el cono hace exactamente los mismos movimientos que la onda eléctrica! Éste es el principio básico de funcionamiento de un altavoz electrodinámico. ¿Simple, verdad?

La corriente variable genera una fuerza en la bobina (en realidad aparece un campo magnético, que como se opone al del imán permanente produce la fuerza de repulsión), que, al estar pegada al cono, hace que éste se mueva y se acople con el aire circundante,^[3]  produciendo un sonido. Este sistema revolucionó nuestra manera de escuchar música (hay otros que veremos más adelante, pero éste es el más usado: más del 95% de los equipos de música tienen este tipo de altavoz), pues ya no hacia falta ir a escuchar música en vivo. Podíamos escuchar una ópera o una orquesta en nuestra casa, ya que el altavoz reproducía exactamente^[4] la suma de todas las ondas de los instrumentos por separado, y todo ello sumado a que también las técnicas de grabación y copiado mejoraron enormemente con el mismo sistema, pero al revés.

Efectivamente, al sistema inverso se le conoce como “micrófono” y no es más que un altavoz al revés: las ondas sonoras hacen mover el cono, éste a la bobina, que al estar sumergida en un campo magnético produce una corriente correspondiente al movimiento, y… ¡Voilà! Ya tenemos nuestra onda sonora transformada a eléctrica para luego editar, copiar, sumar, grabar, reproducir, etc. Y luego amplificarla para escucharla por nuestros altavoces.

Corte de un altavoz donde podemos ver sus partes principales.

El sistema funcionaba, pero tenía muchas fallas,^[5] y el problema es que son fallas inherentes al diseño mismo y al mundo en el que vivimos. Por ejemplo, el cono tiene una masa determinada, y éste, al estar quieto, por inercia tiende a permanecer en este estado. Cuando la corriente tiende a moverlo, éste no se mueve instantáneamente, sino que tiene un retraso, y luego, mientras se está moviendo ¡tiende a seguir así! Podemos imaginar fácilmente que a mayor frecuencia empeora el efecto.

Podríamos decir “hagamos los conos lo más livianos posibles, y listo”, pero esto tiene dos problemas: El primero es la rigidez. Al ser el cono poco rígido, la bobina puede estar moviéndose, pero el cono, en vez de moverse uniformemente, se flexiona, ocasionando más distorsiones y dejando de actuar como “pistón” rígido. Bueno, podemos decir, entonces, “hagámoslo rígido y chico, lo más chico posible para que sea liviano”. Pero acá entramos en otro problema: los sonidos graves tienen una frecuencia baja (del orden de los 20 a los 200hz aproximadamente) y una amplitud alta, muy alta. Podemos sentir esto cuando vamos a nuestra “discoteca preferida” o a un recital: cuando suenan los sonidos graves se nos mueven los pantalones. Eso es por que son ondas sonoras que se desplazan por el aire con una amplitud muy grande (diferencias de presión grandes entre la crestas y los valles). Para que estos sonidos graves suenen hay que mover mucho aire… y un altavoz chico no mueve nada de aire. Ésta es la primera de muchas razones por la que aparecen distorsiones, pero en definitiva ésta fue la razón fundamental para hacer muchos tipos de altavoces para frecuencias determinadas: graves (conos grandes que mueven mucho aire), medios (más chicos, que pueden oscilar a más frecuencia sin problemas pero que no reproducen graves) y agudos (conos^[6] livianísimos que pueden oscilar hasta 20000Hz, pero que no reproducen ni siquiera tonos medios y mucho menos graves).

El estudio de cada tipo de altavoz será el tema principal del próximo artículo, además de adentrarnos más en su funcionamiento y cómo se resolvieron algunos problemas.

¡Hasta la próxima!

1. Además de la pérdida de energía existe lo que se denomina “amortiguamiento”, que es fundamental en un altavoz y estudiaremos en detalle más adelante [↩]
2. Para grabar se hace el proceso inverso, es decir, una onda acústica se transforma en mecánica o eléctrica. [↩]
3. El acoplamiento es un tema importante y complejo, ya que, como la elasticidad del aire es muy distinta a la del cono, el acoplamiento es muy malo, dando un rendimiento pésimo del orden del 1.5%, el resto son perdidas… [↩]
4. No, exactamente, no: con muchísimas distorsiones distintas. Si no, esta serie acabaría acá [↩]
5. Todavía, después de 100 años, las tenemos. [↩]
6. En los tweeters son normalmente “domos” en vez de conos, ya veremos por qué. [↩]

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