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La reproducción de la música y los sonidos. “El transductor electroacústico”




¿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. []

Sobre el autor:

juanfilas ( )

constructor de bafles HI-FI en argentina, salas de escucha, estudios de grabación, calibración y medición de equipos HI-FI, etc. Astrónomo aficionado y lector de esta increíble pagina "El Tamiz" y dentro de ella "El Cedazo"
 

{ 11 } Comentarios

  1. Gravatar Macluskey | 12/05/2011 at 05:28 | Permalink

    Interesantísimo, Juan.

    Yo siempre escuché (y hablo de hace muuuchos años) que, a la hora de comprar un conjunto de Alta Fidelidad (típicamente un amplificador y fuentes de sonido, como un plato, casette, CD y lo que haga falta, más los altavoces) había que reservar la mitad del dinero que te quisieras gastar para comprar exclusivamente los altavoces, y la otra mitad para todo lo demás. Me parecía exagerado.

    Algunos años más tarde compré unos altavoces buenos de verdad.

    Y comprendí.

    Quiero saber más!! :)

    Saludos

  2. Gravatar Compotrigo | 12/05/2011 at 10:19 | Permalink

    Hola.

    Una vez compré un sistema de altavoces 2.1 para el ordenador. En la publicidad decía: “con transductores de presión para una mínima distorsión”. No tenía ni idea de lo que significaba eso, pero sonaba a que se trataba de algo fantástico… ;-)

    Espero poder enterarme ahora de lo que quiere decir eso y muchas cosas más gracias a tu serie.

    También me acuerdo de un viaje en tren que hice hace unos años. El tipo que iba sentado a mi lado empezó a charlar. Me habló de su trabajo. Se dedicaba a sonorizar salas para espectáculos musicales, iglesias, etc.

    Ese hombre me comentó que los altavoces para música Hi-Fi eran todos de 8 ohmios, mientras que los que se utilizaban para amplificar el volumen de un discurso (voz) eran de 4. También me dijo que los altavoces de voz podían utilizarse para la música (aunque no fuera lo ideal), mientras que los de música no se usaban nunca para amplificar sólo voz (supongo que porque tienen un mayor rango de frecuencias y pueden dar lugar a más acoples, zumbidos y problemas así… Siempre es mejor quedarse sólo con las frecuencias que se vamos a utilizar). Espero que en tu serie expliques todo esto y mucho más, y, más interesante aún, todos sus porqués.

    Un saludo.

  3. Gravatar juanfilas | 13/05/2011 at 03:24 | Permalink

    Macluskey, si, en el presupuesto una de las partes mas importantes es en el gasto de los transductores ya que es la parte “mecánica” del sistema y donde mas se notan los problemas, pero ojo que lo otro que influye (hasta mas que los altavoces) es la sala de escucha, y ahí es donde hay que gastar también buena parte del presupuesto, ya que si la sala no esta bien acustizada podemos poner altavoces de 10000 euros y sonar mal….

    Compotrigo, “altavoces de presión” no es ningún parámetro cuantificable y real, debe ser alguna maniobra de publicidad nada mas, igualmente, los altavoces 2.1 de ordenador distan mucho de ser hi-fi, pero no te preocupes que vas a aprender lo suficiente para poder elegir (o armar) un sistema de audio de alta fidelidad.

    Y en cuanto al hombre que te comento de su trabajo, es muy distinto el tema de sonorización de grandes espacios y sonorización de salas de escucha y estudios de grabación, no son comparables y lo que se busca es muy distinto en ambos, igualmente lo de 8 ohm es un error, la mayoría de los tweeters hifi trabajan en cuatro y hasta tres ohm (ya vamos a ver por que) los medios en ocho o cuatro ohm e igual en los woofers, todo tiene que ver con sensibilidades y pesos, pero ya vamos a llegar a eso, paciencia…

    Saludos

  4. Gravatar Proximo | 13/05/2011 at 06:34 | Permalink

    Interesantísimo Juan. Queremos más. Y no sigo porque es un coñ#£o escribir las tides con este móvil.

  5. Gravatar Rafael | 16/05/2011 at 08:03 | Permalink

    Es la primera vez que participo en esta magnífica web, de la que no me pierdo ningún artículo, pero siempre me ha dado un poco de “corte” no estar a la mínima altura de sus participantes.

    Dicho esto no he podido resistir la tentacion pues al haber trabajado en una importante fábrica de altavoces hace muchos años, no era mi especialidad pero si mi aficion, estoy impaciente por leer los proximos capítulos de esta serie.

    Naturalmente que si puedo aportar algo, de mi modesto conocimiento en este tema, pues así será.

  6. Gravatar juanfilas | 16/05/2011 at 11:43 | Permalink

    @proximo, por supuesto que habrá mas

    @Rafael, que bueno que hallas trabajado en una fabrica de parlantes, ¿se puede saber cual? y por supuesto, puedes aportar o corregir lo que quieras, en eso se basa el tamiz y el cedazo.

    Saludos

  7. Gravatar Compotrigo | 16/05/2011 at 01:30 | Permalink

    Hola. Sólo quería proponer un tema para algún artículo de la serie. Sé que juanfilas está más interesado en altavoces Hi-Fi de alta calidad y lo que voy a comentar no está en esa línea, pero tengo curiosidad por cómo hacen exactamente algunos para construir altavoces con objetos caseros o reciclados. Por ejemplo, he visto que hay mucha gente que aprovecha los discos duros viejos para fabricar un altavoz, supongo que aprovechan el imán y la bobina del motorcillo eléctrico del disco duro, pero me gustaría saber detalladamente cómo y por qué funciona todo, si hay que hacer alguna modificación, etc. Gracias.

  8. Gravatar Compotrigo | 16/05/2011 at 01:39 | Permalink

    ¡Ah! Otra cosilla, juanfilas. Creo que deberías definir exactamente qué se entiende por distorsión en tu serie. Lo digo porque en la introducción y en este artículo usas varias veces el término; yo creo que con “distorsión” te refieres a cualquier variación en la reproducción sonido que lo haga distinto al sonido original (por ejemplo, que el sonido salga por el altavoz con distinta ecualización que lo que se captó por el micrófono cuando fue registrado), y creo que merece la pena una pequeña aclaración porque en algún artículo de mi serie pienso dedicar algunos párrafos a los efectos de sonido (uno de ellos, la distorsión), así que puede que quien lea tu serie y la mía deba entender cosas no exactamente iguales con la palabra en cuestión.

    Saludos.

  9. Gravatar Rafael | 16/05/2011 at 07:35 | Permalink

    Juanfilas, la empresa se llamaba, ya no existe, Acústica Electrónica Roselson

    Se fabricaban unos 12.000 altavoces diarios de serie y unos 500 de alta fidelidad ademas de 200 equipos, amplificadores y sintonizadores de HI-FI.

    Recuerdo que en el tema de alta fidelidad se ponía extremo cuidado en todo, por ejemplo: en los altavoces de graves se verificaba el peso de la membrana así como su rigided pasándolos por una fuente muy intensa de luz para verificar que toda la masa de cartón fuera uniforme y despues de acabados se verificaban en una cámara anecóica ( de silencio ) quedándo registro de la respuesta. Esto tambien se hacía para medios y agudos.

    Tambien fabicábamos selectores de canales de VHF y sintonizadores de UHF. Yo estaba destinado a este laboratorio de alta frecuencia, pero como estábamos separados con el de BF por un cristal y compartíamos instrumental pues algo se contagio.

    Compotrigo, creo que se refiere a distorsiones producidas por defectos del transductor acústico, por defectos de construccion, y no a las distorsiones del equipo amplificador o tratamiento de la señal.

    Pero bueno creo que el mismo nos sacará de dudas.

  10. Gravatar juanfilas | 16/05/2011 at 09:05 | Permalink

    @Compotrigo: Los que hacen altavoces con piezas de discos duros, papel, imanes, etc. usan el principio de inducción electromagnética explicada en este articulo, hay muchísimas paginas donde explican como hacerlos, y de donde sacar las piezas. Distorsión es básicamente cualquier diferencia que haya entre lo que se grabo y lo que se esta reproduciendo, no te preocupes que va a haber un articulo completo sobre estas ya que en audio Hi-Fi lo que se busca es que sean lo mas bajas posibles, algunas de ellas son: Armónica, lineal, por intermodulación, etc. Vamos a explicar en detalle todas.

    @Rafael: ¡Que bueno lo que contás!, aca en Argentina por lo menos yo no conozco la empresa, pero veo que era grande. Y si, lo que es alta fidelidad tiene un control de calidad mucho mayor al resto (y precio…)

  11. Gravatar Compotrigo | 23/05/2011 at 02:19 | Permalink

    Con respecto a aquello de sonorizar las salas, no sé si esto resultará demasiado útil, pero es una curiosidad científica que me parece digna de compartir:

    http://news.discovery.com/tech/one-way-sound-walls-acoustics-110505.html

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