Altavoz de subgraves

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Un subwoofer , o abreviado coloquialmente como sub , es un altavoz destinado a la reproducción de las frecuencias de sonido más bajas del espectro de audio (llamadas "graves"), confundidas por sinécdoque (amalgama) con el subwoofer (también escrito subwoofer). Bajo , designando la caja en la que se incluye dicho altavoz).

Este tipo de altavoz está presente en un gran número de equipos de audio (como en los sistemas denominados 2.1, 4.1, 5.1, 7.1, etc. , especificando el .1 un canal destinado a bajas frecuencias de audio, ver LFE , asignado a la subwoofer) que van desde sistemas multimedia para PC hasta sistemas para conciertos a gran escala, incluyendo cine, home cinema y alta fidelidad .

Historia y concepto

Desde los primeros días del uso de altavoces para reproducir el sonido, se hizo evidente que las diferentes partes del espectro de sonido requerían transductores con características específicas, a menudo antagónicas. Allanando el camino para el principio del altavoz acústico con dos, tres o más canales, un canal que consta de un altavoz dedicado a una parte del espectro sonoro. Es la reproducción de las frecuencias más bajas del espectro correspondiente a los sonidos más graves lo que planteó entonces un problema particular. Se han propuesto un gran número de soluciones pero están bloqueadas por su interferencia con la acústica de salas y, en particular, salas de dimensiones reducidas.

Al público en general, en 1987, la empresa Bose ofreció entonces su sistema Acoustimass AM-5 diseñado para adaptarse a los equipos de la época, este sistema reunía un solo subwoofer para la reproducción de los graves y dos juegos de pequeños altavoces, para el resto del espectro sonoro. Su principio se basaba en la idea de que los sonidos graves son prácticamente imposibles de localizar por debajo de los 200 Hz . Por tanto, en este registro es posible reproducir los dos canales estéreo con un solo altavoz, cuya ubicación en la sala de escucha no tiene ningún efecto. Ofreciendo así una huella reducida y una mayor flexibilidad de instalación, dos puntos esenciales para el equipamiento doméstico.

Aunque criticado en el campo del sonido de alta fidelidad , su éxito ha empujado la adopción de este sistema por parte del resto de la industria, incluso más allá del público en general con por ejemplo en el cine, desde finales de la década de 1970 la adopción de este principio en los sistemas "LUCAS" comercializados por la empresa HK Audio . Estos sistemas a menudo se califican como "trifónicos" porque usan tres parlantes acústicos físicos (un subwoofer y dos parlantes pequeños generalmente llamados "satélites" porque son inseparables del subwoofer) pero naturalmente son conjuntos que ofrecen solo reproducción estereofónica (dice 2.1). Esta tecnología también se encuentra en sistemas de cine en casa multicanal más avanzados (con un número de altavoces superior a seis).

Desde el filtrado pasivo (adaptado a los sistemas de amplificación de la época), los fabricantes han pasado al filtrado electrónico, teniendo el subwoofer su propio circuito de amplificación, configuración predominante en la actualidad. Con la miniaturización y la búsqueda de un espacio reducido en sistemas compactos, el subwoofer y su electrónica a veces se integran directamente con los otros altavoces.

Rango de frecuencia de uso

Los subwoofers y subwoofers se utilizan para las primeras tres octavas del espectro de sonido, 20 a 40 Hz , 40 a 80 Hz y 80 a 160 Hz , aquellos en los que la ubicación de una fuente de sonido es imposible o muy insensible. Su alta frecuencia de corte depende de su diseño y de la respuesta de los altavoces principales que deben hacerse cargo de la restitución del resto del espectro sonoro. Obviamente, esto es para evitar un "agujero" o un "bache" en la respuesta general del sistema. Por ejemplo, un pequeño sistema multimedia verá su subwoofer usado hasta 160 Hz, mientras que un sistema de cine en casa de buen tamaño solo lo usará hasta 80 Hz o incluso menos.

Por lo general, un subwoofer será útil para frecuencias entre 30 y 40 Hz y su alta frecuencia de corte (por filtrado), mientras que los modelos más ambiciosos ven que su respuesta se extiende hasta 20 a 30 Hz . En la práctica, la mayoría de la música apenas baja de los 40 Hz aunque estemos acostumbrados a mencionar el caso de determinados órganos, música electrónica o incluso el piano. El caso parece un poco diferente con las bandas sonoras de ciertas películas que hacen un uso importante de los efectos sonoros (explosiones, vehículos rodantes o voladores, etc. ). Algunos entusiastas buscan reproducir las frecuencias más bajas del espectro sonoro o incluso extender esta respuesta en el dominio infrasónico .

Los entusiastas a veces desean hacer una distinción entre “sub-serio”, “sub-serio” y serio . Esto no tiene mucho sentido en la medida en que todas las frecuencias se reproducen, la mayoría de las veces, por el mismo equipo, aunque existen diferencias en la percepción de las frecuencias más bajas. De hecho, debe tenerse en cuenta que la noción de espectro de sonido audible (tradicionalmente 20 Hz - 20 kHz ) está lejos de ser tan simple como parece. La audibilidad de una frecuencia sonora depende mucho de su nivel y no existen límites claros de las frecuencias audibles sino una dificultad progresiva en percibirlas a medida que disminuye (en el caso que nos ocupa). Por lo tanto, se pueden percibir frecuencias mucho más bajas que 20 Hz y se han establecido estándares relacionados con la medición del infrasonido, como lo demuestra un artículo en la revista Acoustique et Techniques publicado por INRS . Queda por determinar si el equipo disponible puede difundir el infrasonido a un nivel suficiente para ser audible o sensible, que no se adquiere (ver curvas isosónicas para más información).

Colocación del subwoofer

La elección de la ubicación del subwoofer en la sala de audición es muy debatida. Suele basarse en consideraciones que poco tienen que ver con un análisis científico del problema. Objetivamente, la ubicación que ofrece la mejor distribución del nivel sonoro en la habitación es la esquina. Este punto ha sido perfectamente demostrado por Alain Pouillon-Guibert (fundador de la empresa APG) en una serie de artículos en la Revista Sono. Se pueden encontrar conclusiones similares en las recomendaciones de algunos fabricantes de altavoces. Además de una mejor distribución del nivel en la sala, este posicionamiento también permite obtener un nivel superior y esto, obviamente, habrá que tenerlo en cuenta a la hora de realizar ajustes.

Áreas de uso

Multimedia

Multimedia, principalmente el sistema de audio que acompaña a una computadora personal, es un área donde el subwoofer se usa ampliamente. De hecho, es esencial que dicho sistema siga siendo compacto y la fórmula que asocia dos pequeños satélites a un subwoofer se estableció rápidamente como la única que permite una reproducción que se extiende a los graves sin invadir el espacio disponible del sonido. Normalmente, los sistemas disponibles consisten en satélites de una o dos vías de tamaño reducido para colocar sobre el escritorio y un subwoofer para colocar en el piso, debajo del escritorio donde el espacio generalmente está infrautilizado. Estos sistemas son bi-amplificados (a veces tri-amplificados en la parte superior de la gama) con obviamente un filtrado electrónico entre subwoofer y satélites que permite ofrecer un ajuste de nivel relativo del subwoofer para adaptar la reproducción del sonido a la acústica del local y al gusto del usuario. Toda la electrónica está alojada en la caja y los controles están ubicados en uno de los satélites o en una caja de control. Algunos sistemas tienen un mando a distancia por infrarrojos. El subwoofer generalmente usa un altavoz de 10 a 20 cm cargado con bass-reflex. La frecuencia de cruce con satélites es típicamente de 120 a 160 Hz . La frecuencia de corte baja (en otras palabras, el grado de respuesta de los graves) es muy variable ya que varía de 30 a 80 Hz aproximadamente dependiendo de las ambiciones del sistema.

Además de los sistemas estereofónicos, existen equipos multimedia multicanal. El objetivo es, naturalmente, restaurar las bandas sonoras de las películas (codificación Dolby Digital o DTS), pero también ofrecer un sonido envolvente para juegos y todas las aplicaciones de realidad virtual . La configuración típica se basa en un sistema 5.1, pero marcas como Creative han lanzado juegos 7.1 . A medida que las limitaciones de instalación aumentan con el número de altavoces, estos sistemas solo tienen un éxito moderado y la mayoría de los sistemas 7.1 han desaparecido del mercado.

Las computadoras portátiles, donde el espacio disponible para albergar los altavoces es muy pequeño, a menudo usan una especie de subwoofer en miniatura (en el extremo superior) para extender la respuesta un poco más abajo del espectro. Incluso si las restricciones de tamaño limitan severamente el rendimiento de dicho sistema, el resultado de sonido general mejora significativamente. Esta fórmula también es utilizada por un buen número de equipos de audio portátiles. Estos sistemas miniaturizados a menudo utilizan un procesamiento de señales digitales que genera armónicos de frecuencia más baja para mejorar el resultado subjetivo.

Características de los transductores

Este tipo de altavoz tiene un motor magnético asociado con una membrana relativamente pesada (que permite reducir la frecuencia de resonancia). El diseño del motor, la rigidez de la suspensión y otros parámetros influirán en el Factor de calidad total (QTS, que está relacionado con QMS y QES), optimizando así el Coeficiente de sobretensión en función de la carga (la caja / caja) proporcionada. La sensibilidad generalmente disminuye a medida que disminuye FS o aumenta QTS, a menos que se aumente el diámetro de la membrana para compensar. Las dos principales limitaciones que se producen son:

- Límites mecánicos: a medida que aumenta el recorrido con la caída de frecuencia, los altavoces tienen un Xmax (definición variable según el fabricante), que determina el desplazamiento donde el comportamiento del altavoz permanece lineal. Luego viene el Xmech o Xlimit, que es el límite de excursión física antes de tocar fondo de la bobina móvil. Fenómeno que asegura la rápida destrucción del altavoz si se insiste o si se supera con creces el valor.

- Límites eléctricos: la reproducción de bajas frecuencias requiere una alta potencia que puede provocar un calentamiento excesivo, destruyendo rápidamente el altavoz. Como la eficiencia de un altavoz suele ser inferior al 3%, la mayor parte de la potencia absorbida se transforma en calor, de ahí la importancia de este problema. Se utilizan varios sistemas de ventilación y disipación de calor para limitar el aumento de temperatura, por ejemplo, el sistema VGC ( Vented Gap Cooling ) creado por JBL. Pero también se utilizan otros orificios en la araña , piezas polares para optimizar la disipación de calor en el corazón del motor y limitar la compresión térmica.

Los diferentes tipos

Los altavoces de subgraves permiten uno o más tipos de posibles montajes que dependen principalmente del coeficiente de sobretensión total (QTS) y de la frecuencia de resonancia (Fs):

la caja cerrada suele ser más pequeña que los otros tipos de cajas (sin lograr el mismo resultado), lo que es interesante en el contexto de un cine en casa. La desventaja es una frecuencia de corte de graves relativamente alta en comparación con el mismo altavoz con carga Bass Reflex o Bandpass; sin embargo la pendiente en la frecuencia de resonancia en su cuerpo (FC que será necesariamente menor que FS) es de 2 nd orden (es decir, -12 dB por octava), cajas cerradas a menudo obtener una mejor respuesta de impulso a baja velocidad (para ser puesto en perspectiva cuando en una sala de estar la duración de la amortiguación del sonido en estas frecuencias a menudo supera los 100 ms ), debido a que el aire presente en el interior de la caja actúa según el principio de suspensión acústica y limita las excursiones intempestivas de la membrana en muy bajas frecuencias. La elasticidad del aire es casi perfecta mucho más allá de 1 BAR. Frente a las pequeñas presiones que entran en juego en los altavoces, esto es totalmente insignificante. La compresión térmica es generalmente mayor que en una caja Bass Reflex , esto se debe al pico de impedancia único en la frecuencia FC, porque cuando la impedancia es alta, la intensidad disminuye y, por lo tanto, el efecto Joule también. Sin mencionar el hecho de que un gabinete cerrado no permite la renovación del aire.

El bass-reflex es un tipo de carga muy extendido que resulta del resonador de Helmholtz. El principio es agregar uno o más respiraderos a la caja calculándolos para que su emisión de sonido se sume a la del altavoz permitiendo extender el ancho de banda en los graves. Su implementación es relativamente compleja ya que se le debe dar un altavoz cuidadosamente seleccionado con el cuerpo a través del respiradero pero las cosas se han vuelto más fáciles desde el trabajo de Thiele y Small (in) y el modelado del funcionamiento por computadora.
- Las rejillas de ventilación permiten que el ruido pase con mucha facilidad, en particular las resonancias del recinto.
- Una pendiente más pronunciada después de la frecuencia de corte que una caja cerrada (−24 dB / octava )
- La respuesta al impulso es menos buena que la de un cuerpo cerrado (arrastre debido a la ventilación)

Las reglas de la física implican las siguientes correlaciones:

para un volumen de recinto y un área de superficie de membrana dados, la reducción en la baja frecuencia de corte implica que en eficiencia (y por lo tanto en eficiencia);
para una frecuencia y un nivel sonoro determinados, el volumen de aire desplazado es el mismo independientemente del altavoz, de ahí un mayor alargamiento con un altavoz de pequeño diámetro.

Notas y referencias

Diccionario enciclopédico de sonido , París, Dunod ,2008, 559 p. ( ISBN 978-2-10-005979-9 ) , pág. 507.
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(en) " Bose Acoustimass AM-5 " [PDF] en Bose (consultado el 7 de noviembre de 2015 ) .
para reproducir las frecuencias más bajas en sonido , en École nationale supérieure Louis-Lumière . Consultado el 10 de noviembre de 2015.
Percepción del infrasonido , en Center for Direct Scientific Communication . Consultado el 10 de noviembre de 2015.
Alain Pouillon-Guibert, “ ¿Cómo colocar un subwoofer? », Revista Sono , n o 328,octubre de 2007, p. 86.
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(en) Patente de Estados Unidos [PDF] en Google . Consultado el 13 de noviembre de 2015.
Diccionario enciclopédico de sonido , París, Dunod ,2008, 559 p. ( ISBN 978-2-10-005979-9 ) , pág. 221.