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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD ZACATENCO

INGENIERIA EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA

ELECTROACUSTICA Y TRANSDUCTORES

PROFESOR: RENE MUÑOZ RODRIGUEZ

“ALTAVOZ”

GRUPO: 7CV4

MADRIGAL VELAZQUEZ CYNTHIA

CRUZ ALVARADO DIEGO ARMANDO

GONZALEZ ARROYO JOSE DANIEL

FECHA DE ENTREGA: 13 DE JULIO DEL 2015

INDICE

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Introducción……………………………………………………… (pág. 3)

Tipos de Transductores……………………………………….... (pág. 4)

Características de los transductores…………………………… (pág. 6)

Altavoz……………………………………………………………. (pág. 7)

Tipos de altavoces………………………….................................. (pág. 11)

Característica de los altavoces…………….................................. (pág. 14)

Caja acústica……………………………….................................... (pág. 20)

Tipos de cajas…………………………………………………….. (pág. 20)

Materiales absorbentes……………………………………….…. (pág. 24)

Enconado de un altavoz………………………………………… (pág. 25)

Procedimiento……………………………………………………. (pág. 26)

Medición de los parámetros del altavoz…................................ (pág. 27)

Constantes del altavoz…………………………………………... (pág. 29)

Cálculos…………………………………………………………… (pág. 31)

Diseño y construcción del gabinete………………………….… (pág. 34)

Bibliografía……………………………………………….……….. (pág.36)

INTRODUCCIÓN

Transductor

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Es un dispositivo que convierte una señal de un tipo de energía en otra. La base es sencilla, se puede obtener la misma información de cualquier secuencia similar de oscilaciones, ya sean ondas sonoras (aire vibrando), vibraciones mecánicas de un sólido, corrientes y voltajes alternos en circuitos eléctricos, vibraciones de ondas electromagnéticas radiadas en el espacio en forma de ondas de radio o las marcas permanentes grabadas en un disco o una cinta magnética.

Los transductores son hoy en día indispensables en los sistemas de automatización y control. En el momento que se registran o se usan magnitudes físicas para el control de un proceso, es necesario usar un transductor. La razón radica en que hoy en día es necesario registrar un número grande de magnitudes. Además de las famosas magnitudes como temperatura o presión, muchas veces es necesario registrar otros parámetros, como presión, concentración de gases, o caudal. Para que la electrónica pueda recibir una señal legible, es necesario que el transductor convierta la magnitud física en una señal eléctrica. Para tener flexibilidad, la industria ha determinado señales normalizadas que pueden ser leídas por muchos medidores.

El uso de una señal normalizada analógica permite, en la misma entrada analógica de un indicador digital, conectar transductores de cualquier magnitud. El indicador digital debe ser únicamente escalado. Esto quiere decir que se le debe indicar qué valor que saca el transductor como magnitud eléctrica corresponde al valor de la magnitud física. La siguiente imagen muestra la asignación de una señal de salida 4-20 mA a un rango de temperatura de 0 - 100 ºC:

Algunos transductores soportan una escala flexible. Esto permite al usuario ajustar el rango de medición deseado según sus necesidades. La señal normalizada 4-20 mA tiene otras ventajas, además del uso flexible. Por un lado, los cables que conectan un equipo con otro pueden ser muy largos. Además, es

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posible añadir diferentes unidades de análisis al mismo circuito, lo que permite usar la señal de corriente que procede del transductor en diferentes lugares. Como con el valor de medición más bajo aún fluye corriente, puede usar los restantes 4 mA para alimentar los sensores. Por otro lado, corrientes por debajo de 4 MA indican que algo pasa con las unidades de análisis. Para poder leer directamente el valor de medición in situ, algunos transductores están equipados con una pantalla. Otros modelos cuentan con relés, que efectúan un contacto al sobrepasar los valores límite.

TIPOS DE TRANSDUCTORES

Transductores de contactoLos transductores de contacto son manuales y diseñados para ser utilizados en contacto directo. La protección de una carcasa espesa permite que se muestren en una variedad de materiales. Ellos utilizan un diseño ergonómico, lo que hace que ofrezcan un agarre cómodo y fácil. A menudo, las placas de desgaste son reemplazables, para alargar su vida útil. Se elimina el espacio de aire entre el transductor y el componente que está siendo inspeccionado utilizando materiales de acoplamiento de grasas, aceites, agua o sustancias comerciales.

Transductores de inmersiónUn transductor de inmersión no entra en contacto directo con el componente que está siendo inspeccionado. Está diseñado para ser utilizado cuando se sumerge en líquido, con conexiones herméticas. Los transductores de inmersión tienden a tener una capa de adaptación de impedancia que permite que más energía del sonido se disperse en el agua, que, a su vez, proporciona más energía para el componente que se encuentra bajo inspección. Un transductor de inmersión se puede comprar con una lente cilíndrica, esférica o centrada. Estos transductores se utilizan generalmente en el interior de tanques de agua.

Transductores de elemento dualLos transductores de elemento dual utilizan dos elementos que funcionan de forma independiente en una sola carcasa. Ellos están bien adaptados para medir el espesor de materiales delgados e inspeccionar defectos superficiales. Un transductor de elemento dual también toma mediciones en aplicaciones en las que los reflectores están muy cerca del transductor, ya que su diseño único elimina el efecto que un transductor de un solo elemento experimentaría: un elemento transmite y el otro recibe la señal ultrasónica transmitida.

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Transductores de línea de retardoLos transductores de línea de retardo transmiten y reciben ondas sonoras con un elemento. Ellos proporcionan una versatilidad debido al número de opciones reemplazables. La función primaria de un transductor de línea de retardo es introducir un retardo de tiempo entre la generación de la onda ultrasónica y la llegada de cualquier onda reflejada, lo que permite la inspección muy cercana de la superficie de la pieza de ensayo, de acuerdo con el Test de límite de Sonido. Ellos son por lo tanto muy adecuados para medir el espesor de materiales finos con alta precisión y la de laminación controla los materiales compuestos.

Transductores de ángulo de hazLos transductores de ángulo de haz se pueden comprar en una variedad de versiones ajustables, donde el usuario es capaz de determinar el ángulo de incidencia y refracción. Este transductor se utiliza con una cuña que introduce sonido longitudinal o de ondas de corte en una parte del objeto que está siendo inspeccionado en un ángulo seleccionado. Se utilizan para introducir una onda de corte refractado en el material que está siendo probado y para generar las ondas de superficie, que detectan defectos en la superficie de un componente.

Transductores de velocidad de onda de normal incidenciaLos transductores de ondas de corte de incidencia normal permiten que las ondas de corte se introduzcan directamente en una pieza de ensayo bajo inspección sin necesidad de utilizar una cuña de ángulo de haz. El diseño cuidadoso ha permitido la fabricación de transductores con contaminación mínima de onda longitudinal.

Transductores de pincelLos transductores de pincel se utilizan para el escaneo de amplias zonas. Ellos son largos, estrechos y de muchos pequeños cristales que se corresponden específicamente para reducir al mínimo cualquier variación en el rendimiento, manteniendo la sensibilidad uniforme sobre toda el área del transductor

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CARACTERISTICAS DE LOS TRANSDUCTORES

Precisión

Se refiere a la dispersión del conjunto de valores obtenidos de mediciones repetidas de una magnitud. Cuanto menor es la dispersión mayor la precisión. Una medida común de la variabilidad es la desviación estándar de las mediciones y la precisión se puede estimar como una función de ella. Es importante resaltar que la automatización de diferentes pruebas o técnicas puede producir un aumento de la precisión. Esto se debe a que con dicha automatización, lo que logramos es una disminución de los errores manuales o su corrección inmediata. No hay que confundir resolución con precisión

Exactitud

Se refiere a cuán cerca del valor real se encuentra el valor medido. En términos estadísticos, la exactitud está relacionada con el sesgo de una estimación. Cuanto menor es el sesgo más exacto es una estimación. Cuando se expresa la exactitud de un resultado, se expresa mediante el error absoluto que es la diferencia entre el valor experimental y el valor verdadero

Rango De Funcionamiento

La región entre los límites dentro de los cuales una cantidad es medida, recibida o transmitida, expresada por rango de valores inferiores y superiores.

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Velocidad de respuesta

El transductor debe ser capaz de responder a los cambios de la variable detectada en un tiempo mínimo. Lo ideal sería una respuesta instantánea.

Calibración

El sensor debe ser fácil de calibrar. El tiempo y los procedimientos necesarios para llevar a cabo el proceso de calibración deben ser mínimos. Además, el sensor no debe necesitar una re-calibración frecuente. El término desviación se aplica con frecuencia para indicar la pérdida gradual de exactitud del sensor que se produce con el tiempo y el uso, lo cual hace necesaria su re-calibración.

Fiabilidad

El sensor debe tener una alta fiabilidad. No debe estar sujeto a fallos frecuentes durante el funcionamiento.

ALTAVOZ

Es el último eslabón en la cadena de audio. Transforma la energía eléctrica que le entrega la etapa de potencia en energía mecánica, y por ello se le llama transductor. Su función es inversa a la de otro conocido transductor: el micrófono, que transforma las ondas sonoras que capta su membrana (energía mecánica) en energía eléctrica que entrega a la etapa preamplificadora.

En principio, la banda de frecuencias audibles por el oído humano abarca desde los 16 Hz a los 20 kHz, aunque varía con las personas según sus características fisiológicas, y también varía con la edad. A medida que envejecemos, perdemos sensibilidad hacia los extremos del rango, sobre todo de las altas frecuencias.

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Podemos representar las ondas sonoras mediante un sistema de ejes cartesianos X-Y donde el eje X representa el tiempo y el eje Y representa la amplitud o intensidad de esa onda sonora. En el dibujo representamos una onda senoidal, producida por la vibración en el aire de una lámina metálica. Como toda función periódica, es decir, que se repite en un mismo intervalo de tiempo, llamamos período T al tiempo empleado por la onda en completar un ciclo completo. A la inversa del período se denomina frecuencia (f = 1/T) y viene dado en ciclos/segundo, hercios (Hz) o sencillamente (s^-1) que son segundos elevado a menos uno.

El sonido es un fenómeno físico de naturaleza mecánica. Necesita un medio material para poder propagarse, y lo hace como una vibración en ese medio. Nosotros percibimos el sonido habitualmente a través del aire, que es nuestro medio natural, pero también se propaga en el agua, los muros de nuestra casa, los muebles, y cualquier otra cosa que imaginemos. La velocidad de propagación del sonido es constante para cada medio, y depende de la naturaleza de éste. En el aire a 20ºC la velocidad del sonido es de 343 m/s, y para el agua de mar es de 1504 m/s. Estas velocidades varían con la densidad del medio, y esta propiedad puede variar por la temperatura y presión a la que se halle sometida el medio.

Para medir el nivel sonoro que nosotros percibimos, se emplea mayoritariamente el decibelio (dB) que es una escala logarítmica y es la décima parte del Belio (B). ¿Por qué se utiliza una escala logarítmica? Porque se ha podido comprobar que el oído humano, en cuanto a la forma de percibir un nivel sonoro, su intensidad, corresponde de forma más parecida a una escala logarítmica que a una escala lineal. Por ejemplo, si reprodujéramos un sonido con una potencia de 1w en nuestro equipo hi-fi y asignamos ese nivel sonoro a un número arbitrario, por ejemplo el 1, y a continuación elevamos la potencia a 2w, tendríamos la sensación de que habríamos doblado el nivel sonoro, que en decibelios sería ahora igual a 4; habríamos aumentado en 3 dB el nivel sonoro original. Para volver a incrementar en otros tres dB la sensación sonora, a un valor igual a 7 en nuestra escala, necesitaríamos multiplicar por dos la potencia en watios. Por esta misma razón, los potenciómetros de volumen de nuestros amplificadores se ajustan a una escala logarítmica. Para las potencias, la escala logarítmica sigue la expresión dB = 10 log (P2/P1) donde P2 y P1 son las potencias que queremos comparar. Para las tensiones e intensidades, se utiliza la expresión dB = 20 log (V2/V1) o bien dB = 20 log (I2/I1).

Doblar la potencia entregada por un amplificador significa elevar el nivel sonoro en 3 dB. Según la expresión anterior: dB = 10 log (P2/P1) = 10 log 2 = 3 dB. Si doblamos la tensión entregada por el amplificador obtenemos un incremento de 6 dB por la expresión dB = 20 log (V2/V1) = 20 log 2 = 6 dB. Sólo hay que tener claro cuando aplicar el factor 10 o 20 en la expresión. Recordemos que para potencias el factor es 10 y para tensiones e intensidades el valor es 20. ¿Por qué razón? Muy sencillo, como sabemos, la potencia eléctrica viene dada por la expresión:

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Para medir el nivel de presión sonora, utilizamos la misma escala en decibelios, tomando como punto de referencia el nivel de 0 decibelios, que es el nivel de percepción del oído humano. Podemos considerar el nivel de percepción, por ejemplo, en el ruido que hace la hoja de un árbol al caer. Asignamos a este valor 0 decibelios, y vamos midiendo los diferentes valores a los diferentes eventos, y podemos obtener una escala de valores que denominamos nivel de presión sonora (en inglés SPL, Sound Pressure Level)

NIVEL DE PRESIÓN SONORA (SPL) EN DECIBELIOS (DB)

Caída de una hoja (umbral de percepción sonora)

0

Murmullo de las hojas de un árbol 10

Conversación en voz baja 20

Radio a nivel moderado en casa 40

Coche a marcha moderada 50

Conversación ordinaria 65

Calle con mucho tráfico 70

Martillo neumático 90

Umbral de sensación dolorosa 120

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El altavoz moderno, tal como lo conocemos, es relativamente reciente. El tipo más extendido, y el que más se utiliza en sistemas hi-fi es el altavoz dinámico.

1.- Cono o diafragma2.- Campana3.- Yugo4.- Imán permanente5.- Bobina móvil6.- Araña7.- Tapa de retención de polvo8.- Hilos de conexión de la bobina9.- Bornes de conexión

La impedancia del altavoz habitualmente es de 4 a 8 ohmios. No confundir la impedancia con la resistencia. La impedancia es la resistencia que ofrece el altavoz al paso de una señal senoidal de 1 kHz, mientras que su resistencia es la que mediríamos mediante un óhmetro entre sus bornas de conexión.

El altavoz moderno parte de las investigaciones de Edgar Villchur, que en 1954 preconiza el uso de cajas acústicas para extender las frecuencias bajas, encerrando el altavoz en un recinto cerrado. Un año después, la empresa Acoustic Research introduce en el mercado el modelo AR-1W que emplea el principio de suspensión acústica. Posteriormente, a principios de los años 60 Neville Thiele publica "Loudspeakers in Vented Boxes", y junto con Richard Small, ambos ingenieros australianos, establecen los métodos de estudio de los altavoces y los recintos o cajas donde se hallan enclavados. El uso de las cajas bass-reflex (vented box) se inició a principios de los 70 como consecuencia de la aplicación de las teorías de Thiele-Small.

Todos los instrumentos musicales, y la voz humana, se halla dentro del rango audible, y ocupa los rangos o regiones del espectro que le corresponden. De todos los instrumentos musicales, el piano ocupa todo el rango de frecuencias, y no en vano se toma a menudo como elemento de prueba o muestra de un equipo hi-fi por este motivo.

Para cubrir todo el espectro audible, un sólo altavoz no es suficiente. Debido a las características de los altavoces, y la tecnología conocida hoy día, se necesitan al menos dos altavoces o drivers para reproducir todo el rango de frecuencias audibles con una fidelidad aceptable, de modo que uno se encargue de las frecuencias más bajas y el otro de las más altas. Podemos

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dividir en mayor número de tramos este rango en tres, o incluso cuatro tramos, y destinar a cada uno de ellos un tipo de altavoz diferente. A cada uno de estos tramos se denomina vía, y así existen altavoces (cajas) de 2, 3 o 4 vías dependiendo del número de tramos en que se ha dividido el espectro. No tiene por qué coincidir con el número de altavoces que tenga la caja. Podemos poner 2 altavoces para los graves y un altavoz para los agudos, y será un sistema de 2 vías con tres altavoces. Atendiendo a la gama de frecuencias que el altavoz es capaz de reproducir, los altavoces o drivers pueden dividirse en:

woofer (graves) midrange (medios) tweeter (agudos)

TIPOS DE ALTAVOCES

Coaxiales

Están compuestos de varios altavoces se distinguen el altavoz principal que hace la función de grave y algún o algunos secundarios que actúan como medio y medio agudo. Existen de 2 Vías (woofer y tweeter), 3 vías ( woofer , medio y tweeter) incluso de 4 vías. Se pueden montar en los huecos de serie del coche muy simplemente y sin ningún tipo de obra. La calidad de sonido de estos altavoces es muy mediocre, rinden algo menos que las vías separadas entre otras cosas por su estructura que debilita todo el conjunto. La calidad de sonido es ínfimamente menor que una vías separadas, debido a como he mencionado antes, Su estructura, el no filtraje y la posición de las mismas debido a que va todo el altavoz junto y generalmente se monta a la altura de los pies con la perdida de medios y agudos. El filtraje de estos conjuntos también deja mucho que desear debido que a lo sumo dispone de un paso alto de muy baja pendiente para medio y agudo. Son ideales para la sonorización de la parte trasera incluso para en ocasiones requeridas para montar en la bandeja y abrir el coche tipo botellón.

Coaxial 3 Vías

Vías Separadas

Tienen un calidad de sonido muy superior a los coaxiales. Debido a que cada vía es independiente de resto físicamente, y prácticamente en todos los kit cada vía va filtrada en paso alto y pasó bajo, obligando a reproducir a cada altavoz su correspondiente rango de frecuencia obteniendo una mayor nitidez y linealidad. Se pueden encontrar de 2 y 3 Vías, siendo estos últimos más caros y se supone que de mayor calidad. Como he comentado antes cada vía va filtrada tanto si es de 2 como 3 para que cada altavoz reproduzca el rango de frecuencias que debe. Este tipo de altavoz a diferente de los coaxiales puede ser amplificado activamente que consiste en que cada altavoz va conectado a un amplificador diferente no usando filtros pasivos y siendo las etapas las que

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mandes el rango de frecuencia adecuado a cada altavoz. Cuando el kit es de 3 vías cada altavoz reproduce el rango de frecuencia para el que ha sido diseñado pudiendo ser: Woofer desde los 40-50 hz hasta los 300-500 hz. El medio desde los 300 - 500 hz hasta los 2000-3500 y el tweeter desde los 3500 hasta los 18000 o 20000 hz. Cuando el kit es de 2 vias el rango de frecuencias correspondiente a los medios se reparte entre el tweeter y el woofer, teniendo que reproducir el tweeter frecuencias más graves de lo ideal (perdiendo linealidad y originando distorsión) y el woofer frecuencias más agudos de lo idea produciendo el mismo efecto que en el tweeter.

Kit 2 Vías Separadas

TWEETERS

Altavoz destinado a reproducir las altas frecuencias. Generalmente desde los 2 khz hasta los 20000 hz, en ocasiones se usa otra tweeter que dependiendo de la instalación se le llama supertweeter que cubre un rango de frecuencias superior al tweeter quitando a este gran parte del trabajo. Suelen ser pequeños en caso car-audio de 1 o 2 pulgadas. Son muy delicados y hay que tener sumo cuidado en el filtraje de los mismo aplicando una pendiente alta para protegerlos de (calentamientos de bobina o una excursión muy alta) excesos de potencia. El sonido que producen al ser de alta frecuencia es muy direccional por lo que hay que orientarlos correctamente y en una parte alta del coche cerca de nuestras cabezas. A grandes rasgos existen los llamados: Piezoeléctricos, los cuales son los más baratos y chillones producen bastante distorsión y tienen una sensibilidad muy alta. No son recomendados para un coche y menos para un sistema de calidad. De Cúpula: dentro de esta categoría pueden ser de seda o titanio/aluminio, el primero generalmente tiene menos sensibilidad y da un sonido más dulce y agradable, el segundo tiene más sensibilidad y el sonido que produce es más chillón y metálico. De cono: En car audio prácticamente no existen debido al tamaño que alcanzarían 2 o 3" y teniendo en cuenta que debido al pequeño tamaño de la cúpulas en los tweeter actuales y por lo tanto el control de las mismas, estos no generan tanta distorsión a medio/alto volumen como serían los medios de cúpula que se supone de mayor tamaño.

Tweeter

Medios

Son altavoces que están encargados de reproducir la frecuencias de gama media. Estos se instalan con un woofer y un tweeter formando un kit de 3 vías y restando el rango de frecuencia de dichos altavoces siendo estos los que reproducen la gama media comprendida entre los 200 hz y los 3000 - 4000 hz dependiendo de la estructura de cada altavoz. Se diferencian claramente 2 tipos de medios: - Cúpula: Forman una cúpula invertida, son de pequeño tamaño 2 y 3 ", tiene poca profundidad de montaje y no pueden reproducir

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frecuencias muy bajas debido a la estructura de los mismo. La cúpula en la parte central no esta tan controlada como por el resto de la misma, cuando se intenta reproducir frecuencias bajas dicha cúpula se descontrola perdiendo la linealidad de la misma ay moviendo en exceso. En realidad de podría decir que son tweeter muy grandes - Cono: Son como cualquier woofer o subwoofer pero en pequeño con un tamaño generalmente máximo de entre 3 y 4”. LA estructura es idéntica a cualquier woofer por lo que el rango de frecuencia viene definido por la potencia soportada y la frecuencia de resonancia del mismo. Este tipo de medios puede bajar mucho más que los de cúpula llegando incluso a los 200 hz.

Medio

Woofers

Son altavoces destinados a reproducir las bajas frecuencias. Son un tamaño considerable. Puede ir desde un 4" hasta un 8”. El rango de respuesta de dichos altavoces van en función del tamaño generalmente se centra desde los 70 hz hasta los 2500 - 4000 con una linealidad más o menos plana, depende del tamaño de dicho altavoz. El tamaño ira en función del rango de frecuencia que queramos cubrir contra más grande sea dicho altavoz más bajara en dicho rango por ejemplo un 6" puede reproducir linealmente sin distorsión hasta los 70 hz, mientras que un 8" lo podrá hacer sin problemas hasta los 50 hz. Cuando estos aumentan considerablemente el tamaño y reproducen un pequeño rango de frecuencias muy abajo (20 hz - 60 hz), se les denominan Subwoofer. Debido al tamaño del propio altavoz, la sensibilidad del mismo suele ser bastante alta en consonancia a cualquier tweeter o medio.

Woofer

Subwoofer

Como hemos comentado en el apartado anterior un subwoofer es un altavoz destinado a las frecuencias por debajo de los graves, esta representan el rango de 20 hz - 100 hz. Estos altavoces son todos con la estructura de cono y generalmente suelen ir montado en una caja hermética o abierta (réflex) consiguiendo así aumentar el rendimiento de los mismos. El tamaño puede ir desde los 6" siendo unos sub graves muy pequeñitos hasta las 18 incluso la barbaridad de 21 o 34" siendo estos últimos únicamente de demostración. EL construcción de estos altavoces es muy similar a las de los woofer reforzando y sobredimensionando gran parte de las piezas y componentes para aportan un aguante extra. La potencia soportada por estos altavoces es mucha mayor comparada con el resto.

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CARACTERISTICAS DE LOS ALTAVOCES

Respuesta en frecuencia

La respuesta en frecuencia del altavoz no es plana. El altavoz ideal debería dar

una respuesta uniforme es decir, igual potencia a todas las frecuencias, pero

este altavoz no existe. En las especificaciones técnicas viene indicada la

respuesta en frecuencia:

Los altavoces de alta calidad son los que tienen un margen de variación de

6 dB para el margen audible entre los 20 y los 20.000 Hz.

Fuera de los sistemas de alta calidad, también son aceptables las

variaciones de 3 dB en un margen de 100 a 15.000 Hz, ya que en la

práctica el margen de audibilidad humana nunca llega a los 20.000 Hz.

La banda conflictiva es la de los graves, por ello, no se empieza la medición en

los 20-30 Hz, sino que se eleva esta cifra hasta los 80 Hz.

En las especificaciones técnicas también suele venir la curva de respuesta en

frecuencia, pero hay que tener en cuenta que los fabricantes probablemente

hayan hecho sus mediciones en las condiciones más favorables, por lo que los

resultados reales normalmente serán inferiores.

Potencia

Hace referencia a la potencia eléctrica que admite el altavoz (no a la potencia

acústica). Es la cantidad de energía (en vatios) que se puede introducir en el

altavoz antes de que éste distorsione en exceso o de que pueda sufrir daños.

Dentro de la potencia se diferencia entre potencia nominal y potencia

admisible.

Potencia nominal

Potencia máxima, en régimen continuo, que puede soportar el altavoz sin

deteriorarse. Si se hace trabajar al altavoz por encima de esta potencia se

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podrá dañar irremediablemente el altavoz ya que éste no podrá disipar el calor

producido por la corriente eléctrica que circula por la bobina y ésta puede

fundir el aislante que recubre el hilo de cobre que la forma, provocando

cortocircuitos o cortándose la espalda por fusión del hilo de cobre.

La fórmula para obtener la potencia eléctrica de entrada necesaria es:

Dónde:

P=potencia eléctrica

I=intensidad de corriente eléctrica

Z=impedancia

Potencia de ruido

Especifica el máximo valor de la potencia con que puede trabajar el altavoz

(sobre la impedancia nominal) sin que sufra daños permanentes

(mecánicos o térmicos), cuando se le excita con una señal ruidosa en

alguna banda del espectro.

Un parámetro importante (y muy relacionado con la potencia) de los

altavoces es la eficiencia. La eficiencia es una medida del rendimiento de la

transducción electro-acústica. Es la relación de la potencia acústica del

altavoz y la potencia eléctrica necesaria para ello:

La eficiencia de un altavoz nunca supera el 50 % y generalmente es menor

al 10 %. En equipos domésticos (inclusive de alta calidad), la eficiencia es

del orden de 0.5-1 %. Afortunadamente, no se requiere una potencia

acústica elevada para obtener un elevado volumen sonoro.

Impedancia

La impedancia, conceptualmente, es la oposición que presenta cualquier

elemento o dispositivo al paso de una corriente alterna (sinusoidal), en este

caso la fuente de audio es una mezcla de varias frecuencias con lo cual la

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impedancia no tendrá el mismo valor en todo el rango de frecuencias. La

impedancia se expresa en Ohmios.

Como en los altavoces la impedancia varía en función de la frecuencia,

cada modelo de altavoz en sus especificaciones técnicas tendrá una curva

con esta relación impedancia-frecuencia distinta. La impedancia de los

altavoces viene especificada para una frecuencia concreta que sirva de

referencia, generalmente 1 KHz, a menos que el fabricante indique otro

valor.

Si se quiere obtener una transferencia máxima de energía entre la fuente

de sonido (el amplificador) y el altavoz, las impedancias entre ellos deben

ser las mismas o en su defecto la mínima aceptada por el amplificador.

Las impedancias normalizadas de los altavoces son 2, 3.2, 4, 6, 8, 16 y 32

ohmios, pero las más utilizadas son 4 en sonido automotriz, 6 para sistemas

mini componentes, 8 para los sistemas de alta fidelidad, 16 para sistemas

de sonido envolvente (surround) y auriculares.

Por ejemplo, un altavoz tiene las siguientes especificaciones técnicas:

400 W: Potencia.

100 - 16.000 Hz: Es la respuesta en frecuencia del altavoz.

8 Ω: Es la impedancia nominal del altavoz (a 1 kHz).

Si el valor de impedancia cambiara (y, de hecho, ésta no es constante en

todo el rango de frecuencias), cambiaría también la potencia aplicada al

altavoz.

A saber, se tendrá que aplicar la fórmula:

En la que:

P=Potencia

V=tensión en los bornes del amplificador

Z=Impedancia

El primer paso para poder aplicar la fórmula es averiguar cuál es el valor de

la tensión (en voltios):

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Con dicha fuerza electromotriz (E) al cambiar la impedancia del altavoz la

potencia cambiará por tanto:

Si cambiamos el altavoz por uno de, por ejemplo 4 Ω (nominal), la nueva

potencia sería:

Por tanto la potencia aplicada al nuevo altavoz sería:

Como se puede observar, mayor a la obtenida con el altavoz de 8 Ω, esto

puede hacerse siempre y cuando, el amplificador pueda manejar el nuevo

nivel de corriente.

El mismo razonamiento se puede aplicar para otras impedancias y se verá

que la potencia aplicada depende de la impedancia del altavoz.

Sensibilidad

Es el grado de eficiencia en la transducción electroacústica. Es decir, mide

la relación entre el nivel eléctrico de entrada al altavoz y la presión sonora

obtenida.

Suele darse en dB/W, medidos a 1 m de distancia y aplicando una potencia

de 1 W al altavoz (2,83 V sobre 8 Ω).

Los altavoces son transductores electroacústicas con una sensibilidad muy

pobre. Esto se debe a que la mayor parte de la potencia nominal

introducida en un altavoz se disipa en forma de calor.

En los altavoces, a diferencia del micrófono, la sensibilidad no es un

indicativo de “calidad sonora”, pues la práctica ha demostrado que

altavoces de inferior sensibilidad producen mejor “coloración sonora”.

Rendimiento

El rendimiento mide el grado de sensibilidad del altavoz. Es el porcentaje

que indica la relación entre la Potencia acústica radiada y la Potencia

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eléctrica de entrada. Potencia acústica / potencia eléctrica x 100. El

rendimiento de un altavoz es muy bajo, suele estar comprendido entre el 1-

5 %. Si entran 100W salen 1-5W.

Distorsión

El altavoz es uno de los sistemas de audio que presenta mayor distorsión,

por lo que los fabricantes no suelen suministrar al consumidor las cifras de

distorsión de sus altavoces. La distorsión tiene causas muy variadas: flujo

del entrehierro, vibraciones parciales, modulación de frecuencia sobre el

diafragma, alinealidad de las suspensiones, etc.

La mayor parte de la distorsión se concentra en el segundo y tercer

armónico, por lo que afectará en mayor medida a los tonos graves.

Se trata de una distorsión en torno al 10 %.

En las medias y altas frecuencias esta distorsión es

proporcionalmente mucho menor y no llega al 1 %, aunque en las

gargantas de bocinas de alta frecuencia esta distorsión llega hasta

un margen de entre 10 y 15 %.

Direccionalidad

Indica la dirección del sonido a la salida del sistema, es decir, el modo en el

que el sonido se disipa en el entorno.

En realidad, ningún altavoz da una respuesta, pues sea cual sea su

direccionalidad global, siempre son más direccionales cuando se trata de altas

frecuencias (agudos) que cuando se trata de bajas frecuencias (graves).

La forma más gráfica de dar la directivita es mediante un diagrama polar, que

normalmente es recogido en las especificaciones, pues cada modelo tiene una

respuesta concreta.

Un diagrama polar es un dibujo técnico que refleja la radiación del

altavoz en el espacio, en grados, para cada punto de sus ejes

(horizontal y vertical).

Dependiendo de su directividad se puede decir que un cono de

altavoz es:

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omnidireccional.

bidireccional.

cardiode.

Omnidireccional o no direccional

Esquema omnidireccional.

Radian igual en todas direcciones, es decir, en los 360°.

Por la importancia de la frecuencia de resonancia del propio altavoz, es un

diagrama polar muy poco utilizado en altavoces. Los altavoces que utilizan esta

direccionalidad requieren de grandes cajas acústicas.

Bidireccional

El diagrama polar tiene forma de ocho, es simétrico.

Emiten sonido tanto por delante como por detrás de igual forma, mientras que

son prácticamente “mudos” en los laterales.

Los ángulos preferentes se sitúan en torno a los 120º.

Los diagramas polares bidireccionales no se utilizan demasiado por idénticas

razones que los omnidireccionales: requieren de grandes cajas acústicas.

Unidireccionales

Son los altavoces que emiten el sonido en una dirección muy marcada y son

“relativamente silenciosos” en las otras.

Dentro de los direccionales, los más utilizados son los cardiodes. El altavoz

cardiode se llama así porque su diagrama polar tiene forma de corazón (curva

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cardiode), lo que se traduce en que radian hacia la parte frontal y tienen un

mínimo de sensibilidad en su parte posterior, donde se produce una atenuación

gradual.

El ángulo preferente lo alcanza en un ángulo de 180 grados

CAJA ACUSTICA

Introducción

Los altavoces necesitan ir en cajas debido a que la membrana tiene dos lados, uno exterior y otro interior. Cuando el lado exterior de la membrana crea una onda, el interior crea la misma onda pero opuesta, es decir, en fase inversa.

Los sonidos graves mueven una gran cantidad de aire, cuando el lado exterior empuja,

El interior tira. Con presiones elevadas, resulta fácil que la presión del lado exterior y la contraposición del lado interior, den lugar a la cancelación del movimiento y la presión del aire. Este fenómeno se denomina cortocircuito acústico.

Al meter el altavoz en una caja se elimina este problema, pero se crea otro problema menor. La onda creada por la parte interior, se refleja en el fondo de la caja y se puede llegar a encontrar con la creada por la parte exterior. La suma de la onda en diferente fase crea una onda distorsionada, que siempre es diferente a la onda que queremos reproducir.

Para solucionar esto, el fondo del altavoz no debe ser paralelo al frontal, para que la onda reflejada no se junte automáticamente con la onda inicial. Además

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de esto, en el interior de la caja se colocan materiales que absorben la onda del interior.

TIPOS DE CAJAS

Caja Cerrada

Consiste en una caja llena de material absorbente. La calidad del sellado influye en la calidad final del sonido. Es un volumen de aire cerrado, por lo que la Fb (frecuencia de sintonía, frecuencia de resonancia del altavoz dentro de la caja) será siempre mayor que Fs (frecuencia de resonancia de un altavoz sin caja), por ello conviene utilizar altavoces con Fs baja.

Una de sus ventajas es su tamaño moderado, y que la respuesta temporal es buena. Como desventajas, decir que la frecuencia de corte no es muy baja, con un tamaño de caja normal. Además, el aire contenido en la caja, a gran SPL (Sound Pressure Level, nivel de presión sonoro), actúa como un muelle y se crea gran distorsión a alto volumen.

Caja Bass-Reflex

Se trata de una caja parcialmente cerrada llena de material absorbente, pero con un tubo con salida al exterior. Este tubo tiene la función de ofrecer una resistencia entre el aire interior y el exterior, con ello se consigue reforzar las bajas frecuencias.

Su principal ventaja es su buen rendimiento en graves. Los inconvenientes son que la pendiente de atenuación es muy alta, y que cuando se trabaja por debajo de la frecuencia de corte de la caja, el aire contenido en el conducto ya no actúa como resistencia, y el altavoz es como si estuviese funcionando al aire libre. Además la respuesta temporal no es demasiado buena.

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Caja Paso Banda

Se trata de una caja con una pared interior donde se encuentra el altavoz. En uno de los lados hay una sub-caja bass-reflex y en el otro puede haber una bass-reflex (caja de 6º orden), o una caja sellada (4º orden). Se han hecho muy populares últimamente, sobre todo en los sistemas Home Cinema.

Las cajas deben estar muy bien construidas porque la presión en el interior es muy grande, con estas cajas se suele tener la impresión de que sólo se oye una frecuencia.

Como ventaja se puede decir, que el volumen de aire contenido en cada sub-caja actúa como una masa móvil, que hace bajar la frecuencia de sintonía Fb, lo que proporciona una extensión en graves muy importante. Como inconvenientes, la eficiencia baja y la mala respuesta temporal, hacen que la señal sufra retrasos muy altos.

Caja Acústica ELF

CAJA PASABANDA DE ORDEN 4 CAJA PASABANDA DE ORDEN 6

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Es un acrónimo de Exteded Low Frecuency. Es un tipo de caja conocido desde hace tiempo, por lo menos en su principio de funcionamiento, pero no se ha empezado a usar hasta hace poco tiempo, con la aparición de los subwoofer activos para equipos de home cinema. Aun así no está muy extendida por sus serias restricciones, a pesar de tener una ventaja muy importante.

Consiste en una caja sellada con un volumen mucho menor que el necesario. Esto hace que la respuesta decaiga a frecuencias muy altas, entre 100Hz y 150Hz, lo cual no es muy lógico para un subwoofer. Pero mediante una corrección activa esa respuesta se puede dejar plana hasta una determinada frecuencia. Normalmente una caja se considera "usable" a partir de la frecuencia de sintonía (Fb), pero en este tipo concreto de caja se usa desde Fb hacia frecuencias menores. Aquí el aire reduce la elasticidad, equivale a una suspensión más rígida y la frecuencia de sintonía de la caja aumenta, por eso en un altavoz con Fs igual a 40Hz se puede hacer Fb igual a100Hz.

Las ventajas son que el tamaño es sumamente reducido. A falta de confirmar, el subwoofer de Bang&Oluffsen es un ejemplo, un cubo de 25-30 cm de lado. Otra ventaja es que la eliminación de la onda producida por la parte trasera se produce por la propia elasticidad del aire. Por otra parte, la elasticidad del aire contenido y el alto desplazamiento de la membrana hacen que la distorsión sea alta.

Los inconvenientes son serios: al reducir el SPL a -12dB/oct, la corrección debe ser muy fuerte. Las limitaciones por potencia son muy importantes, pero no tanto como las limitaciones por desplazamiento de la membrana.

LABERINTO ACÚSTICO

No existen muchos ejemplos comerciales de este tipo de caja. El más célebre es el Nautilus Prestige de B&W. Consiste en una "caja" muy larga llena de material absorbente que eliminan la onda producida por el interior del diafragma. Concretamente en ese modelo, por las propiedades de los tubos,

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cuando el diámetro es mayor que la longitud de onda, la onda se comporta como una onda plana que se desplaza guiada por el tubo, y no se crean ondas estacionarias, por lo que si el woofer está cortado a frecuencias suficientemente bajas, este tipo de "caja" está libre de coloración y de resonancia.

Acerca de la frecuencia de corte, en principio es una caja sellada mejorada, por lo que la respuesta debe caer con una pendiente de -12dB/oct, pero en el Nautilus decae con una pendiente de -6dB/oct, según dice B&W. La realidad es que debe comportarse como una caja cerrada con una Q menor que la de Bessel, 0,5, con lo cual alcanzará la respuesta de baffle infinito. Con una corrección activa se puede producir fácilmente respuesta plana hasta Fs. Es una caja cerrada, pero con un volumen de aire muy grande que no va a in fluir en la elasticidad, va a ser mucho mayor la del propio altavoz, por lo que Fs~Fb

En un diseño general, a altos SPL puede ocurrir que no toda la onda se absorba, y parte se vea reflejada en el final del laberinto. Por eso la longitud del laberinto debe ser 1/4 de la longitud de onda de la Fs del woofer, para que si esto se produce, halla un refuerzo y no una cancelación.

Una de las ventajas es que es una caja teóricamente libre de resonancias, aunque no existan muchos materiales adecuados para preservar sus características sin añadir resonancias y eliminar el sonido interior. La respuesta se puede extender hasta la misma frecuencia de resonancia del woofer, y además existe sólo un punto de emisión sonora, por lo que tiene menos interacción con la sala.

Inconvenientes. Son cajas grandes, y con muchos materiales absorbentes y estructuras en el interior

MATERIALES ABSORBENTES

La finalidad de un material absorbente es eliminar la onda producida por la parte interior del altavoz. No existen materiales ideales que absorban al 100%

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la energía cinética y la transformen en calor, que no reflejen un porcentaje del sonido y que respondan por igual a todas las frecuencias. La mejor forma de evitar ondas estáticas es evitar las superficies paralelas, por lo que la parte trasera de la caja no debería ser paralela a la frontal, pero esto no se suele hacer por la dificultad de construir la caja.

Fibras

Las fibras son materiales muy poco coherentes, ya que ofrecen resistencia al paso del aire, pero lo dejan pasar. Se puede usar fibra de poliéster, lana o algodón. Aunque las fibras no sean buenas para atenuar graves, las hace extremadamente útiles para atenuar medios y agudos.

Corcho

El corcho es un material muy bueno para frecuencias bajas, dependiendo de su grosor. Tiene una cierta elasticidad, y el sonido tiende a rebotar en él, pero es difícil atravesarlo, por lo que es muy adecuado para recubrir las paredes. Uno de los objetivos de una caja, es evitar que el sonido creado en su interior salga a través de las paredes.

Corcho-Moqueta

La unión de estos materiales puede crear un efecto semejante al efecto invernadero. Cuando una onda rebota, parte se refleja y parte se pierde o se refracta. Las ondas que atraviesan el corcho pierden potencia y lo que queda de esas ondas, pierde más potencia al atravesar la moqueta. Se debe procurar que haya más corcho en el lado de las paredes y menos en el interior de la caja. Sin embargo, para altos SPL esto puede no ser suficiente.

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ENCONADO DE UN ALTAVOZ

Para el enconado de un altavoz es necesario:

- Centrador- Bobina - Cono - Trencilla- Cerco- Cubre polvo- Lija- Navaja o cúter - Pegamento para altavoces - Cautín- Soldadura

PROCEDIMIENTO

Se debe de tener la canastilla completamente limpia cerciorándose de no dejar restos de pegamento o polvo utilizando para este procedimiento un cúter; se cuida que no entre nada de restos de pegamento en donde la va la bobina y ahí se coloca el cubre polvo.

Se coloca la bobina quedando centrada para su correcto funcionamiento; las puntas de la bobina se pasan por encima del cono para poder soldar con la trencilla y con las terminales de salida de la canastilla.

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Nota: se debe usar el centrador para colocar de manera correcta la bobina, al igual que se debe lijar las puntas de la bobina antes de soldar para una mayor continuidad del altavoz.

Teniendo considerado lo anterior se procede a pegar los elementos que son la bobina, el cono y el cubre polvo, se solda la trencilla con las terminales de la bobina y la canastilla (dejando secar 24 hrs aprox.).

MEDICIÓN DE LOS PARAMETROS DEL ALTAVOZ

Los parámetros a medir son modificados por la respuesta propia de los equipos empleados para excitar el altavoz bajo medición, en este caso, se debe conocer la salida del equipo.

Para realizar las mediciones del altavoz emplearemos como excitación un oscilador generador de frecuencias amplitud y frecuencia variable. Se realiza el circuito, en el que se emplea como carga de sí mismo la resistencia de 150 Ω a 5 watts de disipación, colocado en paralelo con la resistencia el multímetro para la medición de voltaje de salida así como el osciloscopio para medición de la frecuencia de trabajo.

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En esta tabla se muestra el voltaje de salida del oscilador con una resistencia de 150Ω a 5W de disipación

Con los valores obtenidos, se puede dibujar la curva de respuesta en una gráfica frecuencia-voltaje del oscilador

frecuencia de oscilador

frecuencia medida

voltaje de salida

20 1.430 2.6340 3.0250 2.2660 1.9970 2.1780 2.1990 2.05100 2.12125 1.96150 1.95175 2.12200 2.16250 2.39300 2.5350 2.4400 2.27450 2.3500 2.29750 2.411.0 Khz 2.41.25 2.611.5 2.61.75 2.92 2.892.5 2.93 2.393.5 2.454 2.515 2.386 2.327 2.278 2.299 2.0910 2.04

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CONSTANTES DEL ALTAVOZ

Utilizando el oscilador de frecuencias y amplitud al igual que dos multímetros digitales y una resistencia de 4.7 Ω a 5 watts se mide ω0 conectando el altavoz al generador de frecuencias en serie con la resistencia. Con el objetivo de excitar el altavoz a un amplitud de corriente constante en todo el rango de frecuencias

Conectar el altavoz al generador de frecuencia y amplitud variable en serie con la resistencia. Con objeto de excitar el altavoz con una amplitud de corriente constante en todo el rango de frecuencias, la caída en la resistencia esto es V1 se mantiene constante y la medición en V2 nos dará una imagen de la variación en función de la frecuencia.

frecuencia de oscilador

Voltaje 1 Voltaje 2

20 7.40 .75030 7.46 .77040 7.36 .98650 7.30 .85360 7.37 .61170 7.34 .58080 7.14 .61090 8.05 .50100 8.03 .559125 8.0 .530150 7.95 .524175 7.91 .548200 7.90 .551250 8.40 .740300 8.25 .814350 8.20 .889400 8.08 .853450 8.06 .810500 7.82 .808750 7.67 .8171.0 Khz 7.66 .7991.25 7.60 .7181.5 7.56 .7461.75 7.51 .7802 7.40 .8802.5 8.50 .8503 8.20 .9623.5 8.06 .9824 7.91 .9555 7.70 .9426 7.56 .9897 7.37 1.0228 7.21 1.0609 7.03 1.08910 6.86 1.117

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En alguna frecuencia de 100 hz, encontraremos un máximo, incrementar las mediciones arriba y debajo de la frecuencia de 2 en 2 hz, hacia arriba y debajo de esta frecuencia para definir con mayor precisión la frecuencia de resonancia. La impedancia eléctrica máxima del altavoz, corresponde a la máxima movilidad mecánica, la que a su vez ocurre a la frecuencia de resonancia fo o ω0.

frecuencia de oscilador

Voltaje 1 Voltaje 2

22 8.29 .55524 8.30 .62126 8.30 .67528 8.30 .71130 8.30 .64832 8.13 .73934 8.12 .99936 8.08 .94438 8.07 .88040 7.86 .83642 7.73 .94044 7.73 .90346 7.72 .87048 7.74 .84550 7.78 .75552 7.81 .70254 7.80 .66256 7.81 .64858 7.82 .64160 7.83 .652

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Como hemos visto, a la frecuencia de resonancia, la velocidad es la misma de tal forma que corresponde el máximo a la frecuencia de resonancia.

CALCULOS

F=mg=kx

K=mgx

=(272x 10−3 ) (9 .81 )(0 .04456−0 .0426)

K=1361 .3877 kgs2

= 1Cms

Cms=734 .54 x 10−6 s2kg

ω0=2π f 0=2 π (35 )=219 .91 rs

ω0=1

√( MMD+2MM 1 )Cms

Dónde:

MM 1=2.67a3ρ0=3 .15 (0 .115 )3=5 .11 x 103gr

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MMD=1

(ω0 )2(Cms)−2MM 1

MMD=1

(226 .19 )2(5.0218 x10−4)−2 (5 .11 x 10−3 )=2.87 gr

Ahora bien:

RMS=ω0 (M MD+MM 1 )

QT

Dónde:

QT=f 0∆ f

= 3546−26

=2.18

∆ f Es cuando cae 3 dB (0.7071) la frecuencia de resonancia, en este caso nuestra frecuencia de resonancia es de 36 Hz.

RMS=(226 .19)¿¿

SD=π a2

SD=π (0 .1175)2=43 .37x 10−3

C AS=(cMS ) (SD )2

C AS=(734 .54 x 10−6 ) (43.37x 10−3 )2=1.38x 10−6

Ahora bien, el valor de f 0=35Hz, realizando los cálculos tenemos que:

f 2=f 0 (2 )=70Hz

Por lo tanto:

α=ω2ω

=2π f 22π f 0

=2.5 Estaes la comprobaci ón .

Por lo tanto:

ω2ω

=α=[1.13 (1+C AS

C AB)]12

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C AB=C AS

α 2

1.13−1

Dónde:

C AB=3.048 x10−7

Finalmente tendremos que:

C AB=V B

γP0

Dónde:

γ=1.4

P0=105 N

m2

.: V B=γP0CAB

V B=(1.4 ) (105 ) (3.049 x 10−7 )=0.0426m3

V B=L3

2

L= 3√2V B=3√2(0.0426)=0.441m=44.1cm

Para la ventana (buffer) tenemos que:

SP≅ SD

SP=b∗h

Dónde:

h = d = 0.30 m

.:

b=SP

h=43.37 x 10

−3

0.30=0.1449m=14.5cm

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL GABINETE

El material que se empleó para la construcción del gabinete es de aglomerado, una madera con un espesor de 15 mm, y como forro interior fibra de vidrio y fieltro para el forro exterior.

Las medidas obtenidas partir de los cálculos para el gabinete son:

H= 56 cm

14 cm

30 cm

L= 50 cm cm

A= 26 cm

36 cm

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Obtenidos los parámetros y medidas de la caja acústica, se procede a comprar el material para su construcción. El material madera y tornillos; la madera previamente cortada con las medidas obtenidas, en seguida se recubre la caja con fibra de vidrio, para evitar vibraciones parasitas.

Se coloca el altavoz en la caja fijándose a esta con los tornillos finalizando de manera exitosa.

BIBLIOGRAFÍA

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-Transductores www.ehu.eus

-Transductores www.pce-iberica.es

-Transductor - Wikipedia, la enciclopedia libre es.wikipedia.org