altavoz de bocina

El megáfono , un simple cono hecho de papel u otro material flexible, es la bocina acústica más antigua y sencilla, utilizada antes de los altavoces como amplificador acústico pasivo para fonógrafos mecánicos y para la voz humana; todavía lo usan animadoras y socorristas. Debido a que la forma de sección cónica describe una porción de una esfera perfecta de sonido radiado, los conos no presentan distorsión de fase ni de amplitud del frente de onda. ^{[ 2 ]} Los pequeños megáfonos utilizados en fonógrafos y como altavoces no eran lo suficientemente largos para reproducir las bajas frecuencias de la música; tenían una alta frecuencia de corte que atenuaba las dos octavas inferiores del espectro sonoro, lo que le daba al megáfono un sonido metálico característico. ^{[ 2 ]}

La bocina exponencial tiene una propiedad de carga acústica que permite que el transductor del altavoz se mantenga uniformemente equilibrado en el nivel de salida en todo su rango de frecuencia. Los beneficios del diseño fueron publicados por primera vez por CR Hanna y J. Slepian en 1924 para el Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos (AIEE). ^{[ 11 ]} Una desventaja importante es que la bocina exponencial permite un estrechamiento del patrón de radiación a medida que aumenta la frecuencia, lo que produce una "concentración" de alta frecuencia en el eje y un sonido apagado fuera del eje. ^{[ 2 ]} Otra preocupación es que se necesita una garganta de pequeño diámetro para una alta eficiencia en altas frecuencias, pero una garganta más grande es mejor para bajas frecuencias. Una solución común es usar dos o más bocinas, cada una con el tamaño de garganta, tamaño de boca y tasa de expansión apropiados para el mejor rendimiento en un rango de frecuencia seleccionado, con suficiente superposición entre los rangos de frecuencia para proporcionar una transición suave entre las bocinas. Otra solución probada a finales de la década de 1930 por Harry F. Olson de RCA fue usar múltiples tasas de expansión exponencial, ya sea conectando bocinas cada vez más grandes en serie o subdividiendo el interior de una sola bocina. ^{[ 12 ]} Algunos diseñadores siguen utilizando bocinas exponenciales, y en algunas aplicaciones. ^{[ 13 ]}

Multicelular

Varias bocinas simétricas, de dispersión estrecha y generalmente exponenciales, pueden combinarse en una matriz impulsada por un solo transductor para producir bocinas multicelulares. Patentadas en 1936 por Edward C. Wente de Western Electric , ^{[ 14 ]} las bocinas multicelulares se han utilizado en altavoces desde 1933 para abordar el problema de la directividad en frecuencias más altas y proporcionan una excelente carga de baja frecuencia. Su control direccional comienza a direccionar tanto vertical como horizontalmente en el centro de su rango de frecuencia objetivo, estrechándose aún más en frecuencias altas ^{[ 2 ]} con cambios de nivel de hasta 10 dB entre lóbulos. ^{[ 15 ]} Las bocinas multicelulares son complejas y difíciles de fabricar y, por lo tanto, tienen un costo asociado más alto. Persistieron en aplicaciones de megafonía durante muchos años porque, incluso con sus defectos, sonaban muy bien, y aún lo hacen con un diseño competente. ^{[ 16 ]} El revolucionario controlador coaxial, el Altec Lansing Duplex 601 y 604, utilizó una bocina multicelular para su componente de alta frecuencia desde 1943 hasta 1998. ^{[ 17 ]}

Radial, sectorial y de difracción

Las bocinas radiales tienen dos superficies basadas en una tasa de expansión exponencial y dos paredes rectas que determinan el patrón de salida. La bocina radial exhibe parte de la direccionalidad de la bocina exponencial. ^{[ 2 ]} Las bocinas sectoriales de Altec eran bocinas radiales con paletas colocadas en la boca de la bocina con el propósito declarado de controlar el patrón. Para facilitar el montaje en gabinetes de altavoces, se han utilizado bocinas radiales de frente plano, por ejemplo, por Community en su bocina de alta frecuencia SQ 90. ^{[ 18 ]} La bocina de difracción o "Smith" de JBL era una variación del diseño radial, que utilizaba una dimensión vertical muy pequeña en la boca como método para evitar la direccionalidad horizontal de rango medio de las bocinas radiales que tienen una dimensión vertical mayor en la boca.

La bocina de difracción ha sido popular en diseños de monitores y para aplicaciones de megafonía de campo cercano que se benefician de su amplio patrón de dispersión horizontal. ^{[ 15 ]} Contrariamente a lo que se podría pensar, la estrecha dimensión vertical proporcionó un patrón de salida vertical expansivo que se aproximaba a 90° para frecuencias de una longitud de onda igual a la estrecha dimensión vertical. ^{[ 16 ]} En 1991 se diseñó una versión muy pequeña de la bocina de difracción en el transductor de ultra alta frecuencia JBL modelo 2405H, que produjo un patrón de salida de 90° x 35° a 20 kHz . ^{[ 19 ]}

La bocina tractrix es muy similar en muchos aspectos a la bocina exponencial y ha ganado adeptos entre los aficionados a las bocinas de bricolaje , los consumidores audiófilos y algunos fabricantes. ^{[ 20 ]} Utiliza una fórmula de curva derivada al suponer que una tangente a cualquier punto de la curva interna de la bocina alcanzará el eje central de la misma con un segmento de línea de longitud fija. En la boca, el segmento de línea tangente se vuelve perpendicular al eje y describe el radio de la boca. Este concepto de bocina fue estudiado por Paul GAH Voigt a mediados de la década de 1920 y patentado en 1927. ^{[ 21 ]} El tamaño de la bocina tractrix se genera especificando el "corte" o límite de baja frecuencia deseado, que determinará el diámetro de la boca. ^{[ 20 ]} Dos mejoras incrementales con respecto a la bocina exponencial incluyen un soporte ligeramente mejor para la extensión de baja frecuencia y un patrón de cobertura de alta frecuencia algo más amplio. ^{[ 20 ]}

En mayo de 1975, ^{[ 22 ]} para abordar los problemas de cambio de ancho de haz en diferentes frecuencias, D. Broadus "Don" Keele, Jr. de Electro-Voice introdujo una bocina híbrida con una tasa de expansión exponencial cerca de la garganta seguida de una sección de expansión cónica y terminando con una brida que se ensancha rápidamente en la boca. ^{[ 23 ]} La brida en la boca resolvió algunos problemas restantes con lobulación en frecuencias más altas. ^{[ 16 ]} Don Keele especificó en una versión de su diseño un ensanchamiento horizontal más ancho para el control del patrón apropiado para propósitos de megafonía. El artículo de Keele ^{[ 24 ]} estableció las relaciones entre el tamaño de la boca, la frecuencia y el ángulo de cobertura, proporcionando una base para muchos desarrollos futuros del diseño de bocinas. ^{[ 16 ]} Un problema encontrado con las bocinas de directividad constante es que el patrón de cobertura horizontal no se puede estrechar sin hacer que el patrón de cobertura vertical sea demasiado pequeño para ser útil. ^{[ 2 ]}

Birradial

Para 1980, Keele estaba en JBL, donde llevó sus diseños y los de Altec un paso más allá. Combinó una bocina de difracción al estilo JBL con una bocina secundaria que consistía en lados curvados exponencialmente, derivados mediante el uso de dos fórmulas radiales. Esto dio como resultado una bocina híbrida de directividad constante que estaba libre de los componentes de distorsión asociados con cambios abruptos de ángulo. ^{[ 25 ]} El mercado respondió bien al diseño en productos como el monitor de estudio JBL modelo 4430 con su bocina de alta frecuencia Bi-Radial modelo 2344 de 100° × 100°, a menudo llamada "nalgas". ^{[ 30 ]} El diseño Bi-Radial tenía problemas con el ápice aparente y la capacidad de arreglo de la misma manera que el Mantaray. ^{[ 2 ]}

En 1996, Ralph D. Heinz de Renkus-Heinz recibió una patente para una bocina de entrada múltiple que incorporaba varios transductores para dos bandas de paso, alta y media, cuyas ondas sonoras salían todas en una sola bocina pero a diferentes distancias dependiendo de la banda de paso. Se comercializó como la bocina "CoEntrant". ^{[ 41 ]} Los transductores de frecuencia media y alta en la línea de productos Renkus-Heinz ST/STX salían a través de una guía de ondas "Complex Conic". ^{[ 42 ]} A finales de la década de 1990, Thomas J. "Tom" Danley de Sound Physics Labs comenzó a trabajar en una bocina de entrada múltiple de tres vías, llevando al mercado el SPL-td1 en 2000. ^{[ 43 ]} El diseño utilizaba siete transductores, con un transductor de alta frecuencia en la garganta de la bocina, cuatro transductores de frecuencia media cerca de la garganta y dos transductores de baja frecuencia con puerto más cerca de la boca de la bocina. En 2001, Tom Danley comenzó a desarrollar la bocina "Unity" para Yorkville Sound , patentando la mejora en 2002. ^{[ 44 ]} Tras el lanzamiento en 2003 de la línea Unity de Yorkville, ^{[ 45 ]} Danley formó Danley Sound Labs y desarrolló una mejora significativa sobre el SPL-td1 llamada bocina "Synergy", que produjo una respuesta de fase y magnitud sustancialmente mejor junto con un patrón polar más suave. El diseño de la bocina Synergy proporcionó una mayor potencia de salida desde una caja de altavoz más pequeña . ^{[ 46 ]} Debido a que el diseño mantiene el control del patrón a través de sus regiones de cruce y en un amplio rango de su ancho de banda total, y debido a que el centro acústico del diseño está cerca de la parte posterior de la caja, se combina más fácilmente en arreglos para aplicaciones de megafonía. ^{[ 47 ]}

El término «guía de ondas» se utiliza para describir bocinas con baja carga acústica, como las bocinas cónicas, cuadráticas, esferoidales achatadas o cilíndricas elípticas. Estas se diseñan más para controlar el patrón de radiación que para aumentar la eficiencia mediante una mayor carga acústica. Todas las bocinas ofrecen cierto control del patrón, y todas las guías de ondas proporcionan un grado de carga acústica, por lo que la diferencia entre una guía de ondas y una bocina es una cuestión de criterio. ^{[ 48 ]}

En 1999, Charlie Hughes de Peavey Electronics solicitó una patente para una bocina híbrida que denominó Guía de Ondas de Garganta Cuadrática (QT). ^{[ 49 ]} La bocina era básicamente una sección cónica simple, pero su garganta estaba curvada en un arco circular para ajustarse al tamaño deseado y lograr un acoplamiento adecuado con el transductor del altavoz. En lugar de aumentar el tamaño de la boca de la bocina con una abertura para controlar la direccionalidad de las frecuencias medias, se encontró que una capa relativamente delgada de espuma que cubría el borde de la boca era adecuada para el mismo fin. La guía de ondas QT, en comparación con las bocinas de CD populares, producía niveles de distorsión armónica de segundo orden entre 3 y 4 dB más bajos en todas las frecuencias, y un promedio de 9 dB menos de la distorsión armónica de tercer orden, que es más molesta. Al no tener una ranura de difracción, la guía de ondas QT no presentaba problemas de ápice aparente, lo que permitía su configuración en arreglos según fuera necesario para fines de megafonía. ^{[ 2 ]}

Los diseños de bocinas de guía de onda esferoidal oblata (OSWG) mejoran el control del patrón de directividad por encima de 1  kHz, proporcionan una frecuencia de directividad más baja para adaptarse mejor al transductor de rango medio y, como afirma el inventor Dr. Earl Geddes, mitigan los modos de orden superior, una forma de distorsión de fase y amplitud. La limitación práctica de la longitud de la bocina no se aborda explícitamente en la teoría de OSWG. ^{[ 50 ]}

El altavoz de bocina reentrante (o de reflexión), o bocina de megafonía, es un tipo de altavoz de bocina plegada muy utilizado en sistemas de megafonía . Para reducir el tamaño de la bocina, el sonido sigue una trayectoria en zigzag a través de conductos concéntricos que se expanden exponencialmente en la proyección central (b, c) , emergiendo de la bocina exterior (d) . Fue inventado en la década de 1940.

Los altavoces de bocina se utilizan en numerosas aplicaciones de audio. Los transductores de estos altavoces pueden ser muy pequeños, incluso para frecuencias graves , donde los altavoces convencionales necesitarían ser muy grandes para obtener un rendimiento equivalente. Los altavoces de bocina pueden diseñarse para reproducir un amplio rango de frecuencias con un único transductor pequeño; hasta cierto punto, pueden diseñarse sin necesidad de un filtro divisor de frecuencias .

Los altavoces de bocina también pueden utilizarse para proporcionar los niveles de presión sonora muy altos necesarios para el refuerzo de sonido y las aplicaciones de megafonía, aunque en estas aplicaciones de alta presión sonora, la alta fidelidad a veces se ve comprometida en aras de la eficiencia necesaria, y también por las características de dispersión controlada que generalmente se requieren en la mayoría de los espacios de gran volumen. "Gunness Focusing", un nuevo método para contrarrestar algunas de las distorsiones de la bocina, especialmente en el dominio del tiempo, fue desarrollado por Dave Gunness mientras trabajaba en Eastern Acoustic Works (EAW). Los altavoces de bocina de EAW que han sido procesados ​​con este sistema patentado muestran una distorsión de desenfoque temporal reducida del diafragma/ tapón de fase del driver de compresión , manteniendo al mismo tiempo una alta potencia de salida y una dispersión controlada. ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]}

En las salas de conciertos se suelen utilizar grandes conjuntos de altavoces de bocina para la reproducción de graves a alto volumen ( subwoofers o cajas acústicas ), con el fin de proporcionar graves que los asistentes no solo puedan oír, sino también sentir. La combinación de varios altavoces de bocina en un conjunto ofrece las mismas ventajas que tener una sola bocina con una mayor superficie de entrada: la frecuencia de corte de bajas frecuencias se extiende más a medida que aumenta el tamaño de la boca de la bocina, y el conjunto cuenta con la mayor potencia de salida de varios transductores.

Las salas de cine comerciales suelen utilizar altavoces con bocina para controlar el patrón de sonido y aumentar la sensibilidad necesaria para llenar una sala grande.

Los sistemas de audio para el consumidor emplean altavoces de bocina para lograr una directividad controlada (para limitar las reflexiones de audio en las superficies de la habitación, como paredes, suelo y techo) y para una mayor sensibilidad del altavoz .

Los altavoces de bocina ofrecen una eficiencia muy alta, lo que los convierte en una buena opción para amplificadores de baja potencia , como los amplificadores de triodo de un solo extremo u otros amplificadores de válvulas . Tras la Segunda Guerra Mundial, algunos aficionados a la alta fidelidad llegaron incluso a construir bocinas de baja frecuencia cuyas bocas ocupaban gran parte de una pared de la sala de escucha. En ocasiones, las gargantas se ubicaban en el jardín o en el sótano. Con la llegada del estéreo en la década de 1960, este enfoque se volvió poco común. Muchos compradores y aficionados al bricolaje buscaban diseños más pequeños por razones estéticas.

Algunos audiófilos utilizan altavoces de bocina para la reproducción de audio, mientras que otros los rechazan debido a sus resonancias armónicas, que consideran una forma desagradable de distorsión . Dado que existen diversos diseños de bocina (con diferentes longitudes, materiales y conicidades), así como distintos transductores, resulta, hasta cierto punto, imposible generalizar las características de los altavoces de bocina. Los audiófilos que utilizan amplificadores de baja potencia, a veces de entre 5 y 25 vatios, pueden encontrar especialmente atractiva la alta eficiencia de estos altavoces. Por otro lado, su alta sensibilidad también puede hacer que cualquier ruido de fondo presente en las salidas del amplificador sea notablemente peor.

Las bandas sonoras de las películas tienen un gran rango dinámico, donde los niveles pico son 20  dB superiores a los niveles promedio. La alta sensibilidad de los altavoces de bocina ayuda a lograr niveles de sonido de sala de cine en la posición de escucha con receptores/amplificadores típicos de ~100 vatios por canal utilizados en el cine en casa . ^{[ 56 ]}

Los altavoces de bocina se pueden instalar y utilizar en vehículos motorizados . Son comúnmente utilizados por vehículos de emergencia para amplificar sus sirenas y por camiones de helados para amplificar su música. Otros usos incluyen sistemas de megafonía móviles para eventos al aire libre, publicidad o protestas públicas .