Altoparlante

El primer altavoz experimental de bobina móvil (también llamado dinámico ) fue inventado por Oliver Lodge en 1898. ^{[ 5 ]} Los primeros altavoces prácticos de bobina móvil fueron fabricados por el ingeniero danés Peter L. Jensen y Edwin Pridham en 1915, en Napa, California . ^{[ 6 ]} Al igual que los altavoces anteriores, estos utilizaban bocinas para amplificar el sonido producido por un pequeño diafragma. A Jensen se le denegaron las patentes. Al no lograr vender su producto a las compañías telefónicas, en 1915 cambiaron su mercado objetivo a las radios y los sistemas de megafonía , y denominaron a su producto Magnavox . Durante años después de la invención del altavoz, Jensen fue copropietario de The Magnavox Company. ^{[ 7 ]}

Prototipo de altavoz de cono de bobina móvil de Kellogg and Rice en 1925, con el electroimán retraído, mostrando la bobina móvil unida al cono.

La primera versión comercial del altavoz, que se vendía con el receptor RCA Radiola, tenía un cono de tan solo seis pulgadas. En 1926 se vendía por 250 dólares, lo que equivaldría a unos 3000 dólares actuales.

El principio de bobina móvil comúnmente utilizado hoy en día en los altavoces fue patentado en 1925 por Edward W. Kellogg y Chester W. Rice . ^{[ 8 ] [ 9 ]} La diferencia clave entre los intentos anteriores y la patente de Rice y Kellogg es el ajuste de los parámetros mecánicos para proporcionar una respuesta de frecuencia razonablemente plana . ^{[ 10 ]}

Estos primeros altavoces utilizaban electroimanes , ya que los imanes permanentes grandes y potentes no solían estar disponibles a un precio razonable. La bobina de un electroimán, llamada bobina de campo, se energizaba mediante una corriente que pasaba a través de un segundo par de conexiones al transductor. Este devanado generalmente cumplía una doble función, actuando también como bobina de choque , filtrando la fuente de alimentación del amplificador al que estaba conectado el altavoz. ^{[ 11 ]} La ondulación de CA en la corriente se atenuaba al pasar a través de la bobina de choque. Sin embargo, las frecuencias de la línea de CA tendían a modular la señal de audio que llegaba a la bobina móvil y contribuían al zumbido audible. ^{[ 12 ]} En 1930, Jensen presentó el primer altavoz comercial de imán fijo; sin embargo, los grandes y pesados ​​imanes de hierro de la época eran poco prácticos y los altavoces de bobina de campo siguieron predominando hasta la amplia disponibilidad de imanes de alnico ligeros después de la Segunda Guerra Mundial.

En la década de 1930, los fabricantes de altavoces comenzaron a combinar dos y tres transductores o conjuntos de transductores, cada uno optimizado para un rango de frecuencia diferente, con el fin de mejorar la respuesta de frecuencia y aumentar el nivel de presión sonora. ^{[ 13 ]} En 1937, el primer sistema de altavoces estándar de la industria cinematográfica, el Shearer Horn System for Theatres , un sistema de dos vías, fue desarrollado bajo los auspicios de Metro-Goldwyn-Mayer. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Utilizaba cuatro transductores de baja frecuencia de 15 pulgadas, una red de cruce configurada para 375 Hz y una bocina multicelular única con dos transductores de compresión que proporcionaban las altas frecuencias. John Kenneth Hilliard , James Bullough Lansing y Douglas Shearer desempeñaron un papel en la creación del sistema. En la Feria Mundial de Nueva York de 1939 , se montó un sistema de megafonía bidireccional muy grande en una torre en Flushing Meadows . Los ocho transductores de baja frecuencia de 27 pulgadas fueron diseñados por Rudy Bozak en su papel de ingeniero jefe de Cinaudagraph. ^{[ 16 ]} 

Altec Lansing presentó el 604 , que se convirtió en su controlador coaxial Duplex más famoso , en 1943. Incorporaba una bocina de alta frecuencia que enviaba el sonido a través de un orificio en la pieza polar de un woofer de 15 pulgadas para un rendimiento de fuente casi puntual. ^{[ 17 ]} El sistema de altavoces "Voice of the Theatre" de Altec se vendió por primera vez en 1945, ofreciendo mayor coherencia y claridad a los altos niveles de salida necesarios en las salas de cine. ^{[ 18 ]} La Academia de Artes y Ciencias Cinematográficas comenzó inmediatamente a probar sus características sonoras; lo convirtieron en el estándar de la industria cinematográfica en 1955. ^{[ 19 ]}

En 1954, Edgar Villchur desarrolló el principio de suspensión acústica para el diseño de altavoces. Esto permitió una mejor respuesta de graves que la que se obtenía anteriormente con transductores montados en cajas más grandes. ^{[ 20 ]} Junto con su socio Henry Kloss, fundó la empresa Acoustic Research para fabricar y comercializar sistemas de altavoces que utilizaban este principio. ^{[ 21 ]} Posteriormente, los continuos avances en el diseño de las cajas y los materiales dieron lugar a mejoras audibles significativas. ^{[ 22 ]}

Las mejoras más notables hasta la fecha en los transductores dinámicos modernos y en los altavoces que los emplean son las mejoras en los materiales de los conos, la introducción de adhesivos de alta temperatura, la mejora de los materiales de los imanes permanentes , las técnicas de medición más avanzadas, el diseño asistido por ordenador y el análisis de elementos finitos. A bajas frecuencias, la teoría de redes eléctricas de Thiele/Small se ha utilizado para optimizar la sinergia entre el transductor de graves y la caja acústica desde principios de la década de 1970. ^{[ 23 ]}

Un transductor de rango completo o amplio es un altavoz diseñado para reproducir un canal de audio de forma independiente, sin la ayuda de otros transductores, por lo que debe cubrir el rango de frecuencias de audio requerido por la aplicación. Estos transductores son pequeños, generalmente de 7,6 a 20,3 cm (3 a 8 pulgadas ) de diámetro para permitir una respuesta de alta frecuencia adecuada, y están cuidadosamente diseñados para ofrecer una salida con baja distorsión en bajas frecuencias, aunque con un nivel de salida máximo reducido. Los transductores de rango completo se encuentran, por ejemplo, en sistemas de megafonía, televisores, radios pequeñas, intercomunicadores y algunos altavoces de ordenador . 

En los sistemas de altavoces de alta fidelidad , el uso de transductores de amplio rango puede evitar interacciones indeseables entre varios transductores causadas por la ubicación no coincidente de los mismos o problemas en el filtro divisor de frecuencias, pero también puede limitar la respuesta en frecuencia y la capacidad de salida (sobre todo en bajas frecuencias). Los sistemas de altavoces de alta fidelidad construidos con transductores de amplio rango pueden requerir cajas acústicas grandes, complejas o costosas para alcanzar un rendimiento óptimo.

Los altavoces de rango completo suelen emplear un cono adicional llamado whizzer : un cono pequeño y ligero unido a la unión entre la bobina móvil y el cono principal. El cono whizzer extiende la respuesta de alta frecuencia del altavoz y amplía su directividad en altas frecuencias, que de otro modo se vería muy reducida debido a que el material del diámetro exterior del cono no logra seguir el ritmo de la bobina móvil central a frecuencias más altas. El cono principal en un diseño whizzer se fabrica de manera que se flexione más en el diámetro exterior que en el centro. Como resultado, el cono principal reproduce las bajas frecuencias y el cono whizzer contribuye con la mayor parte de las altas frecuencias. Dado que el cono whizzer es más pequeño que el diafragma principal, la dispersión de salida en altas frecuencias mejora en comparación con un diafragma único equivalente de mayor tamaño.

Los transductores de rango limitado, que también se utilizan solos, se encuentran habitualmente en ordenadores, juguetes y radios-reloj . Estos transductores son menos complejos y más económicos que los de amplio rango, y su tamaño puede verse seriamente comprometido para adaptarse a espacios de montaje muy reducidos. En estas aplicaciones, la calidad del sonido no es una prioridad.

Un enfoque similar combina varios transductores de rango completo idénticos con ecualización activa . Un ejemplo conocido es el altavoz Bose 901, presentado en 1968 por Bose. El 901 utiliza nueve pequeños transductores de rango completo y carece de un filtro divisor de frecuencias pasivo. La respuesta de frecuencia general se establece mediante un ecualizador activo externo. La arquitectura del sistema se describe en las patentes de Bose sobre ecualización de altavoces ^{[ 30 ]} y se ha analizado en revisiones técnicas posteriores de sistemas de altavoces multitransductor ecualizados, incluyendo análisis del 901 ^{[ 31 ].}

Un subwoofer es un controlador de graves utilizado solo para la parte más baja del espectro de audio: típicamente por debajo de 200  Hz para sistemas de consumo, ^{[ 32 ]} por debajo de 100  Hz para sonido profesional en vivo, ^{[ 33 ]} y por debajo de 80  Hz en sistemas aprobados por THX . ^{[ 34 ]} Debido a que el rango de frecuencias previsto es limitado, el diseño del sistema de subwoofer suele ser más simple en muchos aspectos que para los altavoces convencionales, a menudo consistiendo en un solo controlador encerrado en una caja adecuada. Dado que el sonido en este rango de frecuencia puede fácilmente curvarse alrededor de las esquinas por difracción , la abertura del altavoz no tiene que estar orientada hacia el público, y los subwoofers pueden montarse en la parte inferior de la caja, orientados hacia el suelo. Esto se facilita por las limitaciones de la audición humana en bajas frecuencias; dichos sonidos no pueden ubicarse en el espacio debido a sus grandes longitudes de onda en comparación con las frecuencias más altas, que producen efectos diferenciales en los oídos debido a la sombra de la cabeza y la difracción a su alrededor, en las cuales nos basamos para obtener pistas de localización.

Para reproducir con precisión las notas graves más bajas, los sistemas de subwoofer deben estar sólidamente construidos y correctamente reforzados para evitar ruidos indeseados por vibraciones de la caja. Por consiguiente, los buenos subwoofers suelen ser bastante pesados. Muchos sistemas de subwoofer incluyen amplificadores de potencia integrados y filtros subsónicos electrónicos , con controles adicionales relevantes para la reproducción de bajas frecuencias (por ejemplo, un potenciómetro de cruce y un interruptor de fase). Estas variantes se conocen como subwoofers activos o autoamplificados . ^{[ 35 ]} En cambio, los subwoofers pasivos requieren amplificación externa.

En las instalaciones típicas, los subwoofers se encuentran físicamente separados del resto de las cajas acústicas. Debido al retardo de propagación y a su posicionamiento, su salida puede estar desfasada con respecto al resto del sonido. Por consiguiente, el amplificador de potencia de un subwoofer suele contar con un ajuste de retardo de fase que puede utilizarse para mejorar el rendimiento del sistema en su conjunto. Los subwoofers se utilizan ampliamente en sistemas de refuerzo de sonido para grandes conciertos y recintos de tamaño medio. Las cajas de los subwoofers suelen estar construidas con un puerto bass reflex , una característica de diseño que, si está bien diseñada, mejora el rendimiento de los graves y aumenta la eficiencia.

Un woofer es un transductor que reproduce las bajas frecuencias. Este transductor trabaja en conjunto con las características de la caja acústica para producir las frecuencias bajas adecuadas. Algunos sistemas de altavoces utilizan un woofer para las frecuencias más bajas, a veces con la suficiente eficacia como para no necesitar un subwoofer. Además, algunos altavoces utilizan el woofer para gestionar las frecuencias medias, eliminando así el transductor de rango medio.

Un altavoz de rango medio es un transductor que reproduce una banda de frecuencias generalmente entre 1 y 6  kHz, también conocida como frecuencias medias (entre el woofer y el tweeter). Los diafragmas de los transductores de rango medio pueden ser de papel o materiales compuestos y pueden ser de radiación directa (similares a los woofers más pequeños) o de compresión (similares a algunos diseños de tweeter). Si el transductor de rango medio es de radiación directa, se puede montar en el panel frontal de la caja acústica; si es de compresión, se puede montar en la garganta de una bocina para aumentar el nivel de salida y controlar el patrón de radiación.

Un tweeter es un transductor de alta frecuencia que reproduce las frecuencias más altas en un sistema de altavoces. Un problema importante en el diseño de tweeters es lograr una amplia cobertura angular del sonido (respuesta fuera del eje), ya que el sonido de alta frecuencia tiende a salir del altavoz en haces estrechos. Los tweeters de cúpula blanda se encuentran ampliamente en sistemas estéreo domésticos, y los transductores de compresión con bocina son comunes en el refuerzo de sonido profesional. Los tweeters de cinta han ganado popularidad a medida que la potencia de salida de algunos diseños se ha incrementado a niveles útiles para el refuerzo de sonido profesional, y su patrón de salida es amplio en el plano horizontal, un patrón que tiene aplicaciones convenientes en el sonido de conciertos. ^{[ 36 ]}

Un transductor coaxial es un transductor de altavoz con dos o más transductores concéntricos combinados. Los transductores coaxiales han sido fabricados por Altec , Tannoy , Pioneer , KEF , SEAS, B&C Speakers, BMS, Cabasse y Genelec . ^{[ 37 ]}

El crossover, utilizado en sistemas de altavoces multitransmisor , es un conjunto de filtros que separan la señal de entrada en diferentes bandas de frecuencia según las necesidades de cada transductor. De esta forma, los transductores reciben potencia únicamente en el rango de frecuencia para el que fueron diseñados, lo que reduce la distorsión y la interferencia entre ellos. Los crossovers pueden ser pasivos o activos .

Un crossover pasivo es un circuito electrónico que utiliza una combinación de uno o más resistores , inductores y capacitores . Estos componentes se combinan para formar una red de filtrado y, por lo general, se colocan entre el amplificador de potencia de rango completo y los drivers de los altavoces para dividir la señal del amplificador en las bandas de frecuencia necesarias antes de que llegue a cada driver. Los circuitos de crossover pasivo no necesitan alimentación externa más allá de la propia señal de audio, pero tienen algunas desventajas: pueden requerir inductores y capacitores de mayor tamaño debido a los requisitos de manejo de potencia. A diferencia de los crossovers activos, que incluyen un amplificador incorporado, los crossovers pasivos tienen una atenuación inherente dentro de la banda de paso , lo que generalmente conlleva una reducción del factor de amortiguación antes de la bobina móvil.

Un crossover activo es un circuito de filtro electrónico que divide la señal en bandas de frecuencia individuales antes de la amplificación de potencia, lo que requiere al menos un amplificador de potencia para cada banda. El filtrado pasivo también puede utilizarse de esta manera antes de la amplificación de potencia, pero es una solución poco común, ya que es menos flexible que el filtrado activo. Cualquier técnica que utilice filtrado de crossover seguido de amplificación se conoce comúnmente como biamplificación, triamplificación, cuádruple amplificación, etc., según el número mínimo de canales de amplificación. ^{[ 38 ]}

Algunos diseños de altavoces utilizan una combinación de filtrado de cruce pasivo y activo, como un cruce pasivo entre los transductores de frecuencia media y alta y un cruce activo para el transductor de baja frecuencia. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Los filtros divisores de frecuencia pasivos se instalan comúnmente dentro de las cajas de los altavoces y son, con diferencia, el tipo de filtro más frecuente para uso doméstico y de baja potencia. En los sistemas de audio para automóviles, los filtros divisores de frecuencia pasivos pueden estar en una caja separada, necesaria para acomodar el tamaño de los componentes utilizados. Los filtros divisores de frecuencia pasivos pueden ser simples para filtrado de bajo orden o complejos para permitir pendientes pronunciadas como 18 o 24  dB por octava. También pueden diseñarse para compensar características no deseadas de resonancias del transductor, la bocina o la caja, y su implementación puede ser compleja debido a la interacción entre los componentes. Los filtros divisores de frecuencia pasivos, al igual que las unidades de transductor a las que alimentan, tienen límites de manejo de potencia, pérdidas de inserción y modifican la carga que ve el amplificador. Estos cambios son motivo de preocupación para muchos en el mundo del audio de alta fidelidad. Cuando se requieren altos niveles de salida, los filtros divisores de frecuencia activos pueden ser preferibles. Los filtros divisores de frecuencia activos pueden ser circuitos simples que emulan la respuesta de una red pasiva o pueden ser más complejos, permitiendo ajustes de audio extensos. Algunos crossovers activos, generalmente sistemas digitales de gestión de altavoces, pueden incluir componentes electrónicos y controles para la alineación precisa de la fase y el tiempo entre las bandas de frecuencia, ecualización, compresión del rango dinámico y limitación .

La mayoría de los sistemas de altavoces constan de transductores montados en una caja o gabinete. La función de la caja es evitar que las ondas sonoras que emanan de la parte posterior del transductor interfieran destructivamente con las que emanan de la parte frontal. Las ondas sonoras emitidas desde la parte posterior están desfasadas 180° con respecto a las emitidas hacia adelante, por lo que, sin una caja, suelen provocar cancelaciones que degradan significativamente el nivel y la calidad del sonido en las bajas frecuencias.

El montaje más sencillo para los altavoces consiste en un panel plano ( bafle ) con los altavoces instalados en orificios. Sin embargo, en este método, las frecuencias sonoras con una longitud de onda mayor que las dimensiones del bafle se cancelan debido a que la radiación en antifase de la parte posterior del cono interfiere con la radiación de la parte frontal. Con un panel infinitamente grande, esta interferencia podría evitarse por completo. Una caja sellada suficientemente grande puede aproximarse a este comportamiento. ^{[ 41 ] [ 42 ]}

Dado que los paneles de dimensiones infinitas son imposibles, la mayoría de las cajas acústicas funcionan conteniendo la radiación trasera del diafragma móvil. Una caja sellada impide la transmisión del sonido emitido desde la parte posterior del altavoz al confinarlo en una caja rígida y hermética. Las técnicas utilizadas para reducir la transmisión del sonido a través de las paredes de la caja incluyen paredes más gruesas, refuerzos internos y materiales de pared con mayor capacidad de absorción.

Sin embargo, una caja acústica rígida refleja el sonido internamente, el cual puede transmitirse de vuelta a través del diafragma del altavoz, lo que nuevamente resulta en una degradación de la calidad del sonido. Esto se puede reducir mediante la absorción interna utilizando materiales absorbentes como lana de vidrio , lana o fibra sintética dentro de la caja. La forma interna de la caja también se puede diseñar para reducir este efecto reflejando los sonidos lejos del diafragma del altavoz, donde pueden ser absorbidos.

Otros tipos de cajas acústicas modifican la radiación sonora trasera para que se sume de forma constructiva a la salida frontal del cono. Los diseños que utilizan esta técnica (como el bass reflex , el radiador pasivo , la línea de transmisión , etc.) se emplean a menudo para extender la respuesta efectiva en bajas frecuencias y aumentar la salida de bajas frecuencias del altavoz.

Para lograr una transición lo más fluida posible entre los transductores, los diseñadores de sistemas han intentado sincronizarlos moviendo uno o más puntos de montaje hacia adelante o hacia atrás, de modo que el centro acústico de cada transductor se encuentre en el mismo plano vertical. Esto también puede implicar inclinar el transductor hacia atrás, proporcionar un soporte de caja independiente para cada uno o utilizar técnicas electrónicas para conseguir el mismo efecto. Estos intentos han dado como resultado diseños de cajas acústicas poco convencionales.

El sistema de montaje de los altavoces (incluidas las cajas) también puede provocar difracción, lo que genera picos y valles en la respuesta de frecuencia. El problema suele ser mayor en las frecuencias más altas, donde las longitudes de onda son similares o menores que las dimensiones de la caja.

altavoces de bocina

Los altavoces de bocina son la forma más antigua de sistema de altavoces. El uso de bocinas como megáfonos para amplificar la voz se remonta al menos al siglo XVII, ^{[ 43 ]} y se utilizaban en gramófonos mecánicos ya en 1877. Los altavoces de bocina emplean una guía de ondas con forma específica delante o detrás del transductor para aumentar la directividad del altavoz y transformar una condición de alta presión y diámetro pequeño en la superficie del cono del transductor en una condición de baja presión y diámetro grande en la boca de la bocina. Esto mejora la adaptación de impedancia acústica-electromecánica entre el transductor y el aire ambiente, aumentando la eficiencia y concentrando el sonido en un área más estrecha.

El tamaño de la garganta, la boca, la longitud de la bocina, así como la tasa de expansión del área a lo largo de ella deben elegirse cuidadosamente para que coincidan con el transductor y proporcionen adecuadamente esta función transformadora en un rango de frecuencias. ^{[ a ]} ​​La longitud y el área de la sección transversal de la boca requeridas para crear una bocina de graves o subgraves determinan una bocina de varios pies de largo. Las bocinas plegadas pueden reducir el tamaño total, pero obligan a los diseñadores a hacer concesiones y aceptar un mayor costo y complicaciones de construcción. Algunos diseños de bocina no solo pliegan la bocina de baja frecuencia, sino que utilizan las paredes de una esquina de la habitación como una extensión de la boca de la bocina. A finales de la década de 1940, las bocinas cuyas bocas ocupaban gran parte de una pared de la habitación no eran desconocidas entre los aficionados al hi-fi. Las instalaciones del tamaño de una habitación se volvieron mucho menos aceptables cuando se requerían dos o más.

Un altavoz con bocina puede alcanzar una sensibilidad de hasta 110  dB _SPL a 2,83 voltios (1 vatio a 8 ohmios) a 1 metro de distancia. Esto representa un aumento de cien veces en la potencia de salida en comparación con un altavoz con una  sensibilidad nominal de 90 dB (según las especificaciones mencionadas) y resulta invaluable en aplicaciones donde se requieren altos niveles de sonido o la potencia del amplificador es limitada.

Un ejemplo de sistema de altavoz con bocina totalmente cargada es el Klipschorn, desarrollado en la década de 1940 por Paul W. Klipsch . Su sección de baja frecuencia utiliza una bocina de graves plegada cuya sección de expansión final se completa con la esquina de la sala. La sala forma parte integral de la bocina en lugar de ser simplemente una ayuda para su colocación. Esto aumenta la carga acústica y la eficiencia al proporcionar una bocina efectiva más grande sin aumentar el tamaño de la caja, como se describe en una solicitud de patente presentada en 1941 y concedida en 1943. ^{[ 44 ]} Posteriormente, Klipsch desarrolló diseños de bocinas de alta frecuencia para preservar la eficiencia y la directividad controlada en longitudes de onda más cortas, documentados en una solicitud de patente presentada en 1949 y concedida en 1951. ^{[ 45 ]}

La mayoría de los altavoces de alta fidelidad domésticos utilizan dos puntos de conexión para conectarse a la fuente de la señal (por ejemplo, al amplificador o receptor de audio ). Para aceptar la conexión del cable, la carcasa del altavoz puede tener bornes de conexión , clips de resorte o un conector de montaje en panel. Si los cables de un par de altavoces no están conectados con respecto a la polaridad eléctrica correcta , ^{[ b ]} se dice que los altavoces están desfasados ​​o, más precisamente, fuera de polaridad . ^{[ 46 ] [ 47 ]} Con señales idénticas, el movimiento en el cono de un altavoz fuera de polaridad es en la dirección opuesta a la de los demás. Esto suele provocar que el material monofónico en una grabación estéreo se cancele, se reduzca su nivel y sea más difícil de localizar, todo ello debido a la interferencia destructiva de las ondas sonoras. El efecto de cancelación es más notorio en frecuencias donde los altavoces están separados por un cuarto de longitud de onda o menos; las bajas frecuencias son las más afectadas. Este tipo de error de cableado no daña los altavoces, pero no es óptimo para la escucha. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

En los sistemas de refuerzo de sonido, sistemas de megafonía y cajas acústicas para amplificadores de instrumentos , se suelen utilizar cables y algún tipo de conector. Los sistemas de sonido y cajas acústicas para instrumentos de gama baja y media suelen usar conectores de 6,35 mm (1/4 de pulgada) . Los sistemas de sonido y cajas acústicas para instrumentos de gama alta y mayor potencia suelen usar conectores Speakon . Los conectores Speakon se consideran más seguros para amplificadores de alta potencia, ya que están diseñados para que los usuarios no puedan tocarlos.

Los altavoces inalámbricos son similares a los altavoces con cable , pero reciben señales de audio mediante ondas de radiofrecuencia (RF) en lugar de cables. Incorporan un amplificador integrado en la carcasa, ya que las ondas de RF por sí solas no son suficientes para alimentar el altavoz. Aun así, los altavoces inalámbricos necesitan alimentación, por lo que requieren una toma de corriente cercana o baterías integradas. Solo se elimina el cable de audio.

Para producir sonido, un altavoz es accionado por una corriente eléctrica modulada (generada por un amplificador) que pasa a través de una bobina , la cual, mediante inductancia , crea un campo magnético alrededor de la bobina. Las variaciones de la corriente eléctrica que atraviesan el altavoz se convierten así en un campo magnético variable, cuya interacción con el campo magnético del transductor mueve el diafragma del altavoz, lo que a su vez obliga al transductor a producir un movimiento de aire similar a la señal original del amplificador.

La carga que un transductor presenta a un amplificador consiste en una impedancia eléctrica compleja : una combinación de resistencia y reactancia capacitiva e inductiva , que combina las propiedades del transductor, su movimiento mecánico, los efectos de los componentes del filtro divisor de frecuencias (si los hay en la ruta de la señal entre el amplificador y el transductor) y los efectos de la carga de aire sobre el transductor, modificados por la caja acústica y su entorno. La mayoría de las especificaciones de salida de los amplificadores se dan a una potencia específica en una carga resistiva ideal ; sin embargo, un altavoz no tiene una impedancia constante en todo su rango de frecuencias. En cambio, la bobina móvil es inductiva, el transductor tiene resonancias mecánicas, la caja acústica modifica las características eléctricas y mecánicas del transductor, y un filtro divisor de frecuencias pasivo entre los transductores y el amplificador contribuye con sus propias variaciones. El resultado es una impedancia de carga que varía ampliamente con la frecuencia y, por lo general, también una relación de fase variable entre el voltaje y la corriente, que también cambia con la frecuencia. Algunos amplificadores pueden gestionar mejor esta variación que otros.

Existen modelos eléctricos de altavoces que abordan estos efectos en detalle. ^{[ 53 ]}

Ejemplos de mediciones típicas de altavoces son: características de amplitud y fase vs. frecuencia; respuesta impulsional bajo una o más condiciones (p. ej., ondas cuadradas, ráfagas de ondas sinusoidales, etc.); directividad vs. frecuencia (p. ej., horizontal, vertical, esférica, etc.); distorsión armónica y de intermodulación vs. nivel de presión sonora (SPL) de salida, utilizando cualquiera de varias señales de prueba; energía almacenada (es decir, resonancia) a varias frecuencias; impedancia vs. frecuencia; y rendimiento de pequeña señal vs. gran señal. La mayoría de estas mediciones requieren equipos sofisticados y a menudo costosos para su realización. El nivel de presión sonora (SPL) que produce un altavoz se expresa comúnmente en decibelios relativos a 20 μPa ( dB _SPL ).

La eficiencia de un altavoz se define como la potencia sonora de salida dividida por la potencia eléctrica de entrada. La mayoría de los altavoces son transductores ineficientes; solo alrededor del 1 % de la energía eléctrica enviada por un amplificador a un altavoz doméstico típico se convierte en energía acústica. El resto se convierte en calor, principalmente en la bobina móvil y el conjunto del imán. La razón principal de esto es la dificultad de lograr una correcta adaptación de impedancia entre la impedancia acústica de la unidad de accionamiento y el aire en el que irradia. ^{[ c ]} La eficiencia de los transductores de los altavoces también varía con la frecuencia. Por ejemplo, la salida de un transductor de graves disminuye a medida que disminuye la frecuencia de entrada debido a la cada vez peor adaptación de impedancia entre el aire y el transductor.

Las clasificaciones de los controladores basadas en el SPL para una entrada dada se denominan clasificaciones de sensibilidad y son conceptualmente similares a la eficiencia. La sensibilidad se suele expresar como el SPL ( dB _SPL en el uso común significa dB relativo a20 μPa  ) con una entrada eléctrica de 1 W, medida a 1 metro, ^{[ d ]} a menudo a una sola frecuencia. El voltaje utilizado suele ser de 2,83 V _RMS , lo que resulta en 1 vatio en una impedancia nominal de altavoz de 8 Ω. Las mediciones tomadas con esta referencia se suelen citar como dB _SPL con 2,83 V a 1 m.

La presión sonora de salida se mide (o se escala matemáticamente para que sea equivalente a una medición tomada) a un metro del altavoz y en el eje (directamente frente a él), bajo la condición de que el altavoz irradie en un espacio infinitamente grande y esté montado sobre un deflector infinito . Claramente, entonces, la sensibilidad no se correlaciona con precisión con la eficiencia, ya que también depende de la directividad del transductor que se está probando y del entorno acústico frente al altavoz. Por ejemplo, la bocina de una animadora produce una mayor salida de sonido en la dirección a la que apunta al concentrar las ondas sonoras de la animadora en una dirección, enfocándolas así . La bocina también mejora la adaptación de impedancia entre la voz y el aire, lo que produce más potencia acústica para una potencia de altavoz determinada.

Dado que la sensibilidad y la capacidad de manejo de potencia son propiedades en gran medida independientes, un controlador con una potencia máxima nominal más alta no necesariamente puede alcanzar niveles de volumen más altos que uno con una potencia nominal menor. En el siguiente ejemplo, supongamos (para simplificar) que los controladores que se comparan tienen la misma impedancia eléctrica, operan a la misma frecuencia dentro de las respectivas bandas de paso de ambos controladores y que la compresión de potencia y la distorsión son insignificantes. Un altavoz 3  dB más sensible que otro produce casi el doble de potencia sonora (es 3  dB más fuerte) para la misma potencia eléctrica de entrada. Por lo tanto, un  controlador de 100 W (A) con una sensibilidad nominal de 92  dB _SPL para 1  W  a 1  m produce el doble de potencia acústica que un  controlador de 200 W (B) con una sensibilidad nominal de 89  dB _SPL para 1  W  a 1  m cuando ambos se alimentan con 100  W de potencia eléctrica. En este ejemplo, cuando se alimenta con 100  W, el altavoz A produce el mismo nivel de presión sonora (SPL), o volumen, que produciría el altavoz B con  una entrada de 200 W. Por lo tanto, un  aumento de 3 dB en la sensibilidad del altavoz significa que necesita la mitad de la potencia del amplificador para alcanzar un nivel de presión sonora (SPL) determinado. Esto se traduce en un amplificador de potencia más pequeño y menos complejo, y a menudo, en una reducción del coste total del sistema.

Por lo general, no es posible combinar una alta eficiencia (especialmente en bajas frecuencias) con un tamaño de caja compacto y una respuesta adecuada en bajas frecuencias. En la mayoría de los casos, al diseñar un sistema de altavoces, solo se pueden elegir dos de los tres parámetros. Así, por ejemplo, si un rendimiento extendido en bajas frecuencias y un tamaño de caja pequeño son importantes, hay que aceptar una baja eficiencia. Esta regla general se conoce a veces como la Ley de Hierro de Hofmann (en honor a J.A. Hofmann , la H en KLH ). ^{[ 54 ] [ 55 ]}

En una sala de escucha rectangular típica, las superficies duras y paralelas de las paredes, el suelo y el techo provocan nodos de resonancia acústica primarios en cada una de las tres dimensiones: izquierda-derecha, arriba-abajo y adelante-atrás. ^{[ 56 ]} Además, existen modos de resonancia más complejos que involucran hasta las seis superficies límite combinadas para crear ondas estacionarias . Esto se denomina respuesta de interferencia de límite del altavoz (SBIR). ^{[ 57 ]} Las bajas frecuencias excitan estos modos en mayor medida, ya que las longitudes de onda largas no se ven muy afectadas por la composición o la ubicación del mobiliario. El espaciado de los modos es crítico, especialmente en salas pequeñas y medianas como estudios de grabación, cines en casa y estudios de radiodifusión. La proximidad de los altavoces a los límites de la sala afecta la intensidad con la que se excitan las resonancias, así como la fuerza relativa en cada frecuencia. La ubicación del oyente también es crítica, ya que una posición cerca de un límite puede tener un gran efecto en el equilibrio percibido de las frecuencias. Esto se debe a que los patrones de ondas estacionarias se escuchan con mayor facilidad en estas ubicaciones y a frecuencias más bajas, por debajo de la frecuencia de Schroeder , dependiendo del tamaño de la sala.

Los acústicos, al estudiar la radiación de las fuentes sonoras, han desarrollado algunos conceptos importantes para comprender cómo se perciben los altavoces. La fuente radiante más simple posible es una fuente puntual . Una fuente puntual ideal es un punto infinitesimalmente pequeño que irradia sonido. Puede ser más fácil imaginar una pequeña esfera pulsante, cuyo diámetro aumenta y disminuye uniformemente, emitiendo ondas sonoras en todas direcciones por igual.

Cualquier objeto que emita sonido, incluido un sistema de altavoces, puede considerarse compuesto por combinaciones de estas fuentes puntuales simples. El patrón de radiación de una combinación de fuentes puntuales no es el mismo que el de una sola fuente, sino que depende de la distancia y la orientación entre las fuentes, la posición relativa desde la que el oyente percibe la combinación y la frecuencia del sonido. Mediante las matemáticas, algunas combinaciones simples de fuentes se resuelven fácilmente.

Una combinación sencilla consiste en dos fuentes simples separadas por una distancia y que vibran desfasadas: una esfera en miniatura que se expande mientras la otra se contrae. Este par se conoce como dipolo , y la radiación de esta combinación es similar a la de un altavoz dinámico muy pequeño que funciona sin caja acústica. La directividad de un dipolo tiene forma de figura de ocho, con la máxima salida a lo largo de un vector que conecta las dos fuentes y la mínima salida hacia los lados cuando el punto de observación es equidistante de ambas fuentes ; la suma de las ondas positivas y negativas se cancelan entre sí. Si bien la mayoría de los transductores son dipolos, dependiendo de la caja acústica a la que estén conectados, pueden irradiar como fuentes puntuales o dipolos. Si se montan en una caja acústica de dimensiones finitas y se permite que estas ondas desfasadas interactúen, se producen picos y valles en la respuesta en frecuencia. Cuando la radiación posterior se absorbe o queda atrapada en una caja, el diafragma se convierte aproximadamente en un radiador de fuente puntual. Los altavoces bipolares, fabricados mediante el montaje de transductores en fase (ambos moviéndose hacia dentro o hacia fuera de la caja al unísono) en lados opuestos de la misma, son un método para aproximarse a patrones de radiación omnidireccionales. 

En la práctica, los transductores individuales tienen formas tridimensionales complejas, como conos y cúpulas, y se colocan sobre un deflector por diversas razones. Generalmente, no es posible obtener una expresión matemática para la directividad de una forma compleja, basada en la modelización de combinaciones de fuentes puntuales; sin embargo, en el campo lejano, la directividad de un altavoz con diafragma circular es similar a la de un pistón circular plano, por lo que puede utilizarse como una simplificación ilustrativa para el análisis.

La directividad de campo lejano de un pistón circular plano en un deflector infinito es

$${\displaystyle p(\theta )={\frac {p_{0}J_{1}(k_{a}\sin \theta )}{k_{a}\sin \theta }}}$$

dónde${\displaystyle k_{a}={\frac {2\pi a}{\lambda }}}$,${\displaystyle p_{0}}$es la presión en el eje,${\displaystyle a}$es el radio del pistón,${\displaystyle \lambda }$es la longitud de onda (es decir,${\displaystyle \lambda ={\frac {c}{f}}={\frac {\text{speed of sound}}{\text{frequency}}}}$),${\displaystyle \theta }$es el ángulo fuera del eje y${\displaystyle J_{1}}$es la función de Bessel de primera especie.

Una fuente plana como esta irradia sonido de forma uniforme para longitudes de onda mayores que sus dimensiones, y a medida que aumenta la frecuencia, el sonido se concentra en un ángulo cada vez más estrecho. Cuanto menor sea el transductor, mayor será la frecuencia a la que se produce esta reducción de la directividad. Incluso si el diafragma no es perfectamente circular, este efecto se produce de tal manera que las fuentes más grandes son más directivas. Varios diseños de altavoces se aproximan a este comportamiento. La mayoría son electrostáticos o magnéticos planares.

Diversos fabricantes utilizan diferentes configuraciones de montaje de los transductores para crear un tipo específico de campo sonoro en el espacio para el que están diseñados. Los patrones de radiación resultantes pueden tener como objetivo simular con mayor precisión la forma en que se produce el sonido con instrumentos reales, o simplemente crear una distribución de energía controlada a partir de la señal de entrada. Un ejemplo del primer caso es un sistema de esquina de habitación con muchos transductores pequeños en la superficie de una esfera de 1/8 de pulgada. Un diseño de sistema de este tipo fue patentado y comercializado como el Bose 2201 .

La directividad es un aspecto importante, ya que afecta al equilibrio de frecuencias del sonido que percibe el oyente, así como a la interacción del sistema de altavoces con la sala y sus elementos. Un altavoz con una directividad muy alta (a veces denominado direccional ) (es decir, con un eje perpendicular a la superficie del altavoz) puede generar un campo reverberante con baja presencia de altas frecuencias, dando la impresión de que el altavoz carece de agudos, aunque las mediciones en el eje indiquen una respuesta suficiente. Esta es una de las razones por las que la medición de la respuesta en frecuencia en el eje no constituye una caracterización completa del sonido de un altavoz determinado.

Los altavoces digitales han sido objeto de experimentos realizados por Bell Labs desde la década de 1920. ^{[ 79 ]} El diseño es simple: cada bit controla un controlador, que está completamente "encendido" o "apagado". Los problemas con este diseño han llevado a los fabricantes a abandonarlo por considerarlo poco práctico en la actualidad. Primero, para una cantidad razonable de bits (necesarios para una calidad de reproducción de sonido adecuada ), el tamaño físico de un sistema de altavoces se vuelve muy grande. Segundo, debido a los problemas inherentes de conversión analógica-digital , el efecto de aliasing es inevitable, de modo que la salida de audio se refleja con igual amplitud en el dominio de la frecuencia, al otro lado del límite de Nyquist (la mitad de la frecuencia de muestreo), lo que provoca un nivel inaceptablemente alto de ultrasonidos que acompaña a la salida deseada. No se ha encontrado ningún esquema viable para abordar adecuadamente este problema.