Tweeter - Tweeter

Vista en corte de un tweeter dinámico con lente acústica y una membrana en forma de cúpula.
  1. Imán
  2. Bobina de voz
  3. Membrana
  4. Suspensión

Un tweeter o altavoz de agudos es un tipo especial de altavoz (generalmente de cúpula, cúpula inversa o tipo bocina) que está diseñado para producir altas frecuencias de audio, por lo general entregan altas frecuencias de hasta 100 kHz. El nombre se deriva de los sonidos agudos que hacen algunos pájaros (Tweets), especialmente en contraste con los woofs graves de muchos perros , que dan nombre a los drivers de baja frecuencia ( woofers ).

Operación

Tweeter Polycell de un altavoz Infinity, mostrando los componentes.
Altavoz Ohm CAM 16 con "egg tweeter".

Casi todos los tweeters son controladores electrodinámicos que utilizan una bobina móvil suspendida dentro de un campo magnético fijo. Estos diseños funcionan aplicando corriente desde la salida de un circuito amplificador a una bobina de alambre llamada bobina móvil . La bobina móvil produce un campo magnético variable, que actúa contra el campo magnético fijo de un imán permanente alrededor del cual se suspende la bobina móvil cilíndrica, lo que obliga a moverse a la bobina móvil y al diafragma adjunto. Este movimiento mecánico se asemeja a la forma de onda de la señal electrónica suministrada desde la salida del amplificador a la bobina móvil. Dado que la bobina está unida a un diafragma, el movimiento vibratorio de la bobina móvil se transmite al diafragma; el diafragma a su vez hace vibrar el aire, creando así movimientos de aire u ondas de audio, que se escuchan como sonidos agudos.

Los tweeters modernos son típicamente diferentes de los tweeters más antiguos, que generalmente eran versiones pequeñas de woofers . A medida que la tecnología de tweeter ha avanzado, diferentes aplicaciones de diseño se han vuelto populares. Muchos diafragmas de tweeter de cúpula blanda están termoformados a partir de una película de poliéster o tela de seda o poliéster que se ha impregnado con una resina de polímero. Los tweeters de cúpula dura suelen estar hechos de aluminio, aleaciones de aluminio y magnesio o titanio.

Los tweeters están destinados a convertir una señal eléctrica en movimiento de aire mecánico sin agregar ni restar nada, pero el proceso es imperfecto y los tweeters del mundo real implican compensaciones. Entre los desafíos en el diseño y la fabricación de tweeters se encuentran: proporcionar una amortiguación adecuada para detener el movimiento del domo rápidamente cuando finaliza la señal; asegurando la linealidad de la suspensión, permitiendo un alto rendimiento en el extremo inferior de su rango de frecuencia; garantizar la ausencia de contacto con el conjunto de imán, manteniendo la cúpula centrada mientras se mueve; y proporcionar un manejo de potencia adecuado sin agregar masa excesiva.

Los tweeters también pueden trabajar en colaboración con los woofers que se encargan de generar las bajas frecuencias o graves.

Algunos tweeters se sientan fuera del recinto principal en su propia unidad semiindependiente. Los ejemplos incluyen " super tweeters " y la novela "egg tweeter" de Ohm . Este último se conecta y gira para ajustar el campo de sonido según la posición del oyente y las preferencias del usuario. La separación del deflector se considera óptima según la teoría de que el deflector más pequeño posible es óptimo para los tweeters.

Distancia

La mayoría de los tweeters están diseñados para reproducir frecuencias hasta el límite superior definido formalmente del rango de audición humana (típicamente listado como 20 kHz); algunos operan a frecuencias de hasta aproximadamente entre 5 kHz y 20 kHz. Los tweeters con un rango superior mayor se han diseñado para pruebas psicoacústicas, para audio digital de rango extendido como Super Audio CD destinado a audiófilos , para biólogos que realizan investigaciones sobre la respuesta animal a los sonidos y para sistemas de sonido ambiental en zoológicos. Se han fabricado tweeters de cinta que pueden reproducir 80 kHz e incluso 100 kHz.

Materiales de la cúpula

Todos los materiales de la cúpula tienen ventajas y desventajas. Las tres propiedades que los diseñadores buscan en las cúpulas son baja masa, alta rigidez y buena amortiguación. Celestion fueron los primeros fabricantes en fabricar tweeters de cúpula de un metal, cobre . Actualmente se utilizan otros metales como el aluminio , titanio , magnesio y berilio , así como diversas aleaciones de los mismos, tanto ligeros como rígidos pero de baja amortiguación; sus modos resonantes ocurren por encima de 20 kHz. También se utilizan materiales más exóticos, como el diamante sintético , por su extrema rigidez. La película de tereftalato de polietileno y la seda tejida sufren menos vibraciones, pero no son tan rígidas, lo que puede limitar su salida de muy alta frecuencia.

En general, los tweeters de cúpula más pequeños proporcionan una mayor dispersión del sonido en las frecuencias más altas. Sin embargo, los tweeters de cúpula más pequeños tienen menos área de radiación, lo que limita su salida en el extremo inferior de su rango; y tienen bobinas de voz más pequeñas, lo que limita su potencia de salida general.

Ferrofluido

El ferrofluido es una suspensión de partículas magnéticas de óxido de hierro muy pequeñas (típicamente 10 nm) en un líquido de muy baja volatilidad , típicamente un aceite sintético. Una amplia gama de variantes de viscosidad y densidad magnética permite a los diseñadores agregar amortiguación, enfriamiento o ambos. El ferrofluido también ayuda a centrar la bobina móvil en el espacio magnético, reduciendo la distorsión. Por lo general, el fluido se inyecta en el espacio magnético y se mantiene en su lugar mediante un fuerte campo magnético. Si un altavoz de agudos se ha sometido a niveles de potencia elevados, se produce un espesamiento del ferrofluido, ya que una parte del líquido portador se evapora. En casos extremos, esto puede degradar la calidad del sonido y el nivel de salida de un tweeter, y se debe quitar el líquido e instalar un líquido nuevo.

Aplicaciones de sonido profesionales

Los tweeters diseñados para aplicaciones de refuerzo de sonido y de instrumentos musicales son muy similares a los tweeters de alta fidelidad, aunque generalmente no se los conoce como tweeters, sino como "controladores de alta frecuencia". Las diferencias clave en los requisitos de diseño son: montajes construidos para el envío y manejo repetidos, los controladores a menudo montados en estructuras de bocina para proporcionar niveles de sonido más altos y un mayor control de la dispersión del sonido, y bobinas de voz más robustas para soportar los niveles de potencia más altos que se encuentran típicamente. Los controladores de alta frecuencia en las bocinas de PA a menudo se denominan " controladores de compresión " por el modo de acoplamiento acústico entre el diafragma del controlador y la garganta de la bocina.

Se utilizan varios materiales en la construcción de diafragmas impulsores de compresión que incluyen titanio, aluminio, tela impregnada de fenólico, poliimida y película de PET , cada uno con sus propias características. El diafragma está pegado a un formador de bobina móvil, típicamente hecho de un material diferente al de la cúpula, ya que debe soportar el calor sin desgarro o cambio dimensional significativo. La película de poliimida, Nomex y la fibra de vidrio son populares para esta aplicación. La suspensión puede ser una continuación del diafragma y está pegada a un anillo de montaje, que puede encajar en una ranura, sobre pasadores de ubicación o sujetarse con tornillos para metales. El diafragma generalmente tiene la forma de una cúpula invertida y se carga en una serie de canales ahusados ​​en una estructura central llamada tapón de fase , que iguala la longitud del camino entre varias áreas del diafragma y la garganta de la bocina, evitando cancelaciones acústicas entre diferentes puntos en el superficie del diafragma. El tapón de fase sale a un tubo cónico, que forma el inicio de la propia bocina. Esta garganta que se expande lentamente dentro del conductor continúa en la llamarada de la bocina. La llamarada de la bocina controla el patrón de cobertura, o directividad, y como transformador acústico, agrega ganancia. Una combinación profesional de bocina y controlador de compresión tiene una sensibilidad de salida de entre 105 y 112 dB / vatio / metro. Esto es sustancialmente más eficiente (y menos peligroso térmicamente para una bobina móvil pequeña y formadora) que otras construcciones de tweeters.

Tipos de tweeters

Tweeter de cono

El tweeter de cono de un altavoz Marantz 5G

Los tweeters de cono tienen el mismo diseño y forma básicos que un woofer con optimizaciones para operar a frecuencias más altas. Las optimizaciones suelen ser:

  • un cono muy pequeño y ligero para que pueda moverse rápidamente;
  • materiales de conos elegidos por su rigidez (por ejemplo, conos de cerámica en la línea de un fabricante), o buenas propiedades de amortiguación (por ejemplo, papel, seda o tela revestida) o ambos;
  • una suspensión (o araña) que es más rígida que para otros controladores; se necesita menos flexibilidad para la reproducción de alta frecuencia;
  • bobinas de voz pequeñas (3/4 de pulgada es típico) y cable ligero (delgado), que también ayuda a que el cono del tweeter se mueva rápidamente.

Los tweeters de cono eran populares en los altavoces estéreo de alta fidelidad más antiguos diseñados y fabricados en las décadas de 1960 y 1970 como una alternativa al tweeter de cúpula (que se desarrolló a fines de la década de 1950). Los tweeters de cono hoy en día suelen ser relativamente baratos, pero muchos de los del pasado eran de alta calidad, como los fabricados por Audax / Polydax, Bozak, CTS, JBL, Tonegen y SEAS. Estos tweeters de cono vintage exhibieron una respuesta de frecuencia muy plana, baja distorsión, respuesta transitoria rápida, una frecuencia de resonancia baja y un suave deslizamiento de graves, facilitando el diseño de cruce.

Los tweeters de cono de "anillo fenólico" de CTS eran típicos de la era de los sesenta y setenta, que mostraban una respuesta plana de 2.000 a 15.000 Hz, baja distorsión y rápida respuesta transitoria. El tweeter de "anillo fenólico" CTS recibe su nombre del anillo de suspensión de borde de color naranja que tiene, que está hecho de fenólico. Se utilizó en muchas marcas y modelos de altavoces antiguos de gran prestigio, y era una unidad de precio medio.

Los tweeters de cono tienen una característica de dispersión más estrecha que es la misma que la de un woofer de cono. Por lo tanto, muchos diseñadores creyeron que esto los convertía en una buena combinación con los altavoces de rango medio y los woofers, lo que permite una excelente imagen estéreo. Sin embargo, el "punto óptimo" creado por la estrecha dispersión de los tweeters de cono es pequeño. Los altavoces con tweeters de cono ofrecían la mejor imagen estéreo cuando se colocaban en las esquinas de la habitación, una práctica común en los años 50, 60 y principios de los 70.

Durante las décadas de 1970 y 1980, la introducción generalizada de discos para audiófilos de mayor calidad y la llegada del CD hicieron que el tweeter de cono perdiera popularidad porque los tweeters de cono rara vez se extienden más allá de los 15 kHz. Los audiófilos sintieron que los tweeters de cono carecían de la "ligereza" de los tweeters de cúpula u otros tipos. Sin embargo, muchos tweeters de cono de gama alta se mantuvieron en producción limitada por Audax, JBL y SEAS hasta mediados de la década de 1980.

Los tweeters de cono ahora rara vez se usan en el uso moderno de alta fidelidad y se ven de manera rutinaria en aplicaciones de bajo costo, como altavoces de automóviles de fábrica, sistemas estéreo compactos y cajas de sonido. Algunos fabricantes de altavoces boutique han vuelto recientemente a los tweeters de cono de alta gama, especialmente a las recreaciones de los modelos de anillo fenólico CTS, para crear un producto con un sonido clásico.

Tweeter de cúpula

Un tweeter de cúpula se construye conectando una bobina móvil a una cúpula (hecha de tela tejida, metal fino u otro material adecuado), que se fija al imán o la placa superior a través de una suspensión de baja conformidad. Estos tweeters generalmente no tienen un marco o canasta, sino una placa frontal simple unida al ensamblaje del imán. Los tweeters de cúpula se clasifican por el diámetro de su bobina móvil y varían desde 19 mm (0,75 pulgadas) hasta 38 mm (1,5 pulgadas). La inmensa mayoría de los tweeters de cúpula que se utilizan actualmente en los altavoces de alta fidelidad tienen un diámetro de 25 mm (1 pulgada).

Una variación es el radiador de anillo en el que la "suspensión" del cono o cúpula se convierte en el principal elemento radiante. Estos tweeters tienen diferentes características de directividad en comparación con los tweeters de cúpula estándar.

Tweeter piezoeléctrico

Un tweeter piezoeléctrico (o piezoeléctrico) contiene un cristal piezoeléctrico acoplado a un diafragma mecánico. Se aplica una señal de audio al cristal, que responde flexionándose en proporción al voltaje aplicado a través de las superficies del cristal, convirtiendo así la energía eléctrica en mecánica.

La conversión de pulsos eléctricos en vibraciones mecánicas y la conversión de las vibraciones mecánicas devueltas en energía eléctrica es la base de las pruebas ultrasónicas. El elemento activo es el corazón del transductor, ya que convierte la energía eléctrica en energía acústica y viceversa. El elemento activo es básicamente una pieza de material polarizado (es decir, algunas partes de la molécula están cargadas positivamente, mientras que otras partes de la molécula están cargadas negativamente) con electrodos unidos a dos de sus caras opuestas. Cuando se aplica un campo eléctrico a través del material, las moléculas polarizadas se alinearán con el campo eléctrico, dando como resultado dipolos inducidos dentro de la estructura molecular o cristalina del material. Esta alineación de moléculas hará que el material cambie de dimensión. Este fenómeno se conoce como electrostricción . Además, un material permanentemente polarizado como el cuarzo (SiO 2 ) o el titanato de bario (BaTiO 3 ) producirá un campo eléctrico cuando el material cambie de dimensiones como resultado de una fuerza mecánica impuesta. Este fenómeno se conoce como efecto piezoeléctrico .

Los tweeters piezoeléctricos rara vez se usan en audio de alta gama debido a su baja fidelidad, aunque sí aparecieron en algunos diseños de alta gama de finales de los 70, como el Celef PE1 en el que se utilizaron como un súper tweeter en combinación con un tweeter de cúpula convencional. A menudo se utilizan en juguetes, timbres, alarmas, gabinetes de altavoces para bajos, altavoces baratos para computadoras o estéreo y bocinas para megafonía.

Tweeter de cinta

Un tweeter de cinta de Philips .

Un tweeter de cinta usa un diafragma muy delgado (a menudo de aluminio, o quizás una película de plástico metalizado) que soporta una bobina plana hecha con frecuencia por deposición de vapor de aluminio, suspendida en un poderoso campo magnético (generalmente proporcionado por imanes de neodimio ) para reproducir altas frecuencias. El desarrollo de los tweeters de cinta ha seguido más o menos al desarrollo de los micrófonos de cinta . La cinta es de un material muy ligero y, por tanto, capaz de una aceleración muy alta y una respuesta de alta frecuencia extendida. Las cintas han sido tradicionalmente incapaces de producir un alto rendimiento (la razón principal son los grandes espacios en los imanes que provocan un acoplamiento magnético deficiente). Pero las versiones de mayor potencia de los tweeters de cinta se están volviendo comunes en los sistemas line array de refuerzo de sonido a gran escala, que pueden servir a miles de personas. Son atractivos en estas aplicaciones ya que casi todos los tweeters de cinta exhiben inherentemente propiedades direccionales útiles, con una dispersión horizontal muy amplia (cobertura) y una dispersión vertical muy ajustada. Estos controladores se pueden apilar verticalmente fácilmente, creando una matriz de línea de alta frecuencia que produce altos niveles de presión sonora mucho más lejos de las ubicaciones de los altavoces que los tweeters convencionales.

Tweeter magnético plano

Algunos diseñadores de altavoces utilizan un tweeter magnético plano, a veces llamado cuasi-ribbon. Los tweeters magnéticos planos son generalmente menos costosos que los tweeters de cinta verdaderos, pero no son exactamente equivalentes, ya que una cinta de lámina de metal es más liviana que el diafragma en un tweeter magnético plano y las estructuras magnéticas son diferentes. Por lo general , se usa un trozo delgado de película de PET o plástico con un cable de bobina móvil que corre varias veces verticalmente sobre el material. La estructura del imán es menos costosa que la de los tweeters de cinta.

Tweeter electrostático

Un tweeter electrostático Shackman MHT85.

Un tweeter electrostático funciona con los mismos principios que un altavoz electrostático de rango completo o un par de auriculares electrostáticos. Este tipo de altavoz emplea un diafragma delgado (generalmente plástico y típicamente una película de PET ), con una fina capa conductora, suspendida entre dos pantallas o láminas de metal perforadas, denominadas estatores.

La salida del amplificador de excitación se aplica al primario de un transformador elevador con un secundario con toma central, y se aplica un voltaje muy alto (varios cientos a varios miles de voltios) entre la toma central del transformador y el diafragma. La electrostática de este tipo incluye necesariamente una fuente de alimentación de alto voltaje para proporcionar el alto voltaje utilizado. Los estatores están conectados a los terminales restantes del transformador. Cuando se aplica una señal de audio al primario del transformador, los estatores se mueven eléctricamente 180 grados fuera de fase, atrayendo y repeliendo alternativamente el diafragma.

Una forma poco común de hacer funcionar un altavoz electrostático sin un transformador es conectar las placas de un amplificador de tubo de vacío push-pull directamente a los estatores y al suministro de alto voltaje entre el diafragma y la tierra.

La electrostática ha reducido la distorsión armónica de orden par debido a su diseño push-pull. También tienen una distorsión de fase mínima. El diseño es bastante antiguo (las patentes originales datan de la década de 1930), pero ocupa un segmento muy pequeño del mercado debido a sus altos costos, baja eficiencia, gran tamaño para diseños de gama completa y fragilidad.

Tweeter AMT

El tweeter Air Motion Transformer funciona expulsando el aire perpendicularmente desde el diafragma plisado. Su diafragma son los pliegues de película doblada (típicamente película de PET) alrededor de puntales de aluminio mantenidos en un fuerte campo magnético. En décadas pasadas, ESS of California produjo una serie de altavoces híbridos utilizando tales tweeters, junto con woofers convencionales, refiriéndose a ellos como transductores Heil en honor a su inventor, Oskar Heil . Son capaces de niveles de salida considerables y son bastante más resistentes que la electrostática o las cintas, pero tienen elementos móviles de baja masa similares.

La mayoría de los controladores AMT que se utilizan actualmente son similares en eficiencia y respuesta de frecuencia a los diseños originales de Oskar Heil de la década de 1970.

Tweeter de bocina

Un tweeter de bocina es cualquiera de los tweeters anteriores acoplados a una estructura abocinada o de bocina . Las bocinas se utilizan para dos propósitos: controlar la dispersión y acoplar el diafragma del tweeter al aire para una mayor eficiencia. En cualquier caso, el tweeter generalmente se denomina controlador de compresión y es bastante diferente de los tipos más comunes de tweeters (ver más arriba). Si se usa correctamente, una bocina mejora la respuesta fuera del eje del tweeter al controlar (es decir, reducir) la directividad del tweeter. También puede mejorar la eficiencia del tweeter al acoplar la impedancia acústica relativamente alta del controlador a la impedancia más baja del aire. Cuanto más grande es la bocina, más bajas son las frecuencias a las que puede funcionar, ya que las bocinas grandes se acoplan al aire en las frecuencias más bajas. Hay diferentes tipos de cuernos, incluida la directividad radial y constante (CD). Los tweeters de bocina pueden tener una firma sonora algo "diferente" a los tweeters de cúpula simples. Las bocinas mal diseñadas, o las bocinas cruzadas incorrectamente, tienen problemas predecibles en la precisión de su salida y la carga que presentan al amplificador. Quizás preocupados por la imagen de las bocinas mal diseñadas, algunos fabricantes usan tweeters cargados con bocina, pero evitan usar el término. Sus eufemismos incluyen "apertura elíptica", "Semi-cuerno" y "Directividad controlada". No obstante, se trata de una forma de carga de bocina.

Tweeter de plasma o iones

Debido a que el gas ionizado está cargado eléctricamente y, por lo tanto, puede manipularse mediante un campo eléctrico variable, es posible utilizar una pequeña esfera de plasma como tweeter. Estos tweeters se denominan tweeter de "plasma" o tweeter de "iones". Son más complejos que otros tweeters (en otros tipos no se requiere generación de plasma), pero ofrecen la ventaja de que la masa en movimiento es óptimamente baja y, por lo tanto, muy sensible a la entrada de señal. Estos tipos de tweeters no son capaces de producir una salida alta, ni otra que la reproducción de muy alta frecuencia, por lo que generalmente se utilizan en la garganta de una estructura de bocina para administrar los niveles de salida utilizables. Una desventaja es que el arco de plasma típicamente produce ozono , un gas venenoso , en pequeñas cantidades como subproducto. Debido a esto, en la década de 1980 se prohibió la importación a los Estados Unidos de altavoces Magnat "magnasphere" de fabricación alemana.

En el pasado, el proveedor dominante era DuKane cerca de St. Louis en los Estados Unidos, que fabricaba el Ionovac; También se vende en una variante del Reino Unido como Ionophane. Electro-Voice hizo un modelo por un corto tiempo bajo licencia de DuKane. Estos primeros modelos eran meticulosos y requerían un reemplazo regular de la celda en la que se generaba el plasma (la unidad DuKane usaba una celda de cuarzo maquinada con precisión). Como resultado, eran unidades caras en comparación con otros diseños. Aquellos que han escuchado a los Ionovacs informar que, en un sistema de altavoces diseñado con sensatez, los agudos eran 'aireados' y muy detallados, aunque no era posible un alto rendimiento.

En la década de 1980, el altavoz Plasmatronics también usaba un tweeter de plasma, aunque el fabricante no permaneció en el negocio por mucho tiempo y se vendieron muy pocas de estas unidades complejas.

Ver también

Referencias