Análisis de Sistemas Acústicos y Mecánicos Mediante Analogías

Analogías en Sistemas Mecánicos y Acústicos

Las analogías se utilizan para estudiar sistemas mecánicos y acústicos a partir de circuitos equivalentes. Los tipos de variables dependen de la analogía elegida: ATI (analogía tensión-corriente) o ATM (analogía tensión-fuerza).

Analogía Tensión-Fuerza (ATM)

En ATM, la velocidad se mide sin perturbar el funcionamiento del sistema y se relaciona con la tensión.

Analogía Tensión-Corriente (ATI)

En ATI, la fuerza se mide y se relaciona con la corriente.

Conceptos Fundamentales

Impedancia Mecánica (ZM)

Es la relación entre la fuerza aplicada y la velocidad resultante en un punto de un dispositivo mecánico.

Movilidad Mecánica

Es la inversa de la impedancia mecánica (ZM). Es decir, la relación entre la velocidad y la fuerza en un punto determinado de un dispositivo mecánico.

Masa Mecánica

Es la cantidad física que se acelera mediante una fuerza. Necesita una conexión con la fuerza para moverse. La fuerza actúa en referencia a la tierra.

Compliancia Mecánica (CMS)

• Se asocia con la energía mecánica potencial.
• Es la recíproca de la constante elástica de un resorte.
• Se opone a todo cambio en el valor de la fuerza en sus extremos.
• Se corresponde con la Ley de Hooke.

Resistencia Mecánica

• Es una estructura que, accionada por una fuerza, se mueve con una velocidad proporcional a dicha fuerza.
• La unidad es el ohmio mecánico.
• La recíproca es la responsabilidad y su unidad es el mohm.

Generadores Mecánicos

Existen dos tipos:

• De velocidad constante: Se representan como un motor poderoso asociado con un mecanismo de manivela.
• De fuerza constante: Se representan como un transductor. En el primario se mantiene una corriente de amplitud constante.

Presión Estática (Po)

Es la presión que existe en ausencia de ondas sonoras y es equivalente a la presión atmosférica normal.

Velocidad de Volumen

Es la cantidad de gas desplazado por segundo.

Impedancia Acústica (Za)

• Es la superficie del sistema acústico que se somete a presión elevada al cuadrado.
• La parte real de Za representa las pérdidas disipativas cuando hay movimiento viscoso.

Masa Acústica

• Es la parte imaginaria positiva de la compliancia acústica.
• Es proporcional a la masa de aire en el interior de un elemento.
• Representa la capacidad del fluido para almacenar energía.
• Se opone a todo cambio en la velocidad de volumen de la masa de aire. Se expresa en kg/m⁴.

Compliancia Acústica

• Es la parte imaginaria negativa de la impedancia acústica.
• Los sistemas con compliancia acústica presentan cierta elasticidad cuando son comprimidos.
• Está asociada con la energía acústica potencial.
• Se opone a todo cambio en la presión que se aplica.
• Se asocia a un volumen de aire acelerado que se comprime sin desplazamiento.

Resistencia Acústica

• Representa las pérdidas disipativas cuando hay movimiento viscoso de gas a través de una malla o tubo.
• Es una cantidad constante (N.seg/m⁵).
• La recíproca es la responsabilidad.

Movilidad Acústica

Es la recíproca de la impedancia acústica.

Altavoces

Impedancia Eléctrica de Entrada

Indica el grado de acoplamiento entre el altavoz y el amplificador para cada frecuencia (se representa mediante un gráfico).

Potencia Eléctrica

Indica el valor máximo de potencia que puede absorber el altavoz antes de sufrir desperfectos. Hay dos modos de evaluarla:

• Potencia de pico (PMPO): Potencia de un transitorio que se da cada cierto tiempo. Se la conoce como potencia musical.
• Potencia RMS: Potencia de reproducción continua. Indica el manejo de potencia eléctrica continua sin daño por efectos mecánicos o térmicos. Se determina tras 24 horas de reproducción continua.

Rendimiento

Es la relación entre la potencia acústica que radia un altavoz y la potencia eléctrica entregada al mismo.

Sensibilidad

Se define como el nivel de presión sonora a 1 metro de distancia en el eje de un altavoz montado en pantalla infinita, que se excita con 1 W de potencia eléctrica en frecuencias medias.

El rendimiento o la sensibilidad, combinado con la potencia eléctrica, proporcionan el nivel de presión sonora del altavoz.

Clasificación de Altavoces

• Woofer: Mayor tamaño, frecuencias bajas del espectro (de 20 a 500 Hz).
• Midrange: Tamaño medio, frecuencias medias del espectro (de 500 a 3000 Hz).
• Tweeter: Menor tamaño, frecuencias altas del espectro (> 20 kHz).

Respuesta en Frecuencia

La curva de respuesta en frecuencia de un altavoz representa la variación de presión sonora en función de la frecuencia, con alguna cantidad, tal como la tensión, mantenida constante.

Altavoz Dinámico de Bobina Móvil (Radiación Directa)

Elementos Constructivos

• Campana
• Terminales
• Suspensión interna
• Bobina móvil
• Perno
• Placa trasera
• Imán cerámico
• Placa delantera
• Guardapolvo
• Cono o diafragma

Espectro de Respuesta de un Altavoz

• Zona I: Corresponde a las frecuencias por debajo de la resonancia y están comandadas por la compliancia. Si se quisiera obtener más bajas frecuencias se podría lograr colocando suspensiones más blandas, el límite es la estabilidad mecánica del sistema.
• Zona II: Subiendo en frecuencia se llega a un punto en que la masa mecánica del diafragma (masa del cono, más la masa de la forma de la bobina móvil, más la masa del cobre de la bobina móvil), es igual o resuena con la compliancia mecánica de la suspensión (CMS). Esta resonancia mecánica se caracteriza por la máxima elongación del altavoz.
• Zona III: Ya se ha pasado por la resonancia y predomina la masa mecánica del diafragma, pero la zona es plana porque la impedancia mecánica de radiación todavía es creciente y compensa la caída por masa.
• Zona IV: Aparece una nueva resonancia de la inductancia propia de la bobina con la combinación masa-compliancia.
• Zona V: Luego de la última resonancia, el altavoz cae en respuesta en frecuencia debido a la masa mecánica del diafragma.

Comportamiento del Diafragma o Cono

: Lo visto hasta ahora con circuitos equivalentes es válido hasta unos 1000 Hz. En frecuencias más altas, el cono ya no se mueve como una pieza rígida y varían las masas del diafragma MMD y la impedancia de radiación ZMR que se suponían constantes.