Este blog analizará las frecuencias de audio y sus diversos subconjuntos, así como también cómo impactan en el diseño de los gabinetes de audio para garantizar un rango de audio adecuado para su diseño.
A pesar de la amplia gama de aplicaciones, los sistemas de audio de todo tipo a menudo tienen dificultades para equilibrar costo, tamaño y calidad. Garantizar la capacidad del sistema para emitir todo el rango de frecuencias de audio necesarias es crucial en este proceso. En este blog de Same Sky, descubra las varias frecuencias de audio, sus subconjuntos y cómo afectan el diseño de los gabinetes de audio. Obtenga más información sobre cuándo se necesitan o no diferentes rangos de audio en una aplicación final para garantizar la selección adecuada de altavoz, micrófono o zumbador y maximizar el rendimiento de su sistema de audio.
Al diseñar un sistema de audio, ya sea para uso residencial, aplicaciones automotrices o dispositivos integrados/portátiles, lograr un equilibrio entre costo, tamaño y calidad de audio es crucial. La calidad del audio depende de varios factores, especialmente la capacidad del sistema para reproducir un amplio espectro de frecuencias. En este artículo se exploran estos rangos de frecuencia y sus subconjuntos, destacando su influencia en el diseño de gabinetes de audio. También aclara la necesidad de diferentes rangos de audio en diversas aplicaciones.
El rango típico de frecuencias de audio va de 20 Hz a 20.000 Hz, aunque muchas personas no escuchan todo el espectro y este rango a menudo disminuye con la edad. En música, cada octava corresponde a una duplicación de la frecuencia. Por ejemplo, la nota más baja de un piano, una La, resuena a aproximadamente 27 Hz, mientras que la nota más alta, una Do, alcanza unos 4186 Hz.
Además de estas frecuencias primarias, prácticamente todas las fuentes productoras de sonido generan frecuencias armónicas, que son múltiplos de frecuencias más altas pero con amplitudes reducidas. Por ejemplo, la nota "la" de 27 Hz en un piano genera armónicos más silenciosos como 54 Hz y 81 Hz. Estos armónicos son cruciales para los sistemas de altavoces de alta fidelidad que buscan reproducir la fuente de sonido original.
En el espectro de frecuencias de audio que va de 20 Hz a 20 kHz, existen siete subconjuntos distintos de frecuencias. Estos subconjuntos son fundamentales para orientar el diseño de sistemas diseñados para fines de grabación o reproducción.
| Subconjunto de frecuencia | Rango de frecuencia | Descripción |
|---|---|---|
| Subgrave | 16 a 60 Hz | Este es el rango musical grave: un contrabajo, una tuba o un bajo, en el extremo inferior, entrarán en esta categoría. |
| Bajo | De 60 a 250 Hz | Este es el rango vocal normal al hablar. |
| Rango medio bajo | De 250 a 500 Hz | En el rango medio grave se encuentran los instrumentos de bronce típicos y los instrumentos de viento de madera medios, como el saxofón alto y el rango medio de un clarinete. |
| Rango medio | 500 Hz a 2 kHz | El nombre puede ser de rango medio, pero está en el extremo superior de las frecuencias fundamentales creadas por la mayoría de los instrumentos musicales. Aquí se pueden encontrar instrumentos como el violín y el flautín. |
| Rango medio superior | 2 a 4 kHz | Como se mencionó, los armónicos son múltiplos de la frecuencia fundamental, por lo que si se espera que los fundamentales de una trompeta estén en el rango medio inferior, podemos esperar que el armónico sea 2 veces, 3 veces y 4 veces ese fundamental, lo que los colocaría en este rango. |
| Presencia | 4 a 6 kHz | Los armónicos para violín y flautín se encuentran aquí |
| Brillantez | De 6 a 20 kHz | Por encima de los 6 kHz es donde los sonidos se vuelven más parecidos a gemidos y silbidos porque son muy agudos. En este rango se encuentran sonidos sibilantes (el silbido indeseado al pronunciar a veces una 's') y armónicos para ciertos sonidos de percusión como los platillos. |
Un método eficaz para observar cómo los altavoces, zumbadores o micrófonos reproducen diversas frecuencias es mediante un gráfico de respuesta de frecuencia. Generalmente, los zumbadores presentan un rango de frecuencia más estrecho, ya que emiten principalmente tonos audibles, mientras que los altavoces ofrecen un rango más amplio para reproducir con precisión sonidos y voces.
Para altavoces, zumbadores y dispositivos de salida similares, el eje y en un gráfico de respuesta de frecuencia mide dB SPL (decibeles de nivel de presión sonora), lo que indica la sonoridad. Por el contrario, para los micrófonos que detectan el sonido en lugar de emitirlo, el eje y mide la sensibilidad en dB. Es importante tener en cuenta que el eje x representa la frecuencia en una escala logarítmica, y dado que el eje y denota dB SPL, este gráfico corresponde a un altavoz o dispositivo de salida similar. Recuerde, los valores en dB son logarítmicos, por lo tanto, ambos ejes operan en una escala logarítmica.
Este gráfico ilustra los dB SPL producidos con una entrada de potencia constante en varias frecuencias. En este caso, la salida se mantiene relativamente constante, con una disminución notable por debajo de los 70 Hz y una disminución más suave por encima de los 20 kHz. Esto indica que el dispositivo de audio, bajo una entrada de energía uniforme, mantiene un nivel de presión de sonido similar entre 70 Hz y 20 kHz, pero presenta niveles de presión de sonido más bajos fuera de este rango.
Los gráficos de respuesta de la frecuencia también pueden representar picos y valles más pronunciados, indicando áreas donde la resonancia amplifica o suprime la salida. Por ejemplo, al usar el altavoz CSS-50508N de Same Sky como ejemplo, la siguiente figura ilustra un perfil de altavoz típico. Según la hoja de datos, la frecuencia de resonancia es de 380 Hz ±76 Hz, que se correlaciona con el pico inicial, seguido de una caída significativa entre 600 y 700 Hz. Sin embargo, la respuesta permanece plana entre 800 Hz y 3 kHz. Dado su tamaño compacto de 41 mm x 41 mm, se espera que este altavoz pueda reproducir mejor las frecuencias más altas que las más bajas, como se muestra en el gráfico. Los ingenieros de diseño pueden aprovechar esta información para garantizar que el altavoz cumpla con los requisitos de reproducción de frecuencia previstos.
Comprender los fundamentos de la frecuencia de audio es crucial a la hora de seleccionar y diseñar gabinetes. El rango de frecuencia de audio influye de manera significativa en varios aspectos del diseño del gabinete. Aquí te explicamos cómo:
Tamaño del altavoz y del gabinete
Los altavoces más pequeños pueden moverse más rápido, lo que les permite producir frecuencias más altas con mayor precisión y minimizar los armónicos no deseados. Como se detalla en el blog de Same Sky sobre el diseño de gabinetes para microaltavoces, los altavoces más pequeños también requieren gabinetes más pequeños, lo que ahorra espacio y reduce los costos de materiales.
Sin embargo, para lograr el mismo nivel de dB SPL a frecuencias muy bajas, es necesario un diafragma más grande para mover suficiente aire. Esto se debe a la dificultad inherente de mover suficiente aire para igualar el nivel de presión sonora en dB percibido en frecuencias más altas. La buena noticia es que el mayor peso de un diafragma más grande es menos problemático en frecuencias más bajas, donde el movimiento es más lento.
Resonancia
La mayoría de los objetos tienen una frecuencia resonante: la frecuencia natural en la que vibran. Por ejemplo, una cuerda de guitarra vibra a su frecuencia resonante cuando se pulsa. Si reproduce esta frecuencia con un altavoz cerca de la cuerda, comenzará a vibrar y a amplificarse con el tiempo. Este fenómeno también ocurre con otros objetos, provocando ruidos y zumbidos no deseados en los elementos circundantes. El blog de Same Sky sobre resonancia y frecuencia resonante profundiza en este tema.
Al diseñar un gabinete, es crucial asegurarse de que no tenga una frecuencia resonante natural dentro del mismo rango que la salida de audio que se espera. De lo contrario, el altavoz producirá una salida no lineal y armónicos no deseados. Sin embargo, en algunas aplicaciones, es deseable controlar o ampliar el rango de resonancia de una caja.
Materiales
El diseño de altavoces y micrófonos requiere un equilibrio preciso de componentes que deben permanecer quietos, flexibles y mantenerse rígidos mientras se mueven. Para los altavoces, el cono o diafragma debe ser extremadamente ligero para garantizar una respuesta rápida, pero lo suficientemente rígido para evitar deformaciones. Los materiales más comunes utilizados en los altavoces de Same Sky son papel y plástico. Ambos materiales son excepcionalmente ligeros y rígidos, pero el plástico también resiste la humedad. Además, la goma que conecta el diafragma al marco debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar movimientos extremos sin romperse y, al mismo tiempo, permanecer flexible para evitar interferir con el movimiento del cono.
Este equilibrio entre sensibilidad, rango de frecuencia, robustez y rango de SPL se aplica también a los materiales del micrófono. Los micrófonos varían desde los simples micrófonos electret o MEMS, que ofrecen una frecuencia y sensibilidad suficientes pero limitadas, hasta los micrófonos de cinta, conocidos por su excepcional sensibilidad y rango de frecuencia. Sin embargo, los micrófonos de cinta son extremadamente frágiles e inadecuados para muchos instrumentos de percusión; deben manipularse con cuidado y transportarse con una funda para evitar dañar el diafragma.
Estas compensaciones, junto con los costos de los materiales, varían según los diferentes rangos de audio. Los altavoces de gama baja no priorizan tanto el peso del cono, sino que requieren suspensiones capaces de realizar movimientos más grandes.
El material utilizado para un recinto también afecta la resonancia y la absorción del sonido. Al diseñar un recinto, cuyo objetivo principal es amortiguar el sonido desfasado que llega hacia atrás, los ingenieros necesitan materiales que absorban el sonido de manera eficaz. Esto es especialmente importante para los sonidos de frecuencias más bajas, que son más difíciles de amortiguar.
Es importante reconocer que muy pocos sistemas, y ningún altavoz o gabinete, pueden ofrecer todo el rango de audio con alta fidelidad. Las frecuencias extremas, en particular, requieren altavoces y gabinetes especializados. Para una reproducción de sonido verdaderamente precisa, es esencial contar con un conjunto equilibrado de altavoces en todos los rangos, cada uno ajustado para producir la salida más lineal.
En segundo lugar, la mayoría de las aplicaciones no requieren este nivel de fidelidad y una salida lineal puede no ser el resultado deseado. Por ejemplo, un teléfono sólo necesita cubrir el rango vocal humano básico, e incluso cuando extiende el rango de frecuencia para acomodar armónicos, todavía no alcanza el rango de 20 Hz a 20 kHz. De manera similar, las aplicaciones de notificación o seguridad solo requieren un zumbido, un gorjeo o un chillido dentro de un rango de frecuencia estrecho pero a diferentes niveles de presión sonora. Para estos diseños, los zumbadores o sirenas, que priorizan el costo, el tamaño, la potencia y el volumen sobre el rango de frecuencia, son una opción adecuada.
En última instancia, es esencial comprender todas las limitaciones de un proyecto. Tomar decisiones sobre compensaciones es un aspecto esencial de ser ingeniero y diseñador.
Conclusión
El rango de frecuencia de audio es un factor significativo en el diseño y la selección de componentes de altavoces, zumbadores de audio, gabinetes y micrófonos. Una comprensión fundamental de este rango, sus implicaciones para la grabación y reproducción, y su relación con las limitaciones físicas de los equipos de audio es crucial para el proceso de diseño. Same Sky ofrece una amplia variedad de componentes de audio así como servicios de diseño de audio, proporcionando soluciones para numerosas aplicaciones con diversos requisitos de frecuencia.
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