CONCEPTOS BÁSICOS DE SISTEMA DEL SONIDO AUTOMOTRIZ.

Vamos a comprender conceptos como potencia, sensibilidad y reproducción de baja frecuencia.

Por Ing. JUAN CASTILLO.

En los sistemas de sonido para el automóvil, como sucede en muchas áreas de nuestras vidas, existen términos que utilizamos cotidianamente, pero cuyo significado no comprendemos. Un buen ejemplo de esto que digo, es la palabra “potencia”.

Una persona con un sistema que tenga muchos amplificadores de alta potencia, conectados a media docena de subwoofers, probablemente piensa que tiene mucha potencia (y hasta es posible se sienta complacido al pensar que tiene más potencia que su vecino de al lado). La potencia como tal, constituye una sólida plataforma de mercadotecnia, por lo que la mayoría de las empresas arrojan más leña a la fogata de la “potencia”. Pero en realidad, la potencia no es tan importante como quieren hacernos creer.

LA ENTRADA, NO LA SALIDA.

La razón de esto es que la potencia especificada para una bocina, es potencia a la entrada, no potencia a la salida. La eficiencia de una bocina es algo realmente bajo, aproximadamente de un 0.5% para la inmensa mayoría de las bocinas que reproducen las frecuencias más bajas.

Eso significa que por cada 100 Watts de potencia a la entrada, en realidad la bocina utiliza aproximadamente 0.5 Watts para producir sonido. Sabemos que la energía no se crea ni se destruye, lo cual nos lleva a plantearnos esta pregunta: “¿Qué ocurre con el resto de esa potencia?”. Pues resulta que 99.5 de esos 100 Watts totales, se transforman en calor, y se desperdicia constantemente. La bobina móvil de un subwoofer opera prácticamente a 150ºC, y no se considera que sea demasiado caliente. ¿Entonces por qué hacemos tanto escándalo y estamos dispuestos a desperdiciar toda esa energía en un barril sin fondo?

Para aquellos que deseen arrojar algo de luz sobre este tema, debemos saber que, para que una bocina produzca el sonido, la energía debe transformarse dos veces. En primer lugar, la energía eléctrica se transforma en mecánica para mover el cono y en segundo lugar, esta energía mecánica tiene que transformarse en energía acústica, es decir, en sonido.

Es un hecho bien conocido que el mejor aprovechamiento de la potencia ocurre, cuando las impedancias de entrada y salida de un dispositivo son idénticas. El problema es que el peso del cono de la bocina es considerablemente mayor que el peso del aire. Así que entre más se parezcan estas dos variables, mejor se llevará a cabo la transferencia de potencia. Es ésta la razón principal por la que en años recientes, los conos de material compuesto sumamente liviano han ganado cada vez mayor popularidad.

La especificación de potencia que viene impresa en la placa posterior de una bocina, nos dice la intensidad a la que se puede alimentar una señal a esa bocina, y todavía tener una operación segura. Lamentablemente, esta intensidad no se expresa en Watts, sino en Volts, e inclusive en ese caso, el verdadero límite en un sistema de sonido para automóvil depende de muchos otros factores que dependen, no de las especificaciones de la bocina, sino de lo que el instalador haga con ella. ¿Cómo puede ser esto?

CARRERA Y DISIPACIÓN DE POTENCIA.

El funcionamiento de las bocinas tiene dos factores que limitan su eficacia. Por una parte está la carrera y por otra la disipación de potencia (o potencia absorbida). En otras palabras, la limitación de la carrera se refiera a que el cono puede llegar a vibrar más rápido de lo que le es físicamente posible y se rompe, y si el mecanismo electromagnético no puede absorber toda esa energía eléctrica, por una señal excesivamente grande, puede quemarse.

Para que una bocina pueda mantener el mismo nivel de intensidad de sonido en un rango de frecuencias específico, cada vez que la frecuencia se reduce a la mitad (esto es, cada vez que baja una octava) la distancia que el cono debe recorrer se cuadruplica.

Eso significa que existe un punto al que eventualmente llegará la bocina, al intentar reproducir una frecuencia extremadamente baja, a la que el mecanismo recorra más de la cuenta, y en el proceso se destruya (aunque antes de que eso pase, emite muchos “ruidos de advertencia”). Ahora lo importante aquí, es que esto no está relacionado exclusivamente con la magnitud de la señal a la entrada, ni tiene una relación directa con las especificaciones de la bocina, sino más bien depende de la forma en que el instalador coloque la bocina.

Por ejemplo, para una bocina de medios, podría ser posible utilizar una frecuencia de cruce que se encuentra una octava más baja que el estándar, incrementando su pendiente, instalándola en un cajón sellado herméticamente. Una bocina para graves en un cajón sellado grande (Qtc = 0.707) podría presentar un límite de carrera, a la frecuencia de 45 Hz cuando se alimentan 30 Volts. Para ese mismo voltaje de alimentación, la misma bocina instalada en un cajón más pequeño (Qtc = 1.2) su gama podría bajar hasta los 30 Hz. Por lo tanto, el límite de carrera de la bocina, depende del tipo y tamaño del cajón acústico en el que está operando, y de las características del filtro de frecuencias que se está usando, y no tanto de la potencia máxima admisible que viene especificada en el folleto de ventas.

El límite de la potencia absorbida, se refiere a la potencia que una bobina móvil puede soportar antes de quemarse. Contrariamente a lo que indica el sentido común, esto tiene mucho que ver con la forma en que ajustamos la ganancia de nuestro sistemas (en relación a la cantidad de traslape de ganancia que estamos dispuestos a tolerar) así que no tiene tanto que ver con la máxima potencia de salida.

Primero, es muy importante comprender la forma en que se comporta la música. La música contiene principalmente información de baja intensidad o “promedio” mezclada con señales instantáneas de gran intensidad, que forman un pico, por ejemplo, cuando golpea el bombo de la batería. La diferencia entre el nivel promedio y la intensidad pico se conoce como el factor de cresta, y se expresa en dB (decibeles). Cuando estamos escuchando por radio un programa de controversia en AM, la señal se puede procesar para que tenga un factor de cresta de 6 decibeles; la música comercial tendría un factor de cresta de 15 decibeles, y la música para audiófilos, por ejemplo esas pistas que utilizamos durante las competencias de IASCA o USACi, pueden tener un factor de cresta de 25 decibeles, e incluso más. Entre menor sea el factor de cresta, la música será más ruidosa y menos dinámica, y va a consumir mayor potencia.

ESTRUCTURA DE LA GANANCIA.

Cuando un sistema es llevado hasta el punto en que comienza a cortar la señal (se produce la distorsión conocida como recorte o “clipping”), el amplificador comienza a producir lo que se conoce como “onda cuadrada”. Cuando la señal de entrada aumenta tanto, que en la salida, el amplificador trata de producir una señal más elevada de lo que le permite su capacidad máxima de voltaje. En esas condiciones, lo que ocurre es que los dos extremos de la señal se recortan, y nos recuerda la forma de una onda cuadrada.

La potencia que se transfiere a una bobina móvil, se puede calcular como el área bajo la curva de la señal. Si esa onda ha sido sobreexcitada hasta el punto de distorsión en que se produce una señal recortada, su área, y por lo tanto la potencia de salida real que se transfiere a la bocina, se incrementa significativamente.

Bajo ciertas condiciones del mundo real, la potencia de salida se puede duplicar fácilmente con este truco. Agregando la burla al insulto, las pequeñas áreas en las que la señal se recortó, se pueden interpretar como pequeñas señales de corriente directa (DC), señales con las que las bocinas no se sienten nada cómodas.

De hecho, una bobina móvil solamente se puede comportar como un elemento de inducción, cuando pasa por ella una señal de corriente alterna (AC). Es por tal motivo que no es posible aumentar o disminuir el voltaje (por medio de un transformador) cuando se trata de una corriente directa; primero debe transformarse en una corriente alterna, para que los alambres enrollados dentro del transformador, puedan comportarse como elementos de inducción y bajar o subir el voltaje.

Cuando una corriente directa pasa por una bobina, ésta en realidad se comporta como una resistencia, o inclusive como un cortocircuito, desperdiciando grandes cantidades de potencia. Eso significa que esas pequeñas ráfagas de corriente directa presentes en una señal recortada, tienden a incrementar todavía más el desperdicio de potencia de esa bocina. Esto puede provocar que una bocina, cuya potencia nominal sea de 100 Watts, fácilmente comience a fallar cuando su señal es alimentada por un amplificador de igual o menor potencia (100-75 Watts), cuando se le aplica una severa dosis de distorsión.

Por otra parte, si estamos reproduciendo música con un factor de cresta muy alto, en un sistema cuya estructura de ganancia se ajustó de tal forma que no puede pasar ninguna distorsión, o cuando mucho, pasan cantidades muy pequeñas, esa misma bocina de 100 Watts fácilmente puede conectarse a un amplificador de 500 Watts, siempre y cuando no se llegue a su límite de carrera. Es un caso muy parecido a cuando pasas tu dedo por una flama. Si no dejas tu dedo mucho tiempo sobre la flama, en realidad no se puede calentar y no te vas a quemar.

Todo eso significa que cuando se utiliza un amplificador de igual potencia o inclusive menor, como sucedió en nuestro primer ejemplo, esto puede destruir una bocina especificada para manejar 100 Watts, pero esa misma bocina puede llevar una vida longeva y feliz con un modelo de 500 Watts, si se ajusta como se describió en el segundo ejemplo. Entonces, ¿qué tan poderosa podemos decir que es realmente esa bocina? No podemos. Porque no depende de la bocina misma, sino de lo que el instalador haga con ella.

SON VOLTS, NO WATTS.

Ahora vamos a regresar a la especificación de potencia de salida del amplificador. La potencia es lo que se produce, o lo que se desarrolla, bajo una carga es decir, cuanto esfuerzo se hace para hacer un trabajo contra algo que se opone a ello. En términos eléctricos, es el voltaje al cuadrado dividido, entre la resistencia (P = V x V/R, o lo que es lo mismo P = V x I). Lo que estamos solicitando de nuestras bocinas, es que reproduzcan la música, y que lo hagan en forma clara, con mucha intensidad y sin desperdiciar tanta potencia. La eficiencia típica de una bocina de baja frecuencia, se especifica en términos de su sensibilidad, esto es los decibeles que puede producir cuando se le alimenta una señal con una potencia de 1 Watt y se mide a 1 m distancia.

Esta misma especificación suele expresarse utilizando un voltaje a la entrada de 2.83 Volts a 1 m, porque 2.83 Volts es la tensión eléctrica que se necesita para producir una potencia de 1 Watt, cuando se alimenta una impedancia de 8 Ohms. El problema es que esos 8 Ohms representan un valor nominal, pero no es un valor constante, ni tampoco es real.

Esto se debe a que las bocinas no tienen una sola impedancia, sino presentan una curva de impedancias. En otras palabras una bocina presenta un valor de impedancia diferente para cada frecuencia, la cual (para un subwoofer de automóvil de una impedancia nominal de 4 Ohms) casi siempre fluctúa desde algo cercano a los 3 Ohms, hasta más de 120 Ohms. Lo que trato de dar a entender, es que la antigua especificación de 1 Watt, resulta demasiado ambigua. La especificación de 2.83 Volts para una bocina de 8 Ohms, o la especificación de 2 Volts para bocinas de 4 Ohms, tienen mucho más lógica. Esto significa que una bocina no necesariamente necesita consumir 1 Watt para producir un cierto número de decibeles. Básicamente, lo que una bocina necesita para producir sonido, no es potencia, sino voltaje (obviamente, respaldada por la corriente necesaria para producir la potencia necesaria). Dependiendo de la intensidad de la señal a la entrada, el voltaje se relaciona con los decibeles que una bocina puede producir y, dependiendo de su impedancia, de la potencia que puede soportar.

Cabe recordar que la potencia es el trabajo que desarrolla un elemento bajo una cierta carga (contra algo que se opone a la realización de ese trabajo). Si necesitas pasar una mesa de un punto A, a un punto B, esa acción requiere más potencia de tu parte, si la mesa tiene muchas cosas encima, de lo que se necesitaría sino tiene nada.

No obstante, lo que quieres hacer es mover la mesa, esto es, producir muchos decibeles. El esfuerzo que hagas depende de qué tan pesada sea la mesa, y esa es la potencia invertida.

UNO A UNO.

Esta es la razón por la que muchos amplificadores de sonido para uso profesional, no están especificados en Watts, sino en dBW (dB referidos a 1 Watt). Un amplificador capaz de producir 20 dBW, es un aparato que puede agregar 20 decibeles de nivel de presión acústica a la bocina, con una sensibilidad a 2.83 Volts.

Esto representa un amplificador de 100 Watts en el modo antiguo (10 log 100). Si tu conectas una bocina a este amplificador, le vas a agregar 20 decibeles.

Si alimentas dos bocinas idénticas en paralelo (y si además, el amplificador puede soportar dicha carga) la intensidad de sonido que va a producir cada bocina no se va a incrementar (en realidad puede disminuir un poco), pero el amplificador producirá el doble de potencia, la mitad para cada bocina. Entre mayor número de bocinas estén conectadas en paralelo, más baja será la carga, y más potencia va a producir el amplificador, pero el nivel de salida en dB para esa bocina, no va a cambiar.

Por otra parte, cuando la impedancia baja demasiado, por ejemplo, al tratar de hacer funcionar una carga de 1 Ohm, con un amplificador normal clase D para automóvil, el amplificador falla drásticamente, dado que no puede mantener el voltaje de salida, reduciendo significativamente la potencia de cada bocina.

Esto significa que tendría mucho más lógica utilizar una bocina para cada amplificador, dado que esto permite que el amplificador pueda sostener un voltaje de salida más alto, funcionar a menor temperatura y disponer de mucha corriente de reserva extra para los picos. Sin embargo, esto va en contra de las costumbres en las instalaciones de sonido automotriz. Cuando en el futuro pienses en la configuración de un sistema de sonido para automóvil, piensa un momento si tu propósito es lograr la mayor calidad de sonido, o el mayor nivel de presión acústica.