Diseño, implementación y especificación de cajas acústicas Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Técnica de Telecomunicaciones Sonido e Imagen Diseño, implementación y especificación de cajas acústicas Febrero 2009 Autor: Jose Miguel Guardeño Romero Tutora: María del Carmen Clemente Medina

Desarrollo de la exposición Introducción Diseño teórico Implementación Especificación en laboratorio Conclusiones

Introducción

Introducción Objetivos Diseño e implementación de un altavoz de 3 vías con refuerzo de graves (Bass-Reflex) Respuesta en frecuencia extensa Respuesta en frecuencia plana Presupuesto asequible (minimizar costes)

Altavoz dinámico de bobina móvil Introducción Altavoz dinámico de bobina móvil Diafragma: -Rm -Cm -Mm

Necesidad del uso de cajas Introducción Necesidad del uso de cajas Altavoz omnidireccional a baja frecuencia Radiación por ambas caras Desfase 180º entre radiaciones Problema: Interferencias destructivas Solución: aislar radiación trasera

Necesidad de uso de varias vías Introducción Necesidad de uso de varias vías Buena respuesta en baja frecuencia Necesidad diafragma grande y rígido Necesidad de gran suspensión Buena respuesta en alta frecuencia Necesidad diafragma ligero Necesidad de suspensión pequeña Problema: Ningún altavoz cubre todo el rango Solución: usar más de un altavoz con filtrado

Diseño Teórico Conceptos previos Transducción electro acústica Eléctrico (v,i) Mecánico (f,u) Acústico (p,U) Emisor (Altavoz) Acústico (p,U) Mecánico (f,u) Eléctrico (v,i) Receptor (Micrófono)

Diseño Teórico Conceptos previos Uso de analogías electroacústicas (circuitos) Analogía impedancia Sistema mecánico Masa-Resorte Sistema resonador de Helmholtz Analogía impedancia

Diseño Teórico Conceptos previos Circuito electroacústico completo (interconexión)

Diseño Teórico Parámetros Thielle-Small de altavoz bobina móvil Aproximación pistón circular plano de radio “a” Aproximación baja frecuencia, k∙a< 1 Circuito simplificado

Diseño Teórico Parámetros Thielle-Small de altavoz bobina móvil Función de transferencia Parámetros Thielle-Small para el diseño Pulsación de resonancia Factor de sobretensión total Elasticidad acústica

Diseño caja bass-reflex Diseño Teórico Diseño caja bass-reflex Modelo y circuito simplificado equivalente

Diseño Teórico Caudales de radiación

Diseño Teórico Función de transferencia normalizada de Small (filtro paso alto 4º orden) Pulsación de sintonia Factor de sobretensión de fugas (pérdidas)

Diseño Teórico Diseño basado en alineaciones de filtro

Diseño Teórico Alineaciones típicas: B4,C4,QB3

Diseño Teórico Diseño mediante gráficas de Small Diseño mediante tablas de Thielle Nº Ajuste k B q α h Qts 1 QB3 7 2,68 10,5 2,10 0,180 2 6 2,28 7,48 1,86 0,209 3 4 1,77 4,46 1,43 0,259 1,45 2,95 1,16 0,303 5 B4 1,41 0,383 C4 0,8 0,87 1,06 0,93 0,415 0,6 0,73 0,86 0,466 8 0,5 0,64 0,56 0,81 0,518 9 0,4 0,60 0,48 0,72 0,557

Diseño Teórico Elección de Altavoces, requisitos Especificación de parámetros de Thielle-Small Producto Eficiencia-Ancho de Banda EBP Factor de sobretensión total de suspensión, Qts Evitar rizado

Diseño Teórico Respuesta en Frecuencia y sensibilidad

Diseño Teórico Cálculo del volumen de la caja Cálculo de parámetros fundamentales: Volumen interno de la caja Frec. de sintonía Frec. de corte del sistema Datos de entrada: F. de sobrecarga total del altavoz Elasticidad acústica Frec. de resonancia F. de sobrecarga de fugas Variables: α Relación entre compliancias h Sintonía del sistema q Relación entre f-3dB y fs

Diseño Teórico Método Gráfico de Small Ajuste B4 (B=0 y k=1) α≈0,95 h=1 f3/fs=q=1 Cálculo de parámetros:

Diseño Teórico Cálculo mediante uso de tablas Otras alineaciones: BB4, SBB4,SC4 Y SQB3 Mayor precisión

Diseño Teórico Cálculo mediante uso de tablas Alineamiento h α q Rizado (dB) SBB4 1,0000 1,3181 1,0966 0,24 SQB3 0,9889 1,0065 0,9776 SC4 0,9885 1,0070 0,9777 Alineamiento VAB (L) fb (Hz) fl (Hz) Rizado (dB) SBB4 72,83 35 38,3 0,24 SQB3 95,38 34,6 34,2 SC4 95,33 34,5 Cálculo volumen necesario Vb=VAB+Vsw+Vsm+Vst+Vcf+Vma≈97L

Diseño Teórico Cálculo de la puerta de Bass-Reflex

Diseño Teórico Forma de la caja Evitar simetrías (fenómenos de difracción y ondas estacionarias) Posición de tubo (separación del woofer y de la trasera de la caja)

Diseño Teórico Croquis del diseño de la caja

Simulación asistida por ordenador Diseño Teórico Simulación asistida por ordenador Comparar distintos tipos de sistemas Comprobar especificaciones del fabricante Conocer respuesta aproximada a priori del sistema Comprender el comportamiento del sistema

Diseño Teórico Respuesta en frecuencia

Diseño Teórico Impedancia eléctrica de entrada Pantalla infinita Caja Bass-Reflex

Diseño Teórico Caudales de radiación Caudales sistema Bass-Reflex Comparativa caudal total en diferentes sistemas

Diseño Teórico Desplazamiento del diafragma

Diseño Teórico Retardo de grupo

Diseño Teórico Diseño del filtrado Filtro de cruce de 1er orden (6dB/oct.) Filtro paso alto (RC) Filtro p. banda (RLC + red Zobel) Filtro paso bajo (RC + red Zobel)

Diseño Teórico Consideraciones de filtrado Frecuencias de corte separadas de la fs Zona de cruce estable Impedancia no cte. (uso red Zobel) Tamaño componentes pasivos

Diseño Teórico Cálculo de componentes fi=500Hz fs=4KHz

Proceso de implementación Fabricación de la caja Posibilidades de construcción Elección de materiales Herramientas necesarias Coste económico

Proceso de implementación Construcción de la caja Replanteo posición de altavoces y tubo

Proceso de implementación Apertura de orificios

Proceso de implementación Recinto para el filtro y ensamblado

Proceso de implementación Refuerzos y relleno

Proceso de implementación Sellado y preparación de altavoces

Proceso de implementación Acabado

Proceso de implementación Implementación del filtro de cruce Materiales Filtro Acabado Ubicación

Especificación en laboratorio Uso de equipo especifico de acústica Cámara anecoica Plataforma Pulse Caracterización de altavoces Respuesta en frecuencia Sensibilidad Directividad Distorsión Parámetros Thielle-Small (Anexo I) Resultados obtenidos Comprobar resultados Conclusiones

Especificación en laboratorio Equipo usado en el laboratorio de acústica Equipo de medida y alimentación Cámara anecoica Micrófono de precisión

Especificación en laboratorio Medida de la respuesta en frecuencia Colocación Respuesta en frecuencia del sistema (1W, 1m, 0º)

Especificación en laboratorio Respuesta a baja frecuencia ------ Puerta libre ------ Puerta tapada

Especificación en laboratorio Sensibilidad 1KHz, 1W, 1m

Especificación en laboratorio Directividad: montaje

Especificación en laboratorio Directividad: diagramas polares

Especificación en laboratorio Distorsión Total Armónica (THD)

Conclusiones Buena respuesta a baja frecuencia gracias al refuerzo de graves (+6dB’s) Respuesta frecuencial aceptable gracias al filtrado Tamaño y peso considerable Presupuesto asequible Buen acabado estético

Líneas futuras de trabajo Diseño de otros filtros de cruce con distintos componentes Implementación de caja cerrada y pantalla infinita Implementación de cajas con otras formas Sistemas con varios altavoces Respuesta del altavoz en distintos recintos y posiciones

Fin de la presentación Proyecto Fin de Carrera Febrero 2009 Ingeniería Técnica de Telecomunicaciones Sonido e Imagen Fin de la presentación Febrero 2009 Autor: Jose Miguel Guardeño Romero Tutora: María del Carmen Clemente Medina