Altavoces: cómo funcionan, cajas acústicas y monitores de estudio

Un violín necesita una caja de resonancia para que su cuerda se oiga. Un altavoz, en cierto modo, es lo mismo: un pequeño motor que mueve un diafragma y una caja que decide cómo sale ese sonido al aire. La diferencia es que el altavoz no tiene un timbre propio que queramos oír: su ideal es ser transparente y reproducir cualquier sonido tal como se grabó. Ningún altavoz lo consigue del todo, y entender por qué te ayuda a escuchar mejor tus grabaciones.

Prueba primero tus propios altavoces. Estos cuatro tonos puros son graves; con unos auriculares buenos oirás los cuatro, pero en el altavoz de un móvil o de un portátil los primeros apenas sonarán:

▶ Tonos de 40, 60, 100 y 200 Hz

Si no oyes el de 40 Hz, no es tu oído: es el altavoz. Aun así, en la música reconocerías la nota de un contrabajo gracias a sus armónicos y al fenómeno de la fundamental ausente, que se explica en la altura percibida.

¿Cómo funciona un altavoz?

Casi todos los altavoces que usas son electrodinámicos (de bobina móvil), un diseño que presentaron Chester Rice y Edward Kellogg, de General Electric, en 1925. Sus partes son:

• Imán permanente con una estrecha ranura (el entrehierro) donde el campo magnético es muy intenso.
• Bobina móvil, enrollada en un cilindro y metida en el entrehierro.
• Diafragma: el cono (de papel, polipropileno, fibras…) o la cúpula, pegado a la bobina.
• Suspensiones: el borde exterior y la araña, que centran la bobina y la devuelven a su posición de reposo.

Cuando la corriente de la señal atraviesa la bobina, el campo magnético la empuja con una fuerza:

$$F = B \, l \, i$$

• $F$: fuerza sobre la bobina (N).
• $B$: densidad de flujo magnético en el entrehierro (T).
• $l$: longitud del hilo de la bobina dentro del campo (m).
• $i$: corriente (A).

Con $B = 1$ T, 10 m de hilo y 1 A, la fuerza es de 10 N. Como la corriente cambia de sentido al ritmo de la señal, la bobina avanza y retrocede, y el diafragma crea compresiones y enrarecimientos en el aire. Un altavoz es un micrófono dinámico funcionando al revés; de hecho, un altavoz conectado a una entrada de micrófono capta sonido, aunque mal.

Un rendimiento muy bajo

Un altavoz convierte en sonido una fracción mínima de la potencia eléctrica que recibe; el resto se pierde como calor en la bobina. En potencia acústica e intensidad ya viste que no hay que confundir la potencia eléctrica con la acústica. Un altavoz doméstico típico tiene un rendimiento del 0,5-1 %.

Sensibilidad y nivel de presión

La sensibilidad de un altavoz es el nivel de presión sonora que produce a 1 m en su eje con 1 W de potencia eléctrica (o con 2,83 V, que equivalen a 1 W en 8 Ω). Se expresa en dB SPL (1 W, 1 m). A partir de ella se estima el nivel en otras condiciones, en campo libre:

$$L_p = S + 10\log_{10}(P) - 20\log_{10}(r)$$

• $L_p$: nivel de presión sonora (dB SPL).
• $S$: sensibilidad (dB SPL, 1 W, 1 m).
• $P$: potencia eléctrica (W).
• $r$: distancia (m).

Ejemplo. Un altavoz de 88 dB con 100 W, a 4 m: $88 + 20 - 12 = 96$ dB SPL. En una sala real será algo más, por las reflexiones.

Sensibilidad (1 W, 1 m)	Rendimiento aproximado	Potencia para 100 dB SPL a 1 m
85 dB	0,2 %	32 W
88 dB	0,4 %	16 W
90 dB	0,6 %	10 W
92 dB	1,0 %	6,3 W

Fíjate en la última columna: 3 dB más de sensibilidad equivalen a la mitad de potencia. Por eso, en sonido en directo, se valoran tanto los altavoces eficientes y las bocinas, que mejoran el acoplamiento con el aire. Las reglas de cálculo son las de los decibelios.

Tipos de altavoces según la banda

Un diafragma grande mueve mucho aire, como hace falta para los graves, pero pesa y no puede vibrar deprisa. Uno pequeño y ligero sigue bien los agudos, pero mueve poco aire. Por eso se reparten las tareas:

Tipo	Tamaño típico	Banda aproximada
Subwoofer	25-46 cm	20-120 Hz
Woofer (graves)	16-38 cm	40 Hz - 2 kHz
Medio (midrange)	8-13 cm	300 Hz - 5 kHz
Tweeter (agudos)	Cúpula de unos 25 mm	2-20 kHz
Motor de compresión con bocina	Diafragma de 25-100 mm	Medios y agudos en sonorización, con gran eficiencia

Además de los electrodinámicos existen altavoces electrostáticos (una membrana cargada entre dos rejillas), de cinta y planar-magnéticos, que tienen diafragmas muy ligeros y un sonido muy detallado, pero son caros o poco eficientes en graves.

La directividad

Un altavoz no emite igual hacia todos lados. Cuando la longitud de onda es mucho mayor que el diafragma, el sonido se reparte en todas direcciones; cuando se hace comparable a su diámetro, el haz se estrecha. Es la misma difracción que hace que los graves «doblen las esquinas». Como orientación, el altavoz empieza a ser direccional por encima de:

$$f \approx \frac{c}{\pi \, d}$$

donde $c$ = 343 m/s y $d$ es el diámetro efectivo del diafragma. Un woofer de 25 cm se vuelve direccional a partir de unos 440 Hz; un tweeter de 25 mm, a partir de unos 4,4 kHz. Por eso los agudos de un altavoz suenan apagados si no estás en su eje, y por eso la frecuencia de cruce se elige de modo que cada vía trabaje donde su directividad es razonable.

Vías y filtros de cruce (crossover)

Un sistema de dos vías tiene woofer y tweeter; uno de tres vías, además, un medio. El crossover o filtro de cruce reparte la señal:

• un filtro paso bajo hacia el woofer;
• un filtro paso alto hacia el tweeter (y un paso banda hacia el medio, si lo hay).

La frecuencia de cruce es aquella en la que las dos vías reciben la misma energía. En dos vías suele estar entre 1,5 y 3 kHz. La pendiente del filtro indica lo deprisa que atenúa fuera de su banda: 6 dB por octava por cada orden. Un filtro de primer orden (6 dB/oct) es suave; los más usados son de segundo y cuarto orden (12 y 24 dB/oct). El de Linkwitz-Riley de cuarto orden es muy habitual porque sus dos salidas suman una respuesta plana en la frecuencia de cruce.

En un crossover pasivo de primer orden basta un condensador en serie con el tweeter y una bobina en serie con el woofer:

$$C = \frac{1}{2\pi f_c R} \qquad L = \frac{R}{2\pi f_c}$$

Para $f_c = 2{,}5$ kHz y altavoces de 8 Ω: $C \approx 8\ \mu\text{F}$ y $L \approx 0{,}51$ mH. Es un cálculo orientativo: la impedancia real de un altavoz no es constante y los diseños serios la compensan.

Los crossovers activos filtran la señal antes de amplificarla, con un amplificador para cada vía. Es la solución de casi todos los monitores de estudio autoamplificados y de los sistemas de directo, que hoy suelen hacerlo con procesado digital.

Cajas acústicas

Un altavoz sin caja apenas da graves. Cuando el cono avanza, comprime el aire por delante y lo enrarece por detrás; a bajas frecuencias, el aire rodea el borde y las dos ondas, en oposición de fase, se cancelan. Es un cortocircuito acústico. La caja separa las dos caras del cono.

Caja cerrada (suspensión acústica)

La caja es hermética. El aire encerrado actúa como un muelle que se suma a la suspensión del altavoz. Por debajo de su frecuencia de resonancia, la respuesta cae de forma suave, 12 dB por octava. Da unos graves secos, precisos y con buena respuesta a los transitorios. Edgar Villchur popularizó la suspensión acústica a mediados de los años cincuenta.

Caja bass-reflex

La caja tiene un puerto, un tubo abierto al exterior. El aire del tubo (una masa) y el aire de la caja (un muelle) forman un resonador de Helmholtz, el mismo que se usa en los absorbentes de graves que verás en la absorción acústica. Cerca de su frecuencia de sintonía, el puerto radia en fase con el cono y refuerza los graves. Su frecuencia es:

$$f_b = \frac{c}{2\pi}\sqrt{\frac{S}{V \, L'}}$$

• $S$: sección del puerto (m²).
• $V$: volumen de la caja (m³).
• $L'$: longitud efectiva del puerto (m), algo mayor que la real.

Una caja de 30 L con un puerto de 5 cm de diámetro y 15 cm de largo queda sintonizada en torno a 32 Hz. A cambio de ampliar los graves, por debajo de la sintonía la caída es más brusca, 24 dB por octava, y la respuesta a los transitorios es algo menos precisa. Los diseñadores usan los parámetros de Thiele y Small, que resumen el comportamiento del altavoz en graves, para calcular la caja.

Caja	Graves con un tamaño dado	Caída bajo la resonancia	Carácter
Cerrada	Menos extensos	12 dB/oct	Secos, precisos
Bass-reflex	Más extensos	24 dB/oct	Más llenos, algo menos precisos
Bocina	Muy eficiente, pero exige grandes dimensiones para los graves	—	Alto nivel, sonorización

Monitores de estudio

Un monitor es un altavoz pensado para juzgar la grabación, no para embellecerla: busca una respuesta lo más plana posible y una buena imagen estéreo. Los monitores de campo cercano son pequeños y se escuchan a 1-1,5 m, de modo que el sonido directo predomina sobre las reflexiones de la sala.

Pautas básicas de colocación:

1. Los dos monitores y tu cabeza forman un triángulo equilátero: cada monitor, girado 30° hacia ti (60° entre ellos).
2. Los tweeters a la altura de los oídos.
3. Colocación simétrica respecto a las paredes laterales, y los monitores separados de la pared de detrás o bien pegados a ella con el ajuste de graves correspondiente.
4. Pies o soportes que los desacoplen de la mesa, para que no vibre con ellos.

Una buena mezcla se comprueba siempre en varios sistemas: monitores, auriculares, el altavoz de un móvil, el coche. Lo que funciona en todos es lo que se traduce bien. Si trabajas en casa, el acondicionamiento de un home studio importa tanto como los monitores.

Auriculares

Unos auriculares son altavoces diminutos acoplados directamente al oído, así que no les afecta la sala. Hay dinámicos (los más comunes), planar-magnéticos y electrostáticos; y, según su construcción, cerrados (aíslan del exterior y no dejan escapar el sonido: útiles para grabar) y abiertos (más naturales y espaciosos: útiles para mezclar y escuchar). Los intraurales se insertan en el canal auditivo.

Su sensibilidad suele expresarse en dB SPL con 1 mW o con 1 V. Con muy poca potencia alcanzan niveles altos, y el oído no «siente» el volumen como un peligro: conviene no superar niveles moderados durante horas, como se explica en la salud auditiva de los músicos.

Ejercicios

Fuentes y bibliografía

• Colloms, M. (2018). High Performance Loudspeakers (7.ª ed.). Chichester: Wiley.
• Newell, P. y Holland, K. (2007). Loudspeakers for Music Recording and Reproduction. Oxford: Focal Press.
• Rice, C. W. y Kellogg, E. W. (1925). «Notes on the development of a new type of hornless loud speaker». Transactions of the AIEE, 44, 461-475.
• Small, R. H. (1973). «Vented-box loudspeaker systems». Journal of the Audio Engineering Society, 21.
• Rossing, T. D., Moore, F. R. y Wheeler, P. A. (2002). The Science of Sound (3.ª ed.). San Francisco: Addison-Wesley.
• Rumsey, F. y McCormick, T. (2014). Sound and Recording (7.ª ed.). Oxford: Focal Press.