1 Diseño, implementación y especificación de cajas acústicasProyecto 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

2 Desarrollo de la exposiciónIntroducción Diseño teórico Implementación Especificación en laboratorio Conclusiones

3 Introducción

4 Introducción ObjetivosDiseño 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)

5 Altavoz dinámico de bobina móvilIntroducción Altavoz dinámico de bobina móvil Diafragma: -Rm -Cm -Mm

6 Necesidad del uso de cajasIntroducción 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

7 Necesidad de uso de varias víasIntroducción 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

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

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

10 Diseño Teórico Conceptos previosCircuito electroacústico completo (interconexión)

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

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

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

14 Diseño Teórico Caudales de radiación

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

16 Diseño Teórico Diseño basado en alineaciones de filtro

17 Diseño Teórico Alineaciones típicas: B4,C4,QB3

18 Diseño Teórico Diseño mediante gráficas de SmallDiseño 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

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

20 Diseño Teórico Respuesta en Frecuencia y sensibilidad

21 Diseño Teórico Cálculo del volumen de la cajaCálculo 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

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

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

24 Diseño Teórico Cálculo mediante uso de tablasAlineamiento 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

25 Diseño Teórico Cálculo de la puerta de Bass-Reflex

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

27 Diseño Teórico Croquis del diseño de la caja

28 Simulación asistida por ordenadorDiseño 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

29 Diseño Teórico Respuesta en frecuencia

30 Diseño Teórico Impedancia eléctrica de entrada Pantalla infinitaCaja Bass-Reflex

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

32 Diseño Teórico Desplazamiento del diafragma

33 Diseño Teórico Retardo de grupo

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

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

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

37 Proceso de implementaciónFabricación de la caja Posibilidades de construcción Elección de materiales Herramientas necesarias Coste económico

38 Proceso de implementaciónConstrucción de la caja Replanteo posición de altavoces y tubo

39 Proceso de implementaciónApertura de orificios

40 Proceso de implementaciónRecinto para el filtro y ensamblado

41 Proceso de implementaciónRefuerzos y relleno

42 Proceso de implementaciónSellado y preparación de altavoces

43 Proceso de implementaciónAcabado

44 Proceso de implementaciónImplementación del filtro de cruce Materiales Filtro Acabado Ubicación

45 Especificación en laboratorioUso 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

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

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

48 Especificación en laboratorioRespuesta a baja frecuencia Puerta libre Puerta tapada

49 Especificación en laboratorioSensibilidad 1KHz, 1W, 1m

50 Especificación en laboratorioDirectividad: montaje

51 Especificación en laboratorioDirectividad: diagramas polares

52 Especificación en laboratorioDistorsión Total Armónica (THD)

53 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

54 Líneas futuras de trabajoDiseño 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

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