Una línea de transmisión acústica es el uso de un conducto largo, que actúa como guía de ondas acústicas y se utiliza para producir o transmitir sonido sin distorsiones. Técnicamente, es el análogo acústico de la línea de transmisión eléctrica , típicamente concebida como un conducto o tubo de paredes rígidas, que es largo y delgado en relación con la longitud de onda del sonido presente en él.
Ejemplos de tecnologías relacionadas con la línea de transmisión (TL) incluyen el tubo parlante (en su mayoría obsoleto) , que transmitía el sonido a una ubicación diferente con una mínima pérdida y distorsión, instrumentos de viento como el órgano de tubos , instrumentos de viento de madera y metales que se pueden modelar en parte como transmisión. líneas (aunque su diseño también implica generar sonido, controlar su timbre y acoplarlo eficientemente al aire libre), y altavoces basados en líneas de transmisión que utilizan el mismo principio para producir frecuencias graves extendidas precisas y evitar la distorsión. La comparación entre un conducto acústico y una línea de transmisión eléctrica es útil en el modelado de "elementos agrupados" de sistemas acústicos, en los que elementos acústicos como volúmenes, tubos, pistones y pantallas se pueden modelar como elementos individuales en un circuito. Con la sustitución de la presión por el voltaje y la velocidad de las partículas volumétricas por la corriente, las ecuaciones son esencialmente las mismas. [2] Las líneas de transmisión eléctrica se pueden utilizar para describir tubos y conductos acústicos, siempre que la frecuencia de las ondas en el tubo esté por debajo de la frecuencia crítica, de modo que sean puramente planas.
Criterios de diseño
La inversión de fase se logra seleccionando una longitud de línea que sea igual al cuarto de longitud de onda de la frecuencia más baja objetivo. El efecto se ilustra en la Fig. 1, que muestra un límite rígido en un extremo (el altavoz) y la línea de ventilación de extremo abierto en el otro. La relación de fase entre el altavoz de graves y la ventilación está en fase en la banda de paso hasta que la frecuencia se acerca al cuarto de longitud de onda, cuando la relación alcanza los 90 grados como se muestra. Sin embargo, en este momento, la ventilación está produciendo la mayor parte de la salida (Fig. 2). Debido a que la línea está operando en varias octavas con la unidad de transmisión, la excursión del cono se reduce, proporcionando niveles de presión sonora más altos y niveles de distorsión más bajos, en comparación con los diseños de deflectores reflejos e infinitos.
El cálculo de la longitud de la línea requerida para una cierta extensión de graves parece ser sencillo, basado en una fórmula simple:
dónde:
- es la frecuencia del sonido en hercios (Hz)
- 344 m ⁄ s es la velocidad del sonido en el aire a 20 ° C
- es la longitud de la línea de transmisión en metros .
La carga compleja de la unidad de transmisión de graves exige parámetros específicos del controlador Thiele-Small para obtener todos los beneficios de un diseño TL. La mayoría de las unidades de transmisión en el mercado están desarrolladas para los diseños de deflectores infinitos y reflejos más comunes y generalmente no son adecuadas para la carga TL. Los controladores de graves de alta eficiencia con capacidad extendida de baja frecuencia, generalmente están diseñados para ser extremadamente ligeros y flexibles, con suspensiones muy compatibles. Si bien se desempeña bien en un diseño réflex, estas características no coinciden con las exigencias de un diseño TL. La unidad de accionamiento está acoplada de forma eficaz a una larga columna de aire que tiene masa. Esto reduce la frecuencia de resonancia de la unidad de accionamiento, eliminando la necesidad de un dispositivo altamente compatible. Además, la columna de aire proporciona mayor fuerza sobre el propio conductor que un conductor que se abre a un gran volumen de aire (en términos simples, proporciona más resistencia al intento del conductor de moverlo), por lo que controlar el movimiento del aire requiere una gran cantidad de aire. cono rígido, para evitar deformaciones y consecuentes deformaciones.
La introducción de los materiales de absorción reduce la velocidad del sonido a través de la línea, como descubrió Bailey en su trabajo original. Bradbury publicó sus extensas pruebas para determinar este efecto en un artículo en el Journal of the Audio Engineering Society (JAES) en 1976 [3] y sus resultados coincidieron en que las líneas muy amortiguadas podrían reducir la velocidad del sonido hasta en un 50%, aunque El 35% es típico en líneas con amortiguación media. Las pruebas de Bradbury se llevaron a cabo utilizando materiales fibrosos, típicamente lana de pelo largo y fibra de vidrio. Sin embargo, este tipo de materiales producen efectos muy variables que no son repetibles de manera consistente para fines de producción. También pueden producir inconsistencias debido al movimiento, factores climáticos y efectos a lo largo del tiempo. Las espumas acústicas de alta especificación, desarrolladas por fabricantes de altavoces como PMC, con características similares a la lana de pelo largo, proporcionan resultados repetibles para una producción constante. La densidad del polímero, el diámetro de los poros y el perfil esculpido se especifican para proporcionar la absorción correcta para cada modelo de altavoz. La cantidad y la posición de la espuma es fundamental para diseñar un filtro acústico de paso bajo que proporcione una atenuación adecuada de las frecuencias graves superiores, al tiempo que permite una ruta sin obstáculos para las frecuencias graves bajas.
Descubrimiento y desarrollo
El concepto fue denominado "laberinto acústico" por Stromberg-Carlson Co. cuando se utilizó en sus radios de consola a partir de 1936 (consulte http://www.radiomuseum.org/r/stromberg_acoustical_labyrinth_837.html ). Este tipo de caja de altavoz fue propuesto en octubre de 1965 por el Dr. AR Bailey y AH Radford en la revista Wireless World (p483-486). El artículo postulaba que la energía de la parte trasera de una unidad de control podría absorberse esencialmente, sin amortiguar el movimiento del cono o superponer reflejos internos y resonancia, por lo que Bailey y Radford razonaron que la onda trasera podría canalizarse por un tubo largo. Si se absorbiera la energía acústica, no estaría disponible para excitar resonancias. Una tubería de longitud suficiente se podía ahusar y rellenar de modo que la pérdida de energía fuera casi completa, minimizando la salida del extremo abierto. No se ha establecido un consenso amplio sobre la conicidad ideal (expansión, sección transversal uniforme o contracción).
Usos
Diseño de altavoz
Las líneas de transmisión acústica llamaron la atención por su uso en altavoces en las décadas de 1960 y 1970. En 1965, el artículo de AR Bailey en Wireless World, "A Non-resonant Loudspeaker Enclosure Design", [4] detallaba una línea de transmisión en funcionamiento, que fue comercializada por John Wright y sus socios bajo la marca IMF y más tarde TDL , y fue vendida por el audiófilo Irving M. "Bud" Fried en los Estados Unidos.
Una línea de transmisión se utiliza en el diseño de altavoces, para reducir el tiempo, la fase y las distorsiones relacionadas con la resonancia, y en muchos diseños para obtener una extensión de graves excepcional hasta el extremo inferior de la audición humana y, en algunos casos, el casi infrasónico (por debajo de 20 Hz). La gama de altavoces de referencia de TDL de la década de 1980 (ahora descontinuada) contenía modelos con rangos de frecuencia de 20 Hz hacia arriba, hasta 7 Hz hacia arriba, sin necesidad de un subwoofer separado . [5] Irving M. Fried , un defensor del diseño de TL, declaró que:
- "Creo que los altavoces deben preservar la integridad de la forma de onda de la señal y el Audio Perfectionist Journal ha presentado una gran cantidad de información sobre la importancia del rendimiento en el dominio del tiempo en los altavoces. No soy el único que aprecia la precisión de tiempo y fase oradores, pero he sido prácticamente el único defensor que ha hablado en forma impresa en los últimos años. Hay una razón para eso ".
En la práctica, el conducto se pliega dentro de un gabinete de forma convencional, de modo que el extremo abierto del conducto aparece como un respiradero en el gabinete del altavoz. Hay muchas formas en que se puede doblar el conducto y la línea a menudo se estrecha en sección transversal para evitar superficies internas paralelas que fomentan las ondas estacionarias. Dependiendo de la unidad de transmisión y la cantidad (y varias propiedades físicas) del material absorbente, la cantidad de ahusamiento se ajustará durante el proceso de diseño para ajustar el conducto y eliminar las irregularidades en su respuesta. La división interna proporciona un refuerzo sustancial para toda la estructura, lo que reduce la flexión y la coloración del gabinete. Las caras internas del conducto o línea, están tratadas con un material absorbente para proporcionar la terminación correcta con frecuencia para cargar la unidad de accionamiento como TL. Un TL teóricamente perfecto absorbería todas las frecuencias que ingresan a la línea desde la parte trasera de la unidad de transmisión, pero sigue siendo teórico, ya que tendría que ser infinitamente largo. Las limitaciones físicas del mundo real exigen que la longitud de la línea a menudo sea inferior a 4 metros antes de que el gabinete sea demasiado grande para cualquier aplicación práctica, por lo que no toda la energía trasera puede ser absorbida por la línea. En un TL realizado, solo el bajo superior está cargado en TL en el verdadero sentido del término (es decir, completamente absorbido); se permite que los graves bajos irradien libremente desde la ventilación del gabinete. Por lo tanto, la línea funciona efectivamente como un filtro de paso bajo, otro punto de cruce, de hecho, logrado acústicamente por la línea y su relleno absorbente. Por debajo de este “punto de cruce”, el bajo bajo es cargado por la columna de aire formada por la longitud de la línea. La longitud se especifica para invertir la fase de la salida trasera de la unidad de transmisión cuando sale del respiradero. Esta energía se combina con la salida de la unidad de graves, extendiendo su respuesta y creando efectivamente un segundo controlador.
Conductos de sonido como líneas de transmisión.
Un conducto para la propagación del sonido también se comporta como una línea de transmisión (por ejemplo, conducto de aire acondicionado, silenciador de automóvil, ...). Su longitud puede ser similar a la longitud de onda del sonido que lo atraviesa, pero las dimensiones de su sección transversal son normalmente menores que un cuarto de la longitud de onda. El sonido se introduce en un extremo del tubo obligando a que la presión en toda la sección transversal varíe con el tiempo. Un frente de onda casi plano viaja por la línea a la velocidad del sonido. Cuando la onda llega al final de la línea de transmisión, el comportamiento depende de lo que esté presente al final de la línea. Hay tres escenarios posibles:
- La frecuencia del pulso generado en el transductor da como resultado un pico de presión en la salida del terminal (resonancia armónica de tubo abierto de orden impar) que resulta en una impedancia acústica efectivamente baja del conducto y un alto nivel de transferencia de energía.
- La frecuencia del pulso generado en el transductor da como resultado una presión nula en la salida del terminal (incluso antirresonancia armónica de tubería abierta ordenada) que da como resultado una impedancia acústica efectivamente alta del conducto y un bajo nivel de transferencia de energía.
- La frecuencia del pulso generado en el transductor no da como resultado un pico ni un nulo en el que la transferencia de energía es nominal o de acuerdo con la disipación de energía típica con la distancia desde la fuente.
Ver también
Referencias
- ^ http://www.imf-electronics.com/Home/imf/speaker-range/reference-speakers/rspm
- ^ Beranek, Leo (1954) Acústica . Instituto Americano de Física. ISBN 978-0883184943
- ^ LJS Bradbury, "El uso de materiales fibrosos en cajas de altavoces", Revista de la Sociedad de ingeniería de audio, abril de 1976, páginas 404-412
- ^ AR Bailey, "Un diseño de caja de altavoz no resonante", Wireless World, octubre de 1965, páginas 483-486
- ^ http://www.imf-electronics.com/Home/imf/speaker-range/reference-speakers
enlaces externos
- Altavoces Quarterwave - Martin J King, desarrollador del software de modelado TL
- Páginas de altavoces de la línea de transmisión : proyectos de TL, historia y más
- Artículos de Brines Acoustics ( archivado el 24 de octubre de 2009): aplicación, consejos, ensayos
- Tubo de cuarto de onda - DiracDelta.co.uk - descripción del funcionamiento, ecuación y cálculo en línea