ES2281093T3 - Sistema y procedimiento de altavoz de acoplador/reflector conico. - Google Patents
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Abstract
SISTEMA DE ALTAVOZ (10) QUE INCLUYE UN REFLECTOR CONICO (14) CONECTADO AL EXCITADOR DEL ALTAVOZ (12). EL REFLECTOR CONICO (14) TIENE AL MENOS UN ANGULO INCLUIDO UTILIZADO PARA REFLEJAR EL SONIDO EN UNA CONFIGURACION DESEADA EN LOS PLANOS HORIZONTAL Y VERTICAL, EN DONDE EL SONIDO ES DISPERSADO EN EL PLANO VERTICAL EN FUNCION DE LOS ANGULOS COMPRENDIDOS ENTRE LOS LADOS. ESTOS ANGULOS PUEDEN VARIARSE O PUEDEN AÑADIRSE MAS ANGULOS COMPRENDIDOS ENTRE LOS LADOS PARA OBTENER CIERTAS DISTRIBUCIONES DE LA ENERGIA SONORA. EL EXCITADOR DEL ALTAVOZ (12) ESTA SITUADO ENCIMA DEL REFLECTOR CONICO (14) DE MANERA QUE EL EXTREMO MAS ESTRECHO DEL CONO (14) MIRA HACIA LA SALIDA DEL EXCITADOR DEL ALTAVOZ (12). EL SONIDO GENERADO POR EL EXCITADOR DEL ALTAVOZ (12) ES REFLEJADO POR EL REFLECTOR CONICO (14) Y DISPERSADO EN FUNCION DE LOS ANGULOS COMPRENDIDOS ENTRE LOS LADOS DEL REFLECTOR CONICO.
Description
Sistema y procedimiento de altavoz de
acoplador/reflector cónico.
La presente invención se refiere a dispositivos
para transmitir sonido, específicamente a sistemas de altavoz que
utilizan un reflector cónico para reflejar ondas de sonido en un
modelo que resulta de la forma del reflector cónico.
Todos los altavoces tienen una atenuación
progresiva en su respuesta en frecuencia a medida que la cara de la
carcasa del altavoz se vuelve pequeña en relación con la longitud de
onda del sonido que está produciéndose. Esta atenuación progresiva
de eficiencia de radiación se llama pérdida por difracción. La
pérdida por difracción lleva a cabo negativamente respuesta en
frecuencia final baja de los altavoces, dejándolos sonar metálico.
Los sonidos más altos, que tienen menores longitudes de onda, son
más intensos que los sonidos más bajos.
La frecuencia de transición para la pérdida de
difracción ocurre a una frecuencia cuya mitad de longitud de onda
ocurre en el ancho más corto de la cara de la carcasa. Por encima de
la frecuencia de transición el controlador del altavoz radia como
una semiesfera o 2 pi radianes. Por debajo de la frecuencia de
transición el controlador del altavoz radia como una esfera
completa o 4 pi radianes. La diferencia entre estos dos modelos de
radiación diferentes es 6 decibelios de ganancia de directividad de
lóbulo frontal para radiación semiesférica por encima de la
frecuencia de transición. La cara de la carcasa puede concebirse
como una bocina de 180 grados con la frecuencia de corte en el
ancho de la cara de la carcasa. La potencia del sonido total en la
sala es la misma por encima y por debajo de la frecuencia de
transición. Por lo tanto, el problema existe ya que la respuesta en
frecuencia en el eje es muy diferente de la respuesta en frecuencia
fuera del eje. Esto ocurriría incluso si el controlador del altavoz
fuese perfecto. Las voces reales, instrumentos y micrófonos no
tienen este problema porque son acústicamente pequeños en relación
a las frecuencias que producen o miden.
Un mini altavoz convencional puede tener una
dimensión de la cara de la carcasa de 101,6 milímetros por 203,2
milímetros. Estas dimensiones corresponden a una mitad de la
longitud de onda de frecuencias de 1.695 Hertzios y 847 Hertzios.
Esto tiene como resultado un paso de frecuencia de 6 decibelios
justo en la mitad de la voz y la mayoría de instrumentos.
El efecto de pérdida por difracción podría
corregirse en un altavoz convencional añadiendo 6 dB de ecualización
electrónica. Sin embargo, 6 dB de incremento requiere cuatro veces
la potencia del amplificador. Además, un incremento de 6 dB
requeriría un doblamiento del recorrido del diafragma del altavoz lo
que también elevaría la distorsión de la modulación de frecuencia a
6 dB. Se crearían también otras distorsiones del segundo y tercer
armónico relacionadas con el producto no lineal BL frente a la
posición de la bobina de voz. Habría también alguna compresión de
potencia que tendría como resultado cambios en los parámetros del
altavoz y en la respuesta en frecuencia. El área del cono se
doblaría para hacer que el recorrido del diafragma fuera de nuevo
uno, pero la masa de más reduciría la extensión de frecuencia de
altura y el diámetro más grande haría a las frecuencias altas más
direccionales.
Otro problema con los altavoces convencionales
es la reflexión en el campo próximo. La reflexión en el campo
próximo introduce distorsión debido a la pequeña cantidad de tiempo
de retardo en el sonido reflejado. En la investigación de Don Davis
se sugiere que el retardo de tiempo de reflexión mínimo debería ser
10 mseg (o aproximadamente 269,75 cm de longitud de trayectoria)
para evitar problemas en la representación. En un sistema del
altavoz convencional se montará un altavoz de agudos, o radiador de
alta frecuencia, a alguna distancia por encima de la superficie
sobre la que el sistema del altavoz está asentado. Cuando se escucha
al altavoz hay dos tiempos de llegada para el sonido que viene del
altavoz de agudos. El primer tiempo de llegada es desde la
radiación directa del altavoz de agudos al oído y el segundo tiempo
de llegada es desde la reflexión del sonido del altavoz de agudos
desde la superficie sobre la que está asentado el sistema del
altavoz. El corto tiempo de retardo del sonido reflejado provoca
"emborronamiento temporal" de altas frecuencias que reduce
significativamente la inteligibilidad y representación del sonido.
Además, hay un descenso en la respuesta en frecuencia debido a la
onda reflejada que está desfasada con la onda radiada directa. Si un
altavoz de agudos estuviera 152,4 milímetros por encima de una
parte superior de una mesa, el oído que escucha 381 milímetros por
encima de la parte superior de la mesa y el oído 609,6 milímetros
alejado del altavoz habrá una reducción audible en la respuesta en
frecuencia del centrado del altavoz de alrededor de 1.970 Hz. Esto
corresponde a una diferencia en longitud de trayectoria de 177.56
milímetros dando como resultado un retardo de tiempo de 515
microsegundos.
Una fuente adicional de distorsión tiene lugar
con altavoces montados en el techo cuando las reflexiones de las
ondas del sonido llegan al oído como una señal mono. Los altavoces
de techo tienen un retardo de tiempo relativamente corto entre la
radiación directa desde el techo y la radiación reflejada desde la
parte superior de un escritorio. Diferencias de longitud de
trayectoria de 762 milímetros dan como resultado un retardo de
2.190 microsegundos lo que da una reducción de frecuencia de
alrededor de 452 Hz. Esto tiende a perturbar las consonantes del
habla reduciendo de ese modo la inteligibilidad.
Hay dos escuelas de pensamiento sobre cómo
controlar la audibilidad de las reflexiones. La primera y más
ampliamente usada en estudios de grabación es la LEDE o (Live end
dead end, zona viva zona muerta). Este enfoque utiliza altavoces de
bocina direccional con tratamiento de la acústica de la sala
exhaustivo. Un segundo enfoque, que se ha perseguido para la
reproducción doméstica, utiliza el principio de reflexiones difusas
múltiples para ocultar e impedir que cualquier reflexión intensa
con sede en el altavoz o extraña se vuelva claramente audible.
Básicamente existen seis procedimientos de
conseguir reflexiones difusas múltiples en el mercado. La más
ampliamente conocida de las técnicas es el enfoque BOSE. En el
sistema BOSE controladores discretos apuntan a diferentes
direcciones. Aunque el resultado se aproxima a una dispersión
uniforme, debido a su naturaleza discreta el modelo de radiación de
estos altavoces no es continuo en 360 grados. Hay, por lo tanto,
serios efectos de filtro de peine en el plano horizontal debido a
la interacción de los controladores individuales. Además, los
múltiples controladores utilizados no mantienen la alineación de
tiempo a través de la banda de frecuencia. Esto también crea
problemas en el balance de frecuencias y la representación por la
zona de cruce. El balance de frecuencias reflejadas puede por lo
tanto estar tan distorsionado que los altavoces convencionales
sonarán normalmente mejor que estos diseños.
La segunda técnica más ampliamente conocida es
el enfoque Di-Polar utilizada en altavoces de cinta
y electrostáticos como Magnaplaner. Este diseño utiliza los
altavoces sin cubierta posterior, o "abiertos por detrás". Este
diseño anula toda la radiación de sonido a los lados, y el sonido
posterior está desfasado con el sonido frontal. En bajas
frecuencias esta anulación reduce el volumen grave por debajo de la
perceptibilidad. Tradicionalmente se utilizan diafragmas amplios.
Estos tipos de diafragmas tienen alto cambio de directividad frente
a la frecuencia. Por tanto, este modelo de radiación no crea
reflexiones en la sala difusas con un balance uniforme de
frecuencias. Sólo hay una reflexión desde la pared posterior de
manera que no puede ocultar ecos en la sala. Los altavoces
Di-Polar también requieren diez veces el
desplazamiento de volumen de aire de un altavoz con caja para una
sonoridad dada debido a las anulaciones frontal/posterior. Deben ser
por lo tanto muy grandes para conseguir una salida de volumen
significativo.
La tercera técnica más ampliamente conocida es
la radiación Bi-Polar. Este enfoque consiste
esencialmente en colocar dos altavoces convencionales espalda con
espalda con cambios de cruce específicos. El sistema lo popularizó
por primera vez Mirage basándose en investigaciones del Canadian
National Research Council (consejo de investigación nacional
canadiense). Se colocan múltiples controladores en la parte frontal
y la parte posterior de la carcasa y funcionan en fase. Los
múltiples diafragmas y formas de las carcasas provocan un balance de
frecuencias muy no lineal a los lados de los altavoces. El sonido
de trayectoria directa de los altavoces posteriores se envuelve
alrededor de la carcasa y se combina con el sonido frontal. El
resultado es un gran golpe en el balance de frecuencias. La
desviación vertical de los controladores también provoca problemas
de error de conmutación de lóbulos vertical.
El cuarto enfoque más ampliamente conocido
utiliza un reflector cónico de cualquier geometría. Los reflectores
cónicos se han diseñado en una variedad de geometrías. Por ejemplo,
se han utilizado reflectores cónicos con lados curvos para fomentar
el flujo de aire laminar y para dispersar el sonido en el plano
vertical. En un enfoque de este tipo, sin embargo, aproximadamente
el 25 por ciento del sonido se refleja y vuelve al altavoz. Además,
puesto que la geometría de cono superiormente curvo incluye ángulos
incluidos de menos de 90 grados en la mayoría de los diseños, la
energía de alta frecuencia se dirige por debajo del plano horizontal
del altavoz. Esto tiene como resultado reflexiones secundarias en
el campo próximo. Si la geometría de cono superiormente curvo
incluye curvas de un diámetro demasiado pequeño que ha incluido
ángulo mayores de 90 grados los sonidos se dirigen de vuelta al
altavoz creando reflexiones secundarias con serias distorsiones de
la modulación de frecuencia y filtrado de peine.
Además, los reflectores cónicos curvos tienden a
reflejar demasiada energía hacia el techo. Por ejemplo, si el
reflector cónico curvo incluye ángulos incluidos de menos de 135
grados, la energía se dirige a un ángulo mayor de 45 grados por
encima del plano horizontal. La energía en este ángulo tiende a
reflejarse desde el techo antes de ser oída por el oyente, creando
un problema de reflexión. Además, la superficie curva provoca
múltiples retardos de fase en la alta frecuencia lo que emborrona la
respuesta transitoria degradando la salida de alta frecuencia y
reduciendo la representación.
La patente estadounidense Nº 2.096.192,
concedida el 19 de octubre de 1937 a Moore, enseña el uso de un
reflector cónico que tiene lados rectos. El reflector cónico se
asienta en un bafle. El bafle y el reflector cónico cooperan para
dirigir el sonido hacia fuera y hacia abajo del altavoz.
La patente alemana Nº 1.192.259, concedida el 6
de mayo de 1965 a Kammerer, describe el uso de un reflector cónico
que tiene uno o más ángulos incluidos, y lados tanto rectos como
curvos.
La solicitud de patente europea Nº 0.605.224 de
Saitoh (publicada el 7 de junio de 1994) describe un reflector
cónico que utiliza flujo laminar para dirigir el sonido desde un
controlador de altavoz tanto fuera de una primera boca formada en
un molde como a través de un conducto con la forma de una bocina a
otra abertura de este tipo. Saitoh enseña que la forma del
reflector difiere de lado a lado como una función de la calidad del
sonido para radiarse desde cada
abertura.
abertura.
El quinto tipo de altavoz de radiación de 360
grados utiliza la radiación posterior de un controlador de altavoz
de rango completo muy especial construido con su reflector cónico
que tiene un ángulo incluido muy estrecho de sólo 45 grados. Este
es el famoso diseño de Lincoln Walsh fabricado por OHM acoustics.
Este sistema que se asienta en el suelo monta el controlador en la
parte superior de una caja al nivel del oído con la parte frontal
del controlador haciendo frente a la caja. El oyente escucha el lado
posterior del cono del altavoz móvil que envía sonido a 360 grados
en el plano horizontal excepto para alta frecuencia que se absorbe
en los 180 grados posteriores con tratamiento acústico. Este diseño
tiene alguna pérdida por difracción pero su pérdida de difracción
se compensa parcialmente con la reducida eficiencia de alta
frecuencia del controlador de rango completo. Los diseños menos
caros de OHM utilizan un altavoz de agudos de cúpula convencional
separado de cara hacia delante cruzándose con un controlador de
graves/de medio rango convencional colocado en la configuración de
Walsh. En estas dos disposiciones de controlador la directividad por
encima y por debajo del cruce es radicalmente diferente.
El sexto tipo de altavoz de radiación de 360
grados consiste en cilindros pulsantes apilados uno encima del otro
como en los altavoces alemanes MBL. Éstos tienen radiación de 360
grados con idéntica frecuencia y volumen. Sin embargo, la
desviación vertical de los controladores de agudos, de medio rango y
de graves provoca significativos errores de conmutación de lóbulos
horizontal en la respuesta en frecuencia. También hay pérdidas por
difracción en este diseño.
Está claro que los diseños de altavoces
utilizados hasta la fecha no superan los problemas anteriores para
proporcionar idéntico balance de frecuencias y volumen en todas las
direcciones del plano horizontal. Lo que se necesita es un sistema
y procedimiento para radiar energía de sonido uniformemente y con
idéntico balance de frecuencia en todas las direcciones del plano
horizontal.
Según aspectos de la presente invención, se
proporcionan combinaciones de sistemas de altavoces según las
reivindicaciones 1, 2 y 3.
En los dibujos adjuntos en los que se ilustra la
técnica relacionada y varias de las realizaciones preferidas de la
invención:
la figura 1 es una vista lateral de un sistema
de altavoz de un sistema de altavoz de sobremesa de
acoplador/reflector cónico relacionado;
la figura 2 es una vista superior del sistema de
altavoz de sobremesa de acoplador/cono que muestra el modelo de
radiación de 360 grados;
las figuras 3a-d son vistas
laterales de un acoplador/reflector cónico que podría utilizarse con
los sistemas de altavoces de las figuras 1 y 3;
la figura 3a es una realización de la
invención;
las figuras 4a y 4b son vistas superior y
lateral, respectivamente, de una realización de un reflector cónico
que podría utilizarse con el sistema de altavoz de la figura 1 en el
que el reflector cónico tiene ángulos incluidos que varían según la
dirección del sonido en que se radie en la horizontal;
la figura 5a y 5b son vistas superior y lateral,
respectivamente, de otra realización de un reflector cónico que
podría utilizarse con el sistema de altavoz de la figura 1;
las figuras 6a y 6b son vistas superior y
lateral, respectivamente de un reflector cónico relacionado que
podría utilizarse con el sistema de altavoz de la figura 1 en el que
el reflector cónico tiene múltiples ángulos incluidos utilizados
para dispersar el sonido en un modelo particular desde el plano
horizontal;
la figura 7 es una vista lateral de un sistema
de altavoz de acoplador/reflector cónico relacionado montado en la
pared;
la figura 8 es una vista frontal del sistema de
altavoz de reflector cónico montado en la pared;
la figuras 9a y 9b son vistas superior y
lateral, respectivamente, de un reflector cónico relacionado que
podría utilizarse con los sistemas de altavoces de la figuras 7 y 8
en las que el reflector cónico tiene ángulos incluidos que varían
según la dirección del sonido se radie en la horizontal;
las figura 10a y 10b son vistas superior y
lateral, respectivamente, de un reflector cónico que forma parte de
la invención que podría utilizarse con los sistemas de altavoces de
las figuras 7 y 8;
las figuras 11a y 11b son vistas superior y
lateral, respectivamente, de un reflector cónico relacionado que
podría utilizarse con los sistemas de altavoz de las figuras 7 y 8
en las que el reflector cónico tiene múltiples ángulos incluidos
utilizados para dispersar el sonido en un modelo particular del
plano horizontal;
las figuras 12a y 12 b son vistas superior y
lateral, respectivamente, de un sistema de altavoz acoplador
montado en una carcasa de televisión.
En la siguiente descripción detallada de las
realizaciones preferidas, se hace referencia a los dibujos adjuntos
que forman parte del presente documento, y que se muestran a modo de
ilustración de realizaciones específicas en las que la invención
puede practicarse. Se entiende que pueden utilizarse otras
realizaciones y pueden realizarse cambios estructurales sin
desviarse del alcance de la presente invención, tal como se define
mediante las reivindicaciones adjuntas.
Tal como se ha tratado anteriormente existen
muchas deficiencias en altavoces convencionales que podrían
mejorarse para proporcionar un mejor sonido. Esto puede realizarse
mediante reducción de las reflexiones en el campo próximo y la
pérdida por difracción, o diseñando el altavoz para la dispersión
horizontal optimizada y la dispersión vertical controlada. Las
voces reales y los instrumentos tienen modelos de radiación de 360
grados y proyectan el mismo balance de frecuencias y volumen
directamente al oyente y también rebotan de las paredes de la
habitación. Durante los últimos 15 años se han publicado varios
estudios psicoacústicos sobre cómo la frecuencia frente a la
directividad de un altavoz afecta a la calidad del sonido percibido
y la inteligibilidad del habla. Esto es importante porque el
cerebro integra el sonido recibido de todas las direcciones, más
todas las reflexiones de la pared directas, para determinar qué
está oyendo y dónde está. El cerebro humano aprende el sonido de
voces en directo reales y por tanto trata de encajar los sonidos de
un altavoz en este modelo aprendido. El altavoz sólo puede sonar
real si realiza sonidos en una sala de manera idéntica a la fuente
original del sonido. El altavoz perfecto debería tener entonces un
balance de frecuencias idéntico en todas las direcciones. Sin
embargo, la direccionalidad, medida como volumen de sonido en el eje
frente a la respuesta fuera del eje se debate todavía
acaloradamente. El consenso general es que, cuanto más grande es la
sala más direccional debería ser un altavoz para controlar la
energía reverberante y ecos, es decir, utilizar bocinas estrechas
en auditorios. La investigación de Floyd E. Toole del Canadian
Nacional Research Council sugiere que en un salón de casa pequeño
la directividad debería ser tan amplia como sea posible para el
sonido más natural. Una sala pequeña no tiene reverberación y los
ecos pueden ocultarse teniendo una dispersión de sonido extensa y
uniforme.
Un sistema de altavoz que presenta este tipo de
dispersión de sonido extensa y uniforme se muestra en la figura 1.
En el figura 1, un altavoz 10 incluye un controlador 12 de altavoz,
un acoplador/reflector 14 cónico y una carcasa 16. El controlador
12 de altavoz se monta en la carcasa 16; la carcasa 16 se conecta
entonces mecánicamente al acoplador/reflector 14 cónico de tal
manera que las ondas de sonido generadas mediante el controlador 12
del altavoz se reflejan desde el acoplador/reflector 14 cónico. En
un caso, acoplador/reflector 14 cónico se coloca aproximadamente
perpendicular a la cara del controlador 12 de altavoz para radiar
sonido uniformemente en 360 grados del plano horizontal. En otro
caso, el acoplador/reflector 14 cónico se coloca inclinado desde la
perpendicular con el fin de dirigir el sonido en un modelo
deseado.
En la figura 1, el altavoz 10 utiliza una
superficie 18 plana como una mesa o un escritorio como la cara de
la carcasa evidente. Un escritorio normal mide 812,8 milímetros por
1828,8 milímetros. Estas dimensiones corresponden a una mitad de la
longitud de onda de frecuencias de 212 Hertzios y 94 Hertzios. Esto
está cerca de la parte inferior de la voz y de la mayoría de
instrumentos dando como resultado una respuesta en frecuencia
acústica plana en todo el rango de la voz. La frecuencia de 6
decibelios negativa tiene lugar a 106 Hertzios y está por debajo de
la frecuencia de transición de cruce desde el altavoz de escritorio
en miniatura a un sistema de altavoz hacia un altavoz de
infragraves (subwoofer). En una buena red de cruce esta transición
de frecuencia se alojaría en el diseño y lo haría de una pieza. Por
tanto, podría oírse sonido final bajo adecuado incluso con
altavoces pequeños.
La eficiencia del acoplamiento al escritorio
puede demostrarse levantando el altavoz 10 de la mesa o escritorio.
Una disminución drástica en el audio de frecuencia más baja se oirá
cuando el sistema se levante de la superficie de la mesa. Ninguno
de los diseños de cono tratados en los antecedentes de la invención
anteriormente se diseñan para acoplar frecuencias más bajas a un
plano de superficie para bajar la frecuencia de la pérdida por
difracción.
El uso de la parte superior de la mesa como la
carcasa del altavoz evidente proporciona sonido más completo aunque
se utiliza la misma potencia de amplificación. La razón para esto es
que la parte superior de la mesa refuerza las frecuencias finales
bajas, extendiendo el final inferior de la respuesta en frecuencia
de los altavoces y reduciendo la gama de frecuencia que debe
aumentarse con un altavoz de graves. En funcionamiento, el modelo
de radiación de 2 pi radianes se mantiene para la dimensión más
corta de la parte superior de la mesa, moviendo por tanto el paso
de pérdida por difracción a una frecuencia más baja que está por
debajo del rango vocal y por debajo de la frecuencia de cruce para
un sistema de altavoz para infragraves separado.
Tal como se comentó anteriormente, la potencia
del amplificador tendría que multiplicarse por cuatro para obtener
los mismos resultados con un altavoz convencional. Acoplándose a la
parte superior de la mesa, el altavoz 10 obtiene resultados
similares con 10 watios a los que podrían obtenerse con un altavoz
convencional que se controla con 40 watios de potencia.
En un caso tal como el que se muestra en la
figura 1, el altavoz 10 proporciona radiación de 360 grados de
ondas de sonido, proporcionando casi idéntico balance de frecuencias
y volumen en todas las direcciones del plano horizontal. La
geometría específica elegida para el acoplador/reflector 14 cónico y
el uso del acoplador/reflector 14 cónico con un rango completo o
coincidente con el controlador 12 de altavoz lo hace posible. En la
figura 1, acoplador/reflector 14 cónico es un cono que tiene un
ángulo incluido de 90 grados. Tal geometría de cono tenderá a
reflejar sonido por la parte superior de la mesa o escritorio. En la
figura 2 se muestra una representación gráfica polar de la
dispersión del sonido del altavoz 10 de la figura 1.
En contraste con la representación gráfica
mostrada en la figura 2, otros altavoces convencionales tienen una
respuesta en frecuencia muy irregular frente a la dirección debido
al uso de controladores de múltiples tamaños separados utilizados
para reproducir diferentes bandas de frecuencia. La respuesta en
frecuencia fuera del eje se pone en peligro adicionalmente debido a
la desviación vertical de estos controladores y los modelos de
interferencia resultantes, o errores de conmutación de lóbulos, que
ocurren en la zona de cruce entre ellos. La longitud de onda frente
al tamaño del diafragma es diferente para cada frecuencia provocando
que la directividad sea diferente en cada frecuencia. Esto es
especialmente un problema en la frecuencia de cruce en la que
normalmente hay un diafragma acústicamente muy grande por debajo
del cruce y un diagrama acústicamente muy pequeño por encima del
cruce.
En el altavoz de acoplador/reflector cónico
mostrado en la figura 1 todos estos errores se aíslan en el plano
vertical en el que los oídos son significativamente menos sensibles
y la sala devuelve menos energía reflejada. Se utiliza controlador
del altavoz de rango completo o coincidente por lo que no hay
errores de conmutación de lóbulos verticales alrededor de las
frecuencias de cruce. Los errores en la frecuencia verticales
consisten únicamente en una suave atenuación progresiva de la
respuesta en alta frecuencia a medida que el oyente se aleja de la
horizontal a 90 grados arriba o abajo. El perfil cónico y diámetro
de la cubierta determinan la dispersión vertical en alta
frecuencia. Sus dimensiones y geometría pueden ajustarse para
concentrar la alta frecuencia según se requiera para aplicaciones
específicas.
Además, en contraste con el controlador del
altavoz convencional en un altavoz tal como el altavoz 10 de la
figura 1 la parte superior de la mesa se utiliza para favorecer el
altavoz 10. En un sistema de altavoz convencional se montará un
altavoz de agudos, o radiador de alta frecuencia, a alguna distancia
por encima de la superficie sobre la que se asienta el sistema de
altavoz. Cuando se escucha al altavoz existen dos tiempos de llegada
para el sonido procedente del altavoz de agudos. El primer tiempo
de llegada es desde la radiación directa del altavoz de agudos al
oído y el segundo tiempo de llegada es desde la reflexión del sonido
del altavoz de agudos desde la superficie sobre la que está
asentado el sistema de altavoz. El tiempo de retardo corto del
sonido reflejado provoca "emborronamiento temporal" de altas
frecuencias lo que reduce significativamente la inteligibilidad y
"representación" del sonido. Además, hay un descenso en la
respuesta en frecuencia debido a la onda reflejada que está
desfasada con la onda radiada directa. Si un altavoz de agudos
estuviera 152.4 mm por encima de la parte superior de una mesa, el
oído que escucha 381 mm por encima de la parte superior de la mesa
y el oído 609.6 mm alejado del altavoz habría una reducción audible
en la respuesta en frecuencia del centrado del altavoz alrededor de
1.970 Hz. Esto corresponde a una diferencia en longitud de
trayectoria de 177,5 milímetros dando como resultado un retardo de
tiempo de 515 microsegundos.
Con el altavoz de diseño de reflector cónico
mostrado en la figura 1 todo el sonido se refleja primero desde el
acoplador/reflector 14 cónico que está sobre la superficie del
escritorio. Sólo hay una posible trayectoria que tomar por parte
del sonido para llegar al oído.
Finalmente, con el altavoz 10 de la figura 1,
las reflexiones desde las paredes de la sala tienen un retardo de
tiempo relativamente largo y son muy difusas debido a la multitud de
longitudes y direcciones de recorrido. Esta combinación crea un
escenario de sonidos muy grande que no parece tener límites como los
altavoces convencionales. Los sonidos retardados en el tiempo bien
difundidos hacen que los intérpretes de música "estén con el
oyente dentro de la habitación" más que "en otro lugar"
como los altavoces convencionales. Hay una gran sensación de
"ambiente" puesto que el lugar de actuación grabado original
llega a la acústica de la sala de escucha.
La dispersión de 360 grados del altavoz 10 puede
utilizarse para favorecer ciertas aplicaciones. Por ejemplo, cuando
los altavoces convencionales se utilizan en salas de conferencias,
normalmente se colocan en un extremo de la sala con el fin de
aprovechar la direccionalidad de los altavoces. En contraste, puesto
que el altavoz 10 presenta balance de frecuencias y volumen
aproximadamente idénticos en todas las direcciones del plano
horizontal, el altavoz 10 puede colocarse en la mitad de la mesa en
vez de en un extremo y toda la gente sentada alrededor de la mesa
tendrá idéntica sonoridad y balance de frecuencias. Además, puesto
que los altavoces 10 según están situados están más cercanos en
promedio a los oyentes, su volumen puede ser aproximadamente 3
decibelios más bajo (lo que representa una mitad de la potencia del
amplificador para un volumen dado en los oídos de los oyentes).
Esto tiene como resultado una inteligibilidad incrementada
significativamente de la presentación. Los altavoces convencionales
tendrían un error de 12 decibelios en frecuencia y volumen en esta
aplicación.
Los altavoces de acoplador/reflector cónico
tales como el altavoz 10 pueden también utilizarse para sustituir a
altavoces montados en techo. Los altavoces que se montan en un techo
presentan reflexiones que llegan al oído como una señal mono. Esta
es la gran ventaja que el altavoz 10 tiene sobre los altavoces
montados en el techo. Los altavoces de techo tienen un retardo de
tiempo relativamente corto entre la radiación directa desde el
techo y la radiación reflejada desde un escritorio. Las diferencias
de longitudes de trayectoria de 762 milímetros dan como resultado
un retardo de 2.190 microsegundos lo que arroja una reducción de
frecuencia alrededor de 452 Hz. Esto tiende a perturbar las
consonantes del habla reduciendo por lo tanto la
inteligibilidad.
El altavoz 10 de acoplador/reflector cónico
tiene su reflexión retrasada enormemente y amortiguada comparada
con el altavoz de techo. La longitud del trayectoria al techo y
luego al oído es aproximadamente 3352,8 milímetros. Esto da como
resultado un retardo de tiempo de 9.636 microsegundos lo que arroja
una reducción de sonido centrado alrededor de 102 Hz. Esta está
bastante bien por debajo de la voz que sale de un pequeño altavoz de
escritorio (debería haberse cruzado con un sistema de altavoz para
infragraves montado en el suelo de 100 a 150 Hz en cualquier
caso).
Además, controlando la directividad vertical del
reflector a través del perfil del acoplador/reflector cónico, puede
garantizarse que el sonido radiado hacia el techo se atenúa varios
dB en relación al sonido "punto dulce" en el eje definido
mediante la geometría del cono. Finalmente, en la mayoría de
situaciones cualquier sonido que se refleja desde el techo se
atenúa más en relación con la radiación directa mediante
tratamientos de amortiguación acústica aplicados al techo estándar
mientras que los escritorios tales como el escritorio 10 no tienen
tales tratamientos de amortiguación acústica.
El acoplador/reflector 14 cónico tiene un perfil
geométrico muy específico utilizado para controlar la directividad
y coherencia de sonido de alta frecuencia que afecta directamente a
la percepción de imagen. Pueden utilizarse ventajosamente ejemplos
de algunos perfiles geométricos en los sistemas de altavoz de
escritorio tal como se muestra en las figuras 3 a 6.
En una realización, tal como se muestra en la
figura 3a, el acoplador/reflector 14 cónico tiene dos pasos de
ángulo. La parte superior del cono tiene un ángulo incluido de 90
grados y se diseña para reflejar sonidos que provienen del altavoz
en una dirección paralela al escritorio y fuera hacia las paredes de
la sala dirigiéndose de ese modo a los oyentes lejanos y
produciendo reverberación simétrica en la sala. La parte inferior
del cono tiene un ángulo incluido de 135 grados y se diseña para
reflejar sonidos que provienen del altavoz desde el escritorio en
un ángulo centrado alrededor de 45 grados desde el plano horizontal
a los oídos de los oyentes en el campo próximo quienes están por
encima del nivel de los altavoces. El punto de transición en el cono
14 entre los ángulos incluidos de 90 y 135 grados se selecciona de
manera que no se reflejan sonidos de vuelta al altavoz o bafle en
la parte inferior de la carcasa. Esto es, una línea dibujada
perpendicular a la cara del cono 14 no debería intersectarse con la
carcasa 16 o el controlador 12 de altavoz.
La superficie del acoplador/reflector 14 cónico
debe configurarse para impedir reflexiones de vuelta al controlador
12 de altavoz o a la carcasa 16. El eje de escucha normal (es decir,
la trayectoria directa a los oídos del oyente) cae de la paralela
al escritorio 18 a aproximadamente 45 grados por encima del
escritorio 18. El acoplador/reflector 14 cónico debería diseñarse
para concentrar energía entre estos ángulos con el fin de maximizar
el volumen y minimizar las reflexiones secundarias.
En las figuras 3b a 3d se muestran otros tres
diseños de acoplador/reflector cónico. En el acoplador/reflector
cónico de la figura 3b el ángulo incluido efectivo varía desde 90 a
135 grados a lo largo de una curva continua. En tal caso, la curva
del acoplador/reflector 14 cónico es un arco de un círculo que tiene
un radio R, en el que R=1,5*D y en el que D es el ancho de la
carcasa 16. Tal diseño debería proporcionar control de directividad
aceptable en el intervalo de 0 a 45 grados por encima del escritorio
18.
En contraste, en el altavoz 10 de la figura 3c
una curva de radio R, en la que R=D/2, crearía un altavoz que tiene
control de directividad mínimo.
Finalmente, tal como se muestra en el altavoz 10
de la figura 3d, el ángulo incluido de 135 grados mostrado en la
figura 3a puede sustituirse con un segmento curvo que proporciona un
ángulo incluido que cubre de 135 a 180 grados. Tal diseño
cónico/curvo híbrido tendría un control de directividad de eje
negativo.
En algunas situaciones, no es una característica
deseable el balance idéntico en todas las direcciones. Por ejemplo,
una cierta cantidad de directividad puede necesitarse para compensar
características acústicas de una sala o para dirigirse a la
aplicación particular.
Un conjunto de acopladores/reflectores 14
cónicos que no trate de mantener balance idéntico en todas las
direcciones se muestra en las figuras 4a, 4b, 5a, 5b, 6a y 6b. Las
figuras 4a y 4b muestran vistas superiores y laterales de un
acoplador/reflector 14 cónico utilizado para dirigir energía de
sonido en menos de un modelo uniforme. Tal como puede verse en las
figuras 4a y 4b, el acoplador/reflector 14 cónico puede tener un
punto de desviación, un ángulo 30 incluido de aproximadamente 90
grados y un ángulo 32 incluido de aproximadamente 135 grados. El
acoplador/reflector 14 cónico como se muestra tendrá una dispersión
vertical que oscila de 0 a 45 grados y una dispersión horizontal
que tiene a concentrar la mayoría de la energía en un arco de 270
grados. Un acoplador/reflector 14 cónico de este tipo podría
utilizarse en el altavoz de sobremesa de las figuras 1 y 2.
Por otro lado, tal como puede verse en las
figuras 5a y 5b, el acoplador/reflector 14 cónico puede tener un
punto de desviación y dos ángulos 30 y 32 incluidos. En contraste
con el acoplador/reflector 14 cónico mostrado en las figuras 4a y
4b, el acoplador/reflector 14 cónico, tal como se muestra, tendría
una dispersión vertical que oscila de 0 a 45 grados y una
dispersión horizontal que tiende a concentrar la mayoría de la
energía en un arco de 120 grados. Un acoplador/reflector cónico de
este tipo podría también utilizarse en el altavoz de sobremesa de
las figuras 1 y 2.
Puede diseñarse un acoplador/reflector 14 cónico
que tiene tres ángulos 40, 42, y 44 incluidos de aproximadamente
45, 90 y 135 grados, respectivamente, tal como se muestra en las
figuras 6a y 6b. Un diseño de este tipo dispersaría la energía del
sonido en un intervalo vertical de entre \pm 45 grados y en una
dirección horizontal de 120 grados.
Una aplicación a modo de ejemplo que utiliza
conos asimétricos sería para altavoces monitores de campo próximo
en la parte superior de una consola en un estudio de grabación o
monitores de campo próximo en un salón. Estos altavoces están
normalmente a 91,44 centímetros del oído y a más de 182,88 cm lejos
de las paredes más cercanas. Debido a que el campo de sonido difuso
que vuelve de las paredes es bajo en nivel con respecto al sonido en
el eje directo, las curvas de respuesta en frecuencia diferente
funcionarían mejor para el sonido en el eje directo y para el
sonido difuso enviado al resto de la sala. Un cono asimétrico podría
dirigir una respuesta en frecuencia de 20 Hz a 20 K Hz plana de
\pm1dB al oyente en el campo próximo en el eje y una respuesta en
frecuencia dependiente de la sala con frecuencias altas atenuadas
progresivamente al resto de la sala. A diferencia de los diseños
convencionales que utilizan múltiples altavoces que apuntan a varias
direcciones, el cono asimétrico puede transitar entre dos curvas de
respuesta de una manera muy gradual frente a la dirección justo como
lo haría una fuente de sonido natural. Con todo el sonido que
proviene de un controlador de altavoz de fuente localizada único no
hay errores de conmutación de lóbulos en la respuesta en frecuencia
frente a la dirección como los que hay en el enfoque de controlador
múltiple convencional.
Debería ser evidente que puede utilizarse una
variedad de formas de acoplador/reflector cónico para tratar
problemas acústicos particulares. La ventaja de utilizar un
acoplador/reflector cónico tal como el que se muestra en cualquiera
de las figuras 1 a 6 es que pueden tratarse una variedad de
problemas determinando en primer lugar la dispersión acústica
deseada y luego planificando la dispersión deseada en el perfil
utilizado por el reflector/acoplador cónico. El resultado es un
sistema de altavoz muy ajustable.
Los acopladores/reflectores cónicos también
pueden usarse ventajosamente en altavoces montados sobre una pared.
Un altavoz 50 montado sobre una pared representativo se muestra en
vista lateral y frontal, respectivamente, en las figuras 7 y 8. El
altavoz 50 incluye un controlador 52 de altavoz, un
acoplador/reflector 54 cónico y una carcasa 56. El controlador 52
de altavoz está montado en la carcasa 56; la carcasa 56 está
entonces conectada de manera mecánica al acoplador/reflector 54
cónico de tal manera que las ondas de sonido generadas por el
controlador 52 de altavoz se reflejan desde el acoplador/reflector
54 cónico.
Para el acople a un plano de superficie vertical
tal como una pared, el acoplador/reflector 54 cónico se giraría 90
grados a la superficie (todavía perpendicular a la cara del
controlador de altavoz), alineado paralelo al suelo, y sería un
semicono modificado. Un diseño de semicono de este tipo se muestra
en las figuras 10a y 10b. Cuando se coloca a una altura óptima de
1016 o 1219.20 milímetros por encima del suelo (localizando los
altavoces a nivel del oído) el perfil del cono en tal realización
presenta un solo ángulo incluido de 90 grados. Tal perfil de cono
presentaría lados 60 y 62 de 90 grados conectados a una mitad 64 de
cono. La mitad 64 de cono también presenta un ángulo incluido de 90
grados. El perfil de cono que se muestra en las figuras 9a y 9b es
único porque está diseñado para tener un balance de frecuencia
idéntico y un volumen por encima del hemisferio del plano de pared
de 180 grados y eliminar reflexiones de campo próximo. Este modelo
de radiación sería una mejora significativa sobre el convencional en
altavoces de pared que sufren de cambios de directividad con la
frecuencia. Adicionalmente, el acoplador/reflector 54 cónico de las
figuras 9a y 9b proporciona una dispersión vertical de \pm20
grados.
Un acoplador/reflector 54 cónico alternativo que
puede usarse en un altavoz 50 se muestra en las figuras 10a y 10b.
En la figura 10a los lados de 90 grados de la figura 9a se han
reemplazado por un cono 66 de ángulo incluido truncado 90 grados.
Ese cono cede a un cono 68 de ángulo incluido de 135 grados en el
punto en el que las reflexiones del cono 54 despejan una carcasa
56. El cono acoplador/reflector de las figuras 10a y 10b
proporciona una dispersión horizontal de 120 grados y una dispersión
vertical de entre -20 y +45 grados.
Otro acoplador/reflector 54 cónico más
alternativo que puede usarse en un altavoz 50 se muestra en las
figuras 11a y 11b. En la figura 11a, el cono 66 de ángulo incluido
de 90 grados de las figuras 10a y 10b se ha reemplazado por un cono
70 de ángulo incluido de 45 grados conectado a un cono 72 de ángulo
incluido de 90 grados truncado. El cono 72 cede a un cono 74 de
ángulo incluido de 135 grados en el punto en el que las reflexiones
del cono 54 despejan la carcasa 56. El acoplador/reflector cónico
de las figuras 11a y 11b proporciona una dispersión horizontal de
120 grados y una dispersión vertical de entre -45 y +45 grados.
Una aplicación ideal del modelo de radiación de
180 grados generado con un acoplador/reflector 54 cónico de las
figuras 9a y 9b sería para los altavoces posteriores de un sistema
Dolby o de cine THX para cines profesionales o cine en casa. El
cine en casa THX requiere altavoces bipolares específicos para los
canales perimétricos posteriores "para maximizar la dispersión
del sonido y las reflexiones secundarias distantes con el fin de
ocultar la localización de los altavoces". El modelo de radiación
de 180 grados de acoplador/reflector cónico montado en una pared
presenta directividad superior que un altavoz bipolar y realiza
completamente los objetivos de meta del diseño THX.
Otro sistema de altavoz de acoplador/reflector
cónico se muestra en las figuras 12a y 12b, que muestran vistas
superiores y frontales respectivamente, de un sistema de altavoz de
acoplador/reflector cónico montado en una carcasa de televisión. En
el altavoz 140 de las figuras 12a y 12b los controladores 142 y 144
de altavoz dirigen el sonido hacia los acopladores/reflectores 146
y 148 cónicos, respectivamente. Los controladores 142 y 144 de
altavoz están sujetos a las esquinas de la carcasa 150 de televisión
como puede verse en la vista superior en la figura 12b. En un
diseño la carcasa 150 de televisión se coloca en una mesa y los
acopladores/reflectores 146 y 148 cónicos se usan para acoplar el
sonido de los controladores 142 y 144 a la mesa. Como en los
sistemas de altavoces de sobremesa tratados con anterioridad puede
usarse una gran variedad de perfiles cónicos para obtener la
dispersión deseada. En un diseño los acopladores/reflectores 146 y
148 cónicos son reflectores de perfil de 270 grados similares a los
perfiles que se muestran en las figuras 6a y 6b.
Una realización tal tendría un sonido similar al
sonido perimétrico pero sin la necesidad de altavoces adicionales
para el sonido perimétrico. La calidad de sonido puede, sin embargo,
mejorarse además mediante el uso de altavoces adicionales.
El modelo de radiación de 360 grados del altavoz
de reflector cónico requiere un balance de respuesta en frecuencia
diferente que el usado para altavoces convencionales. Adicionalmente
del sonido directo, el modelo de radiación de 360 grados llena una
sala con sonidos difusos provenientes de todas direcciones. La
energía acústica que el oído recibe es similar a lo que se
experimenta en grandes salones para conciertos del tipo auditorio.
Para obtener una respuesta en frecuencia plana "percibida" se
requiere una curva de ecualización similar a la que se usa en
auditorios grandes con altavoces convencionales para los altavoces
de radiación de 360 grados incluso en salas pequeñas. La mayoría de
los altavoces presentan la mayoría de su energía radiada concentrada
en su eje frontal, con considerablemente menos energía radiada a
los lados y en la parte posterior. Para altavoces de tipo
convencional el mejor sonido en el campo próximo (donde el sonido
directo domina al sonido reverberante) generalmente se acepta que
sea cuando la respuesta en frecuencia se mide plana \pm1dB desde
20 Hz a 20 k Hz. Sin embargo, en el campo lejano en el que el
sonido está más dominado por la reverberación se requiere una curva
de ecualización de respuesta en frecuencia diferente. La
investigación psicoacústica ha confirmado la curva de respuesta
acústica "house curve" que se ha usado desde los años 30 en
cines a modo de auditorio grandes y en salas para conciertos. La
curva de respuesta acústica es una atenuación progresiva de 4dB a
6dB por octava de las frecuencias altas empezando en las
proximidades de los 7000 Hz. El Dolby también especifica esta curva
de frecuencia alta atenuada progresivamente en los canales
posteriores de sistemas de cine en casa por las mismas razones.
Para el oído esta respuesta atenuada progresivamente en el campo
lejano o reverberante es plana. Esto es debido al hecho que cerca
de los altavoces la mayoría del sonido se recibe desde la parte
frontal del oído pero en el campo lejano el sonido se integra de
todas las direcciones mediante el oído y el pabellón auricular o la
parte exterior del oído modifica lo que era una frecuencia plana
para sonar ahora como si hubiera demasiada alta frecuencia. Esto es
un efecto colateral de la función natural del pabellón auditivo para
modificar la frecuencia frente a la dirección para ayudar a
determinar la localización de la fuente del sonido.
Por las razones mencionadas anteriormente en una
realización el altavoz de reflector cónico presenta una curva de
respuesta en alta frecuencia medida atenuada progresivamente con el
fin de proporcionar una frecuencia plana "percibida" mediante
el oído. Cada perfil de cono necesita una curva de respuesta en alta
frecuencia diferente que dependa de los grados de radiación que
cubre. La ecualización de alta frecuencia puede preverse en el
diseño del controlador de altavoz o en un filtro acústico, un filtro
pasivo o un filtro activo electrónico. En una realización se
proporciona un "control de tono" de alta frecuencia con una
curva similar a la "curva de respuesta acústica" para que los
ajustes menores puedan realizarse en el balance de frecuencia de una
sala para alojar diferentes acústicas de sala.
Aunque la presente invención se ha descrito con
referencia a las realizaciones preferidas, los expertos en la
técnica reconocerán que pueden realizarse cambios de forma y detalle
sin desviarse del alcance de la invención tal como se define
mediante las reivindicaciones que se adjuntan.
Claims (3)
1. Sistema de altavoz y combinación de
superficie de soporte, comprendiendo dicha combinación:
- una superficie (18) de soporte planar que soporta dicho sistema de altavoz, comprendiendo dicho sistema de altavoz un reflector (14) cónico y un controlador (12) de altavoz, comprendiendo el reflector (14) cónico una parte superior y una base, siendo dicha parte superior de dicho reflector (14) cónico el vértice de un cono, estando soportada dicha base por dicha superficie de soporte para acoplar frecuencias más bajas de dicho sistema altavoz a dicha superficie (18) de soporte;
- presentando el controlador (12) de altavoz una superficie de salida adyacente a la parte superior de dicho reflector (14) cónico, en el que el ángulo incluido subtendido mediante dicho vértice de dicho cono se selecciona para hacer que dicho reflector (14) cónico refleje el sonido generado por dicho controlador (12) de altavoz dentro de un plano aproximadamente paralelo a dicha superficie (18) de soporte;
- caracterizado porque dicho reflector (14) cónico es al menos de un tamaño que previene reflexiones internas de la superficie (18) de soporte y que comprende una primera parte que se extiende desde la parte superior del reflector (14) cónico hasta un punto de transición dentro del que el ángulo incluido subtendido por la primera parte es de 90 grados y está diseñado para reflejar sonidos que provienen del altavoz en una dirección paralela a la superficie (18) de soporte, y una segunda parte que se extiende desde el punto de transición a dicha base de dicho reflector (14) cónico, subtendiendo dicha segunda parte un segundo ángulo incluido de aproximadamente 135 grados y está diseñado para reflejar sonidos que provienen del altavoz en un ángulo centrado alrededor de 45 grados desde la superficie (18) de soporte, estando dispuesto el punto de transición para hacer que dicho reflector (14) cónico minimice la reflexión de ondas de sonido de vuelta a dicho controlador (12) de altavoz;
- y porque dicha base de dicho reflector (14) cónico está soportada mediante y acoplada a dicha superficie (18) de soporte, de tal manera que dicha superficie (18) de soporte actúa como una extensión del reflector (14) cónico disminuyendo de este modo la frecuencia en la que ocurre perdida por difracción.
2. Combinación de sistema de altavoz que
comprende un primer y un segundo altavoz satélite, en la que cada
uno del primer y segundo altavoz satélite comprende una combinación
de sistema de altavoz según la reivindicación 1, y
en la que el sistema de altavoz comprende además
un altavoz para infragraves y un sistema de circuitos de
ecualización para atenuar las frecuencias producidas por el primer y
segundo altavoz satélite y el altavoz de infragraves como una
función de una frecuencia de cruce, en el que la frecuencia de cruce
es una función de las dimensiones de dicha superficie (18) de
soporte.
3. Combinación de sistema de altavoz según la
reivindicación 2, en la que los altavoces satélite incluyen medios
para atenuar progresivamente altas frecuencias como una función del
modelo de radiación de los altavoces satélite.
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