El Diseño y Desempeño de la Guía de Onda
del Multíplice Emulador de Listón REM

REPORTE TECNICO

Por Perrin Meyer
Febrero 2004

Este artículo técnico describe la investigación y desarrollo detrás de la Patente U.S. #6,668,969 B2, Multíplice y Método para Difusor de Altavoz, inventores John D. Meyer, Perrin Meyer, y Richard D. Herr.

El 30 de Diciembre de 2003, fue otorgada a Meyer Sound una patente para la guía de onda del múltíplice emulador de listón REM, el innovador diseño que es el corazón de los altavoces de arreglo lineal y curvilíneo de Meyer Sound. La principal ventaja de la guía de onda REM sobre otros diseños - una menor distorsión y un mayor control del patrón polar - fue lograda gracias a su corta longitud y canales de guía exponencialmente crecientes.

 

Cobertura Vertical Extremadamente Estrecha

La guía de onda REM se acopla a un parlante de compresión y crea un haz estrecho de radiación sonora en la dirección vertical y un patrón de cobertura ampli en la dirección horizontal. Como su nombre lo sugiere, permite a un parlante de compresión estándar emular un parlante de listón.

¿Porqué es necesaria esta emulación? La respuesta puede ser encontrada al ver con detalle como funcionan los arreglos lineales (ver Control Direccional Mediante DSP en Arreglos Lineales Modernos y ¿Pueden los Arreglos Lineales Crear Ondas Cilíndricas? para una discusión teórica apropiada). En resúmen, los arreglos lineales modernos utilizan una tecnología híbrida que emplea:

  • Trasnductores de radiación directa para bajas frecuencias
  • Parlantes de compresión acoplados a guías de onda especiales para altas frecuencias

A bajas frecuencias, al crecer la longitud de un arreglo lineal, el control direccional aumenta y el patrón vertical se estrecha, ya que la longitud del arreglo excede la longitud de onda de la frecuencia reproducida. A altas frecuencias, la guía de onda REM lleva la onda producida por el parlante de compresión y crea un campo sonoro que es verticalmente estrecho y horizontalmente amplio - igualando el estrecho patrón vertical creado por la suma de varios transductores de radiación directa de baja frecuencia. Este campo sonoro muy estrecho es necesario para reducir la interacción entre elementos adyacentes en el arreglo y maximizar el acoplamiento para proyectar energía a grandes distancias.

Una pregunta que salta naturalmente es, "¿Porqué no simplemente usar un parlante de listón?" Los ingenieros de Meyer Sound estudiaron parlantes de listón existentes y construyeron un prototipo de vanguardia. El resultado fue que los parlantes de listón no eran adecuados para lass altas presiones sonoras usadas en sonorización. Debido a las limitaciones mecánicas de los imánes y el material del listón, los mejores parlantes de listón (y prototipos) eran ineficientes y pesados. Por ejemplo, uno de nuestros prototipos era un parlante de listón "clásico", compuesto de una hoja sencilla de metal suspendido en un campo magnético. Basándonos en mediciones empíricas, estimamos que para poder lograr la misma presión sonora que un parlante de compresión, necesitaríamos más de 4,000 watts de potencia. ¡Su imán tendría cuatro veces el peso de un parlante de compresión!

La otra opción para lograr la estrecha cobertura vertical es usar tweeters de domo pequeños muy cercanos entre sí. De hecho, el altavoz de arreglo curvilíneo ultracompacto M1D utiliza tres tweeters de domo de 0.75" muy cercanos y un difusor con guía de onda especial (patente pendiente) para crear un estrecho patrón vertical de alta frecuencia, semejante al de un listón y un patrón de cobertura horizontal amplio (100°). Pero es imposible obtener altas presiones sonoras tan solo con tweeters de domo.

El reto de diseño fue crear una guía de onda que se acoplara a un parlante de compresión existente y creara el patrón de radiación sonora deseado. La Figura 1 muestra un boceto de dos guías de onda REM (la configuración usada en el altavoz de arreglo lineal M3D), con sus aperturas circulares visible donde se montarían los parlantes de compresión.


Figura 1: Un dibujo en enrejado en 3D de dos guías de onda REM

La garganta de todos los parlantes de compresión fabricados por Meyer Sound es circular, y la presión sonora de salida de todos nuestros parlantes de compresión es isofásica en la garganta del parlante. Isofásica significa sencillamente que la onda sonora producida en la garganta del parlante de compresión sería similar a la producida por un disco vibrante (aunque a mucho mayor presión sonora). La guía de onda REM lleva la salida isofásica circular y la divide en cuatro guías de onda separadas, cada una llevando el sonido a una de cuatro aperturas de salida alineadas. Debido a que la distancia entre las salidas es muy pequeña, estas salidas cercanamente espaciadas crean el estrecho control direccional en frecuencias cuyas longitudes de onda son pequeñas comparadas con la longitud de la guía de onda REM.

Esta configuración emula un parlante de listón rectangular. La Figura 2 muestra un boceto de un multíplice M3D completo, con una apertura de ocho salidas (cuatro de cada uno de los dos parlantes de compresión del M3D) en una línea recta.

Figura 2: REM en un Altavoz de Arreglo Lineal M3D

La longitud y forma de cada canal de la guía de onda está diseñado para guiar cuidadosamente la salida del parlante de compresión y asegurar que la salida distinta de cada canal de la guía de onda está en fase con las otras salidas. Los cuatro canales de la guía de onda tienen la misma longitud desde su orígen en la garganta del parlante de compresión hasta la salida. Las cuatro salidas en fase son entonces acopladas a las guías de onda del difusor para refinar el estrecho patrón de cobertura vertical y el amplio patrón de cobertura horizontal. El resultado es que la respuesta polar medida de la guía de onda REM muestra un patrón de cobertura vertical extremadamente estrecho.

 

Figura 3: Las páginas 272-275 del libro Acústica. Reimpreso bajo permiso de Acoustics, Leo L. Beranek, © 1996, Acoustical Society of America (haz clic en la imágen para aumentar)

Baja Distorsión

Un aspecto frecuentemente ignorado del diseño de guías de onda es la distorsión, y una decisión fundamental en el diseño de guías de onda: longitud vs. distorsión. Al aumentar la longitud de la guía de onda, la distorsión producida también aumenta. El mecanismo que produce esta distorsión son los fenómenos no lineales asociados con las ondas sonoras que se propagan a través del aire a altas presiones sonoras; sin emabrgo, es con frecuencia más fácil obtener el patrón de cobertura deseado con una guía de onda larga que con una guía de onda corta bajo el riesgo de aumentar la distorsión.

Por esta razón, muchos gabinetes modernos de arreglo lineal usan guía de onda largas acopladas a parlantes de compresión para poder crear un patrón de cobertura vertical estrecho. La guía de onda REM de Meyer Sound es, creemos, el diseño con la longitud más corta posible que logra el estrecho patrón vertical deseado.

La Figura 3 a la derecha muestra una página del texto clásico de Beranek, Acústica. En este pasaje, elocuentemente describe el mecanismo de la distorsión no lineal en una guía de onda cilíndrica (un tubo). Analizemos la cita:

"Si el difusor fuera simplemente un tubo cilíndrico largo, la distorsión aumentaría mientras más lejos viajara la onda..."

Aún con esta sencilla descripción, es claro que duplicar la distancia duplicaría la distorsión del segundo armónico. La explicación técnica para ello sería que la distorsión auemnta linealmente con la distancia. Esto es un poco confuso, ya que la distorsión no lineal de segundo armónico está aumentando linealmente con la distancia - por ello el término "linealmente" se refiere a la longitud de la guía de onda del difusor.

Aunque el pasaje de Beranek se refiere al sonido propagándose a través de un tubo, las características de la distorsión se mantienen para cualquier guía de onda donde el diámetro transversal permanece constante. Aún si la guía de onda fuera de una forma más compleja en vez de un simple cilindro, la distorsión aumenta al aumentar la longitud de la trayectoria sonora.

 

Aumento Exponencial

Claramente, las guía de onda que tienen un área transversal constante a lo largo de la guía de onda producen distorsión como una función lineal de la distancia. Por esta razón, una segunda cita de la página mostrada en la Figura 3 es esclarecedora:

" En el caso de un difusor exponencial, la amplitud de la fundamental disminuye al viajar la onda desde la garganta, de forma que la distorsión del segundo armónico no aumenta linealmente con la distancia."

Esta cita describe otra teoría más detrás del diseño de la guía de onda REM, específicamente que cada uno de los cuatro canales individuales de la guía de onda que conforman una guía de onda REM es una guía de onda exponencial. No solo la guía de onda REM es corta comparada a otras guías de onda similares, sino que además está compuesta por cuatro guías de onda que actúan para minimizar la distorsión, a diferencia de los diseños de área transversal constante.

 

Desempeño

Echemos un vistazo a algunos ejemplos reales del desempeño de la guía de onda REM comparados con un diseño alterno. La Figura 4 de abajo muestra los patrones de directividad vertical de un solo gabinete MILO a diferentes frecuencias.

Figura 4: Una comparación de los patrones de directividad vertical en MAPP; haz clic en la imagen para aumentar (550 kb)

La figura muestra los patrones de directividad vertical en gráficas del campo sonoro generadas por MAPP En Línea. Cada imagen en color muestra el campo sonoro promediado a 1/3 de octava. El gabinete MILO fue medido en la cámara anecóica de Meyer Sound, y los datos fueron medidos cada grado para un total de 360 mediciones. El micrófono fue colocado a cuatro metros del centro del gabinete MILO, el cual fue también el punto de rotación.

La sección de alta frecuencia de MILO (arriba de 4 kHz) consiste de tres guías de onda REM acopladas a tres parlantes de compresión con diafragmas de neodimio de 2 pulgadas, con gargantas de 3/4 de pulgada. El otro gabinete, llamado "guía de onda sonora," fue medido exactamente bajo las mismas condiciones que MILO. La "guía de onda sonora" se refiere a un diseño alterno para el acoplamiento de parlantes de compresión a una guía de onda para crear un patrón de cobertura vertical estrecho.

Las 14 imágenes de campo sonoro mostradas en la Figura 4 muestran que ambos diseños de guía de onda logran excelentemente producir un haz estrecho de sonido de alta frecuencia. Es difícil decir cual diseño es "mejor," ya que lo que realmente importa es cómo estos elementos individuales interactúan para formar arreglos. Sin embargo, excepto por la banda de 16 kHz (a 1/3 de octava), la guía de onda REM de MILO muesrta patrones más estrechos en todas las bandas de 1/3 de octava. Estas mediciones polares demuestran que la guía de onda REM logra un control direccional más suave y más preciso que el otro diseño. A la vez, debido a su longitud más corta y al uso de varias guías de onda exponencialmente crecientes, la guía de onda REM minimiza sustancialmente la distorsión.

 

 

 

 

 



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