SONIDO DIRECTIVO

(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA

Y ELÉCTRICA

UNIDAD ZACATENCO

“SONIDO DIRECTIVO”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTA

ENRIQUE PEÑA MONTERO

GUILLERMO CUANDO FRIAS

DIRECTOR DE TESIS

M. EN C. MARIO JIMÉNEZ HERNÁNDEZ

CODIRECTOR DE TESIS

DR. PABLO LIZANA PAULIN

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AGRADECIMIENTOS

A mis padres:

Por darme la vida, por todos los estudios que me dieron, los consejos, el apoyo de padres, así como de unos buenos amigos, la confianza, por acompañarme en las grandes desveladas haciendo tarea o proyectos juntos en la madrugada, las diferencias que tuvimos pero al final me tuvieron tolerancia, por cuidarme en cuando estuve enfermo, por amarme, por acompañarme en este camino tan difícil y la vez emocionante, por ser mis padres, por trasmitirme sus experiencias, sus conocimientos, su sabiduría de la vida, por enseñarme que es el trabajo, por formarme como una persona responsable, respetuosa, cumplida y enseñarme que no hay límites para mí. Han criado a un hijo que sabe valorar todos los sacrificios y el sudor que han derramado para lograr juntos un futuro para mi, ahora puedo defenderme es este mundo. Y siempre voy a llevar a cabo todas las enseñanzas y la educación que me dieron en donde este.

A mi hermana:

Por a poyarme, estar a mi lado por brindarme su amor, su cariño, su paciencia, por su compresión, por su ayuda cuando la necesite para poder hacer mis proyectos, por la compañía cuando estudiaba para un examen, por sus ideas que aportaba que me fueron muy útiles para el desarrollo de un tema y consejos que me brindo como hermana.

A mis familiares:

A mis abuelitos que me cuidaron, me aconsejaron, me educaron, me dieron su apoyo no como abuelitos si no también como padres, a mis tíos y primos que siempre me decían que le echara muchas ganas, el apoyo queme brindaron y consejos.

A mis amigos:

A todos los amigos y amigas que desde la infancia me ha apoyado me han aconsejado se han preocupado y confiado en mí. A mi novia Sarai que es una persona importante en mi vida, me enseño muchas que no conocía, y cosas que ni me conocía, apoyándome dentro de mi formación como persona, así como el apoyo que me han dado mis padres mi hermanan y las personas que me quieren.

GRACIAS.

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Índice

ÍNDICE GENERAL

Índice general. i

Lista de figuras. iii

Lista de tablas. v

Justificación. vi

Objetivo generales. vi

Objetivo particulares. vi

Introducción. 1

Capitulo 1 Antecedentes 3

1.1 Sonido directivo. 8

1.2 Altavoces. 8

1.3 Clasificación por el rango de frecuencia 9

1.3.1 Woofer 10

1.3.2 Midrange 10

1.3.3 Tweeter 11

1.3.4 Los circuitos de cruce pasivo 12

1.4 Clasificación en función a su transductor electromagnético 14

1.4.1 Altavoces dinámicos de bobina móvil 14

1.4.2 Altavoces planos 15

1.4.3 Altavoces electroestáticos 16

1.4.3.1 Respuesta en frecuencia 18

1.4.3.2 Directividad 18

1.4.4 Altavoces planos DML 18

1.4.5 Altavoces de cinta. 21

1.4.6 Altavoces piezoeléctricos. 22

Capitulo 2 Desarrollo del sistema 29

2.1 Cálculos de la parábola. 30

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Índice

2.4 Material empleado. 37

2.5 Construcción de la parábola. 37

Capitulo 3 Pruebas y resultados. 41

3.1 Caracterización de los tweeters 41

3.2 Desarrollo del programa 43

3.3 Procedimiento de caracterización de los tweeter. 46

3.4 Experimentos de caracterización del tweeter. 50

3.5 Implementación de los tweeters en la parábola. 53

3.6 Pruebas con el sistema 54

Capitulo 4 Conclusiones, propuestas a futuro y costos 56

4.1 Conclusiones 56

4.2 Propuestas a futuro. 58

4.3 Costos 59

Glosario. 60

Referencias. 62

Apéndice. 64

Apéndice A 64

Apéndice B 65

Apéndice C 78

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Lista de figuras

LISTA DE FIGURAS

1.1. Sistema audio spolight, medidas 40x60x1 cm y su amplificador 4

1.2. Distribución de campo del sonido del sistema audio spotlight. 4

1.3. Sistema hiper sonic sound (HSS) montado en una pantalla de información 5

1.4. a) Respuesta en frecuencia del sistema HSS, b) Grafica polar a una frecuencia de 1 kHz. 6

1.5. Sistema sonido hypersonic de la empresa ATC American, medidas 28x28x9 cm 6

1.6. Sistema de sonido por cúpula 7

1.7. Implementación y colocación del sistema de sonido de cúpula 7

1.8. Patrón de radiación del woofer a una frecuencia de 500 Hz. 9

1.9. Esquema del woofer 10

1.10. Esquema del midrange 10

1.11. Patrón de radiación del tweeter a una frecuencia de 2 kHz 11

1.12. Esquema del tweeter 11

1.13. Respuesta en frecuencia de un sistema de tres vías con filtro de cruce 12

1.14. Cruce de frecuencias para cada filtro 13

1.15. Diagrama del crossover 13

1.16. Altavoz dinámico de bobina móvil 14

1.17. Esquema del altavoz dinámico de bobina móvil 15

1.18. Sección de un altavoz electroestático en la figura (a) es sencillo y en la (b) es el Simétrico 16

1.19. Esquema constructivo de un panel electroestático 17

1.20. Esquema eléctrico de una configuración simétrica, (a) Reposo, (b) Semiciclo positivo, (c) Semiciclo negativo 17

1.21. Vista del altavoz electrostático hibrido 18

1.22. Altavoz plano DML comercial 19

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Lista de figuras

1.25. Altavoces de cinta híbridos AL-III. 22

1.26. (a) cristal piezoeléctrico push-pull acoplado a una pequeña bobina (b) altavoz de agudos cerámicos de cúpula. 1. Cristal, 2. Diafragma, 3. Espuma amortiguadora. 23

1.27. Modelo de tweeter de bobina impresa en el diafragma SA 8535. 23

1.28. Esquema de un tweeter de cinta 24

1.29. Diafragmas impresos para altavoces de cinta 24

1.30. Altavoz piezoeléctrico de cúpula 24

2.1. Representación grafica del efecto de la parábola concentrando la energía en el foco 29 2.2. Medidas de la parábola 30

2.3. Representación grafica de la parábola 31

2.4. Representación grafica del foco de la parábola 34

2.5. Tweeter de Titanio 35

2.4. Amplificador de audio TDA1554Q 36

2.5. Se muestra el diagrama de la configuración utilizado 36

2.6. Circuito amplificador estéreo 37

2.7. Base de la parábola. 38

2.8. Brazo metálicos para sostener los tweeter. 38

2.9. Brazo metálico con la abrazadera sujetando el tweeter. 39

2.10. Antena parabólica con los brazos y tweeter montados. 39

2.11. Sistema de amplificación estéreo. 40

3.1 Sonómetro Brüel & Kjaer. 41

3.2. Escenario de pruebas 43

3.3 Distancias del tweeter al piso y del tweeter a la pared más próxima. 48

3.4. Dimensiones de la referencia para medir la intensidad el tweeter 49

3.5. Forma en cómo se coloco el tweeter para su caracterización 50

3.6. Patrón de radiación del tweeter a una frecuencia de 125 Hz. 52

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Lista de tablas

LISTA DE TABLAS

1.1. Diferentes métodos del sonido directivo en la actualidad 7

1.2. Valores de los elementos pasivos del crossover 14

1.3 Tipos de tweeter de cúpula 25

1.4. Clasificación de los altavoces (Frecuencia de operación). 26

1.5 Clasificación de los altavoces (En función del transductor electromagnético). 27

2.1. Especificaciones de los tweeter de titanio 35

2.2. Usos de resistencias 35

3.1. Especificaciones del sonómetro de la marca Brüel & Kjaer modelo 2240. 41

3.2. Frecuencia y duración de tonos puros. 47

3.3. Valores obtenidos por el sonómetro. 51

3.4. Análisis de los valores obtenidos. 51

3.5. Valores obtenidos de la prueba con del sistema. 55

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Justificación

JUSTIFICACIÓN

Actualmente hay varios sistemas de reproducción de audio para varias aplicaciones, a nosotros nos interesa la aplicación del sonido dirigido a un solo punto ya que tiene diversas aplicaciones y se podría controlar mejor lo que es la contaminación auditiva, se puede aplicar en lo que son museos para la explicación de las obras exhibidas, en centro comerciales en publicidad, en salones de fiestas, etc. Dirigiendo el sonido en un solo punto sin que haya interferencias con los otros sonidos que existen en el medio o molestias a las personas que se encuentran en ese lugar.

OBJETIVO GENERAL

Desarrollo y caracterización de un sistema de sonido direccional para su utilización dentro de espacios arquitectónicos cerrados.

OBJETIVOS PARTICULARES

Con las propiedades de reflexión de la parábola se desarrollara un sistema de sonido directivo.

Se concentrara el sonido directivo a una distancia de 1 metro en donde es el foco de la parábola

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Introducción

INTRODUCCIÓN

Desde hace muchos años el hombre ha tratado de comunicarse por diferentes medios desde sonidos hasta señales visuales. Pero las necesidades nos han llevado a emplear sistemas más complejos para comunicarnos.

Una de las dificultades con las que nos hemos encontrado al tratar de comunicarnos es la contaminación auditiva, pongámonos a pensar cuantas veces hemos ido a un museo y al admirar una obra de arte nos quedamos con ganas de saber más acerca de ella, acerca de la historia de la obra en cuestión, no solo basta con saber quien la hizo, cuando fue realizada o las dimensiones de la obra, sino la historia que hay detrás de la obra, sobre quien fue inspirada, que historia tuvo que pasar para que llegara a exponerse en el museo. Lo fácil seria colocar una gran leyenda junto a la obra que la explicara, pero llevaría mucho tiempo en estar leyéndola y por si fuera poco tendríamos que leerla de pie sin contar que ocuparía gran espacio. Otra solución sería colocar altavoces que emitieran una grabación describiendo la obra, pero sabemos que en un museo no solo hay una obra dentro de una habitación así que molestaría a las personas que no desearan escucharla. También tenemos el caso en el que ha veces en un museo se dan conferencia y las voces molestan a las personas que no desean escucharla es por ello que se propone una solución para este tipo de contaminación auditiva.

Así que es conveniente aclarar el por qué y el cómo de este asunto. Tratamos de que un sonido directivo se propague a través del aire y se enfoque a una distancia de un metro esto claro con la ayuda de una parábola.

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Introducción

Se sabe que un altavoz se volverá directivo a altas frecuencias, así mientras más alta sea la frecuencia mas directivo será el haz del altavoz.

Por ello se decidido implementar este sistema utilizando una parábola y dos tweeters, pretendemos que al hacer incidir el haz de sonido de los tweeters en la superficie cóncava de la parábola para que esta los concentre en el foco de la misma aun 1 metro de distancia del vértice.

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Capítulo 1

Antecedentes.

Capitulo 1

1. Antecedentes

A partir de de la década de 1960 se empezó a utilizar la interacción no lineal de las ondas de alta frecuencia con el propósito de generar las señales de baja frecuencia esto trajo como consecuencia el desarrollo de técnicas de sonar submarino. Hasta 1975 se publico que los efectos no lineales de pueden producir en el aire, aun que esto no se probo reproduciendo audio pero teóricamente si se podía

Durante varios años las grandes empresas como Matsushita (Panasonic), NC Denon y Ricoh han intentado desarrollar un altavoz con estos principios, hasta en 1983 donde se publica un escrito de un intento. En esta publicación nos dice que tuvieron éxito en la reproducción de algún tipo de sonido, pero había problemas con los costos, viabilidad y muy altos niveles de distorsión, por consiguiente se abandono casi la totalidad de esta tecnología o proyecto a finales de la década de 1980

En 1990, Joseph Pompei, estudiante graduado en el desarrollo de 3D audio en la Northwestern University, tenía la idea de utiliza las propiedades de la ecografía como un dispositivo de altavoz, la ecografía su principio físico es la técnica de eco pulsado que consiste en pulsar un cristal y enviar paquetes de energía dentro de un medio, hay un pequeño porcentaje reflejado en las diferentes interfaces y llega al transductor en el cual se produce en voltaje El tenía en mente superar las deficiencias que vio con los métodos tradicionales para la reproducción del sonido. Utilizando los intentos anteriores en el uso del ultrasonido como una fuente sonora, el estudio de la acústica no lineal así como análisis matemáticos y de ingeniería fue capaz de construir el primer sistema de audio directivo.

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Capítulo 1

Antecedentes.

[image:13.612.215.415.195.389.2]

En 1999 con la ayuda de la compañía Holosonic se comercializo vendiendo el primer sistema en el parque de divisiones en Tokio Japón, en el 2001 en la biblioteca nacional de Francia, en el 2002 se instalo en un campo de golf para generar zonas de ruido, utilizado para no molestar a los jugadores, ese mismo año en Australia se instalo en el festival de Adelaida, así como en otras partes del mundo

Figura 1.1. Sistema audio spolight, medidas 40x60x1 cm y su amplificador

Figura 1.2. Distribución de campo del sonido del sistema audio spotlight

[image:13.612.217.423.427.644.2]

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Capítulo 1

Antecedentes.

unidos, su aplicación fue para el control de disturbios y dispersión de manifestaciones trayendo mucho éxito, ahora este sistema se aplicara para uso civil. Este sistema es similar al sistema audio Spolight tiene el mismo objetivo, dirigir al sonido emitido a un solo punto por medio de las frecuencias ultrasónicas moduladas en el aire creando los sonidos audibles que se pueden oír a lo largo de la columna. Las aplicaciones del sistema hiper sonic sound son en marketing ferial, televisiones corporativas (wall mart), pantallas retail, marketing BTL, ambientación, seguridad y eventos

Figura 1.3. Sistema hiper sonic sound (HSS) montado en una pantalla de información.

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Capítulo 1

Antecedentes.

b)

Figura 1.4. a) Respuesta en frecuencia del sistema HSS, b) Grafica polar a una frecuencia de 1 kHz.

La empresa ATC American Corporation de tecnología en San Diego, California, crea un sistema llamado sonido hypersonic, por Elwood Norris “Woody”, que al igual que los dos anteriores sistemas utiliza frecuencias ultrasónicas sin embargo el mejor sistema fue desarrollado por los laboratorios Holosonic

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Capítulo 1

Antecedentes.

tienen un cierto grado de posición para poder emitir el sonido así como también el usuario debe tener una cierta posición, a continuación la figura 1.6 y 1.7 muestran este sistema

Figura 1.6. Sistema de sonido por cúpula

Figura 1.7. Implementación y colocación del sistema de sonido de cúpula Tabla 1.1. Diferentes métodos del sonido directivo en la actualidad Método Transductor

utilizado. Dimensiones.

Distancia máxima

de alcance. Costos.

Audio spotlight.

Un transductor piezoeléctrico para producir frecuencias ultrasónicas.

Hay varios modelos: AS-16 medidas 40x40x1 cm con un peso de 2.5 Kg.

AS-24 medidas 60x60x1 cm

100m-200m aproximado.

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Capítulo 1

Antecedentes.

Continuación de la tabla 1.1

Hiper sonic sound. Transductor monolítico de cine propiedad de ATC. 31x31x7 cm con un peso de 4.5 Kg. 150m-200m aproximado. Aproximadamente $1100 dólares. Cúpulas de sonido.

Tweeter de 2.5 cm convexo de aluminio.

51.5x22.5cm con un peso de 2.5 Kg.

Aproximadamente 2 m, pero hay que evitar los ángulos de 41º.

Aproximadamente $795 dólares.

1.1 Sonido directivo

El sonido directivo es la forma de transmitir en un solo punto al sonido sin que este se disperse en el medio, actualmente existen varios sistemas que producen este efecto como se menciono anteriormente, pero algunos sistemas ocupan lo que son los traductores piezoeléctricos para frecuencias ultrasónicas en un rango de frecuencia de 30 a 49 kHz de señal portadora para que después se haga un señal audible.

1.2 Altavoces.

Un altavoz es un transductor electroacústico que convierte en señales eléctricas en señales acústicas.

El principio básico se basa en circular una corriente eléctrica por una bobina por lo que se produce un campo magnético que posee una polaridad. Como la bobina esta dentro de una acción de otro campo magnatico dependiendo de la polaridad de la bobina este experimenta un rechazo o un acercamiento dentro del campo magnético en el que está situada o en pocas palabras es un movimiento longitudinal de la misma bobina

En 1877 el 14 de Diciembre, Ernst Siemens patento el primer transductor dinámico de bobina móvil, llamado en ese momento “aparato eléctrico–magnético para obtener movimientos mecánico de una bobina eléctrica a partir de la corriente que la recorre”. Pero sin embargo este aparato que diseño Siemens no se ocupo para reproducir el audio.

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Capítulo 1

Antecedentes.

diafragma controlado por masa que radia una banda de frecuencias medias. Rice y Kellog presentaron un informe en el cual incluían el diseño de un amplificador para entregar la potencia al altavoz. Estos altavoces a partir de 1926 se vendieron comercialmente bajo el nombre de “altavoces Radiola” y fueron superiores a cualquier otro altavoz inventado ya que tenían las ventajas que disminuían la distorsión y aumentaban la calidad del sonido.

1.3 Clasificación por el rango de frecuencia.

Son muchos los criterios para realizar una clasificación de los altavoces. No obstante, poniendo atención a la banda de frecuencias de trabajo del altavoz, es posible clasificarlos en tres tipos:

1.3.1 Woofer.

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Capítulo 1

Antecedentes.

Figura 1.9. Esquema del woofer

1.3.2 Midrange.

Los altavoces de medios tienen diámetros entre 10 y 15 cm (4 a 6”) y se utilizan para reproducir bandas comprendidas entre los 500 a 3000 Hz. Las membranas pueden tener forma de cúpula (dome en ingles) o de cono como el woofer y van cerradas en una caja cilíndrica propia para evitar las perturbaciones de la radiación posterior del woofer. Estos altavoces cuya respuesta temporal es excelente debido a que el odio es muy sensible a ella en esta banda de frecuencias, por que se encuentran los formantes de todas las vocales y consonantes sonoras.

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Capítulo 1

Antecedentes.

1.3.3 Tweeter

[image:20.612.126.505.200.439.2]

Los altavoces de alta frecuencia estos pueden llegar a superar los 20 kHz y poseen diámetros entre los 2.5 y 10 cm (1 a 5”). Son muy rígidos y posen una cúpula con forma semiesférica para aumentar la difusión. Al igual que los altavoces de medios van cerrados por la parte trasera.

Figura 1.11. Patrón de radiación del tweeter a una frecuencia de 2 kHz.

[image:20.612.218.408.491.659.2]

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Capítulo 1

Antecedentes.

En la figura 1.13 se muestra la reproducción de cada tipo de altavoz. En las cajas acústicas que se componen de dos o tres altavoces, se utilizan filtros eléctricos de cruce o crossover que filtran la señal a partir de una determinada frecuencia de cruce. Para el altavoz, el filtro evita usar zonas de resonancia mecánica y la parte de alta frecuencia que dan lugar a distorsiones.

Figura 1.13. Respuesta en frecuencia de un sistema de tres vías con filtro de cruce

Según la forma de radiar, se clasifican los altavoces en dos tipos: altavoces de radiación directa y altavoces de radiación indirecta. Los altavoces de radiación directa son aquellos cuya superficie vibrante está en contacto con el medio y por lo tanto son muy poco eficientes, y por otro lado los altavoces de radiación indirecta o llamadas bocinas, que hacen uso de un dispositivo acoplador de impedancias entre el medio y la superficie vibrante.

1.3.4. Los circuitos de cruce pasivos

Los llamados divisores de frecuencia, circuitos de cruce o crossover se colocan en sistemas sonoros en donde existe más de un altavoz esto puede ser constituido por el woofer para bajas frecuencias, el midrange para frecuencias medias y el tweeter para frecuencias altas.

(22)

Capítulo 1

[image:22.612.177.476.434.655.2]

Antecedentes.

Figura 1.14. Cruce de frecuencias para cada filtro

Este tipo de circuitos pueden diseñarse con componentes pasivos sencillos que son capacitores e inductores en la siguiente figura 1.15 se muestra el diagrama como se deben colocar estos elementos

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Capítulo 1

Antecedentes.

Tabla 1.2. Valores de los elementos pasivos del crossover. Designación Valor

C1 3.3µF

C2 24 µF

C3 No usar

C4 No usar

L1 0.5 mH

L2 0.35 mH

L3 No usar

L4 3.0 mH

1.4 Clasificación en función del transductor electromagnético.

También se puede caracterizar los altavoces en función del transductor electromagnético, existen altavoces dinámicos de bobina móvil, altavoces dinámicos de cinta, altavoces electroestáticos, altavoces piezoeléctricos, altavoces iónicos y altavoces magnetoplanares. Dentro del grupo dinámico, recientemente se han desarrollado una nueva tecnología denominada “altavoces planos DML” (modo de altavoz distribuido), patentado por NXT

1.4.1 Altavoz dinámico de bobina móvil

Este altavoz es un transductor electroestático más generalizado y popular. En la actualidad existen gran variedad de chasis, imanes y bobinas. Por lo cual sean desarrollados diversas clases de altavoces dinámicos de bobina móvil que cubren bandas de frecuencias y niveles de potencia específicos para cada aplicación.

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Capítulo 1

Antecedentes.

Figura 1.17. Esquema del altavoz dinámico de bobina móvil

1.4.2 Altavoces planos

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Capítulo 1

Antecedentes.

Estos tipos de transductores de gran superficie y poca masa se caracterizan por un movimiento uniforme en toda el área cuando son excitados. Esto debido a que la superficie posee una carga de aire resistiva que tiene a suprimir cualquier resonancia. Hay ciertas limitaciones físicas en la práctica que reduce la eficiencia a niveles que están, incluso, por debajo de los mostrados por altavoces convencionales. Por consiguiente el gran problema de las superficies planas vibrantes es la directividad. Cuando aumenta la frecuencia, el ángulo de radiación se estrecha en el eje hasta que se vuelve demasiado angosto para el uso normal.

1.4.3 Altavoces electroestáticos

Los altavoces electroestáticos, llamados también ESL (Del ingles, Electrostatic Loudspeaker), se basan en las vibraciones de una placa conductora sometida a un campo eléctrico. Por su elevado precio y su circuitería añadida, se comercializan dentro del segmento de audio high-end.

Este tipo de altavoz, se trata de un condensador plano de grandes dimensiones con una armadura al que se aplica una diferencia de potencial proporcional a la señal que se quiere reproducir.

Hay dos tipos de altavoz electroestáticos, la de una sola placa (Del ingles, single ended), que es el más sencillo, consiste en una placa metálica y un diafragma móvil, ambos separados por unos espaciadores aislantes como se muestra en la Figura 1.18. El segundo tipo llamado los simétricos consiste en dos placas rígidas, en el centro de las cuales se encuentran al diafragma móvil.

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Capítulo 1

Antecedentes.

Figura 1.19. Esquema constructivo de un panel electroestático

El funcionamiento consiste en dos placas fijas situadas equidistantes del diafragma ejercen una fuerza igual y en sentidos opuestos sobre el mismo, lo cual causa que este permanezca centrado. Los electrodos de un altavoz electroestático están compuestos por placas metálicas perforadas, libres de resonancia y con suficiente área de perforación como para minimizar las reflexiones y permitir que la onda sonora se propague como se muestra en la Figura 1.20.

(27)

Capítulo 1

Antecedentes.

1.4.3.1 Respuesta en frecuencia

La respuesta en frecuencia de los altavoces electroestáticos en el límite superior viene determinada por la intensidad máxima que el amplificador puede suministrar. Como la carga del altavoz es una reactancia de tipo capacitiva, la demanda de corriente de la carga puede ser excesiva a altas frecuencias.

El límite en el desplazamiento para bajas frecuencias se da por la capacidad de excursión del diafragma con relación con los electrodos fijos.

1.4.3.2 Directividad

En los altavoces electroestáticos se diseñan con sistemas de dos o tres vías. La banda de alta frecuencia se radia con una banda vertical estrecha situada entre otras de mayor tamaño para las frecuencias graves y medias.

Figura 1.21. Vista del altavoz electrostático hibrido

1.4.4 Altavoces planos DML.

(28)

Capítulo 1

Antecedentes.

compuesto para la fabricación de helicópteros más ligeros que se llevo a cabo en el Departamento de Defensa Militar del Reino Unido por el investigador Ken Heron. En el transcurso de la investigación se puso de manifiesto eran capaces de transmitir dentro del margen audible, cuando eran excitados sus modos de transmisión, algo que no era deseable en un helicóptero pero despertó la idea para utilizarlo como altavoces.

Las pérdidas mecánicas en un panel DML son muy bajas y puede asumirse como primera aproximación, que toda la potencia es radiada al medio.

Las aplicaciones basadas en esta tecnología DML se están desarrollando, un ejemplo de este, es el refuerzo sonoro o localización espacial están suficientemente probadas como para concluir la idoneidad de su uso. A continuación se muestran algunas figuras del altavoz plano DML en que se puede apreciar el panel y los excitadores.

Figura 1.22. Altavoz plano DML comercial Altavoz DML

Pantalla

(29)

Capítulo 1

Antecedentes.

Figura 1.23. Diversas vistas del altavoz DML bajo prueba, incluido un detalle de la unión del excitador con el panel

Los altavoces DML presentan las siguientes ventajas:

• Su ancho de banda es considerablemente amplio para un único radiador. • Proporcionan amplia directividad en su banda de paso.

• No suelen requerir caja y no se ven afectados por las coloraciones características de las cajas acústicas de los altavoces tradicionales.

• Eliminan la necesidad de un filtro de cruce (crossover) en el rango de frecuencias en que el oído es más sensible.

• Reducen la interacción indeseable con la sala de escucha, ya que el sonido radiado se ve menos afectado por las reflexiones en los límites de dicha sala.

• Mejoran la imagen estéreo: la posición del altavoz resulta menos crítica debido a que el oyente no debe situarse necesariamente en un punto exacto para percibir la imagen estéreo del sonido envolvente.

• Proporcionan mayor uniformidad de presión sonora con la distancia. • Presenta al amplificador una carga resistiva simple.

(30)

Capítulo 1

Antecedentes.

Algunas de estas características que los hacen únicos pueden comprobarse experimentalmente en un laboratorio estándar de electrónica que disponga de equipo informático y un micrófono electret

1.4.5 Altavoces de cinta.

Estos altavoces están constituidos por una cinta corrugada móvil sujeta por sus extremos, por la que se le hace circulara una corriente de señal de audio, que está situada en un gran campo magnético permanente.

Estos tipos de altavoz trabajan con el mismo principio que los altavoces electroestáticos pero existen diferencias entre ellos las cuales son las siguientes:

En los altavoces electroestáticos, la fuerza que se produce en la misma dirección que el campo electroestático aplicado por lo que el diafragma puede ser tan grande como se desee. Por lo que en los altavoces de cinta la fuerza se produce en sentido transversal al campo magnético aplicado como se muestra en la figura 1.24.

Figura 1.24. Diagrama del elemento transductor de cinta.

(31)

Capítulo 1

Antecedentes.

Estos tipos de altavoces de cinta presentan ventajas e inconvenientes las cuales son las siguientes:

Gran dispersión, casi cilíndrica hasta 20 kHz Banda de trabajo desde 1 kHz hasta 20 kHz.

Mala adaptación de impedancias con el aire, debido a su pequeña superficie. El problema se puede suavizar con una pequeña bocina.

Resistencia eléctrica de sus terminales muy bajas, por lo que se necesita adaptarlo al amplificador a través de un transformador.

Figura 1.25. Altavoces de cinta híbridos AL-III.

1.4.6 Altavoces piezoeléctricos

Antes de empezar a ver los altavoces piezoeléctricos debemos de mencionar el efecto piezoeléctrico, el cual es un proceso reversible que consiste en la deformación que sufren ciertos materiales cuando se aplica el campo eléctrico. Un ejemplo de este efecto es con las sustancias cristalinas como la sal de Rochela, sustancias cerámicas como el titanio de bario o algunos plásticos altamente polimerizados, que pueden ser mucho más efectivos que los otros.

(32)

Capítulo 1

Antecedentes.

[image:32.612.217.412.500.667.2]

contrario y superpuesto, de modo que una se dilata y otra se contrae. Esta configuración se muestra en los altavoces de la Figura 1.26.

Figura 1.26.(a) cristal piezoeléctrico push-pull acoplado a una pequeña bobina (b) altavoz de agudos cerámicos de cúpula. 1. Cristal, 2. Diafragma, 3. Espuma amortiguadora.

El alto valor de la impedancia mecánica de las sustancias minerales restringe su uso de la banda de altas frecuencias. El tweeter de bocina de la figura 1.26 es la aplicación más extendida de los altavoces piezoeléctricos.

Estos altavoces están configurados para tener una respuesta axial de 4 a 20 kHz si la necesidad de un filtro separador de vías esto es debido al alto valor capacitivo del cristal, se eliminan las bajas frecuencias, pero también existen altavoces agudos piezoeléctricos de cúpula como se muestra en la Figura 1.26.b, estos están constituido por una película piezoeléctrica metalizada por las dos caras en forma de cúpula

(33)

Capítulo 1

Antecedentes.

[image:33.612.177.446.229.436.2]

Figura 1.28. Esquema de un tweeter de cinta

Figura 1.29. Diafragmas impresos para altavoces de cinta

(34)

Capítulo 1

Antecedentes.

[image:34.612.80.549.217.726.2]

Los Tweeter de cúpula es el resultado de cortar una esfera hueca por la mitad y poner la bobina del sistema en el lado del corte. Hay diferente tipos de materiales de construcción que se describen en la tabla 1.3, sus principales características son muy ligeros, pocas sobre-oscilaciones y en cuanto a tamaño son de 1.90500 cm y 3.17500 cm, tienen ventajas de una mejor dispersión y distribución uniforme de la energía, pero como desventaja peor respuesta en el eje, es decir a 0° del tweeter. En la actualidad exciten dos tipos de cúpulas rígidas y blandas.

Tabla 1.3 Tipos de tweeter de cúpula

Tweeter Características. Imagen

Tweeter de cúpula de seda blanda

Material extremadamente ligero.

Reproducen un sonido natural y suave. Tiene una potencia de admisión muy alta. Los mejores Tweeter del mercado son Morel, Scan-Speak, Seas o Vifa/Perless v-line

Morel suprema 110.

Tweeter de cúpula de tela tratada

Similar a los de seda pero con un material más pesado pero más económicos. En la reproducción del sonido es un poco menor que los de seda.

Tweeter Beyma MC115 25W

Tweeter de cúpula de plástico

Son muchos más

económicos pero la calidad del sonido es bastante inferior a los dos tipos anteriores.

Extremadamente ligeros.

Tweeter de cúpula de aluminio

Se considera cúpulas rígidas metálicas. Tienen una rigidez

extremadamente alta, peso ligero.

(35)

Capítulo 1

Antecedentes.

Tweeter de cúpula de titanio

Es ligeramente más pesado que el de aluminio para un mismo tamaño de cúpula. Están más amortiguados un poco más caros.

Mejor marca comercial es Focal.

Focal Audiom TLR

Tweeter de cúpula de berilio

Es mejor que el de titanio en relación con la rigidez y peso.

Responde a frecuencias muy altas por lo que es innecesario del tratamiento antirresonante en el

diafragma.

Son muy costosos porque su producción es

complicada porque el material con que se construyen son toxicas y cancerígenas los son Focal y TAD.

Tweeter de Diamante.

Es el mejor material, es extremadamente ligero fuerte y rígido por lo que es extremadamente rápido. El mejor fabricante es

Accuton.

[image:35.612.78.549.66.640.2]

Accuton Tabla 1.4. Clasificación de los altavoces (Frecuencia de operación). Subwoofer Woofer Midrage Tweeter Frecuencia de

operación. 20-100 Hz

100-500 Hz 500-3000 Hz 3000-20000 Hz puede superar los 20 khz Tamaño

(36)

Capítulo 1

Antecedentes.

Tabla 1.5 Clasificación de los altavoces (En función del transductor electromagnético).

Tecnología Directividad Respuesta en frecuencia

Altavoces dinámico de bobina móvil

Son los más utilizados y populares, existen variedad de chasis, imanes bobina y materiales.

Depende de la banda de frecuencia que se va a ocupar es por eso que se

construyeron diferentes altavoces para cubrir el rango audible.

Existen diversas clases de altavoces de bobina móvil que cubren las bandas de frecuencias y los niveles de potencia para cada aplicación por lo que se pueden decir que cubren el rango audible de los 20 Hz- 20 kHz.

Altavoces planos

Estos altavoces tratan de evitar las cajas

acústicas, estos son pequeños transductores por grandes superficies vibrantes, hay ciertas limitantes físicas a comparación de los altavoces

convencionales que reducen la eficiencia.

La directividad de estos altavoces tienes sus limitantes ya que cuando se aumenta la

frecuencia el Angulo de radiación se estrecha en este eje hasta que se vuelva demasiado angosto para el uso normal.

No se tiene dato

Altavoces electroestáticos

Llamado también ESL (electrostatic

Loudspeaker) estos se basan en una placa vibratoria de una placa conductora sometida a un campo eléctrico.

En los altavoces electroestáticos se diseñan con sistemas de dos o tres vías. La banda de alta frecuencia se radia con una banda vertical estrecha situada entre otras de mayor tamaño para las frecuencias graves y medias.

La reactancia de tipo capacitiva, la demanda de corriente de la carga puede ser excesiva a altas frecuencias. El límite en el desplazamiento para bajas frecuencias es muy pobre.

Altavoces planos DML

Es una nueva tecnología de de radiación sonora que data de principios de 1990 cuando se investigaba un nuevo tipo de compuesto para la fabricación de helicópteros más ligeros.

Proporcionan amplia directividad en su banda de paso.

Eliminan la necesidad de un filtro de cruce

(crossover) en el rango de frecuencias en que el oído es más sensible. Cubre el tango audible de los 20 Hz.-20 kHz.

Altavoces de cinta

Los altavoces están constituidos por una

Estos altavoces de cinta están

(37)

Capítulo 1

Antecedentes.

por la que se le hace circulara una corriente de señal de audio, que está situada en un gran campo magnético permanente.

altas frecuencias..

Altavoces piezoeléctricos

Estos altavoces que están constituidos por dos placas cerámicas de comportamiento contrario y

superpuestas, de modo de que una se dilata y otra se contrae.

Muy eficientes por su alto valor capacitivo del material.

(38)

Capítulo 2

Desarrollo del sistema

Capitulo 2

Desarrollo del sistema

Para el desarrollo y efecto del sonido directivo se propuso el uso de una parábola ya que con sus efectos podemos concentrar el sonido en el foco de la parábola, (ver figura 2.1), a una distancia de un metro para ello se propusieron medidas para la parábola, pero ya que su construcción de la misma era algo difícil porque hay que hacerse por molde y se elevaba su precio, por lo cual se pretende utilizar una antena parabólica, ya que cumple con las características que necesitamos, que son el diámetro y distancia focal.

Figura 2.1. Representación grafica del efecto de la parábola concentrando la energía en el foco

Para lo que es la transmisión del sonido se utilizaran tweeter de titanio que tiene una respuesta en frecuencia de 2 kHz a 25 kHz lo cual lo hace directivo, para ello se ocupara un amplificador TDA1554, que es un amplificador de salida estéreo de 22 Watios, este amplificador servirá de apoyo para la interconexión de cualquier reproductor de audio con los tweeter de titanio. También hay que agregar que para la colocación de los tweeter se utilizaran unos brazos metálicos esto es para una mayor colocación o para mover los tweeter en cualquier posición de la parábola así como distancia.

(39)

Capítulo 2

en general, lo que nosotros pretendemos es utilizar nuestro sistema con ayuda de la parábola en espacios arquitectónicos cerrados, como son museos, para explicación de obras de arte que se está exhibiendo.

2.1Cálculos de la parábola.

Como ya se menciono antes el sistema está basado a los efectos que tiene la parábola que es concentrar el sonido en un punto focal, a continuación se desarrollara los cálculos que describen la antena parabólica, pero hay que tener en cuenta que la parábola no es perfectamente circular si no que describe una elipse para ello se hizo lo siguiente:

Se tomaron las medidas de los diámetros así como la profundidad de la parábola esto se muestra en la figura 2.2.

Vista frontal de la parábola.

[image:39.612.225.403.309.629.2]

Vista lateral de la parábola. Figura 2.2. Medidas de la parábola

Ya que tenemos las medidas procedemos a sacar la ecuación que represente la parábola así como encontrar donde está ubicado el punto focal, en este caso se sacaran dos ecuaciones porque tenemos dos diámetros diferentes.

83.2 cm

76.5 cm

(40)

Capítulo 2

Ecuación reducida de la parábola

Figura 2.3. Representación grafica de la parábola Donde:

V: Vértice de la parábola. F: Foco de la parábola. L: Directriz.

P: Punto cualquiera de la parábola. FP: Es la distancia del foco a la parábola.

Donde:

y: Es la función de la parábola.

P: Es un punto cualquiera de la parábola. F: Es el foco de la parábola.

(41)

Capítulo 2

Sustituimos los valores del radio y la profundidad de la parábola como se muestra a continuación

Despejamos a 2p

Ya obtuvimos el valor de 2p que se sustituirá en la ecuación 1.

Como podremos ver de la ecuación 5 ya sacamos el valor de 2p, ahora podremos sustituir ese valor en la ecuación 1 y nos queda:

Para calcular el foco se utilizara la ecuación 2 que representa las coordenadas del punto focal.

Dividimos la expresión 6 entre dos en ambos términos de la igualdad.

(42)

Capítulo 2

Para sacar la segunda ecuación se hacen los mismos procedimientos, se sustituyen los datos en la ecuación de la parábola del segundo diámetro como se muestra a continuación:

Sustituimos los valores.

Despejamos a 2p.

Ya obtuvimos el valor de 2p, por lo cual sustituimos en la ecuación 1 y obtenemos la ecuación de la parábola que representa el diámetro de 76.5 cm.

De la misma forma con la ecuación 2 se calculara el punto focal de la segunda parábola.

(43)

Capítulo 2

Sustituimos el valor de 50.1 cm en la ecuación 2, así queda el segundo punto focal de la parábola.

Ya que tenemos las dos ecuaciones de la antena parabólica se procede a hacer un promedio de los puntos focales para determinar dónde está el foco de la antena parabólica

Por lo que podemos decir que el foco promedio de la antena parabólica es de 54.68 cm.

Figura 2.4. Representación grafica del foco promedio de la parábola. 2.2. Transmisión del sonido.

En la parte del sistema de transmisión del sonido se utilizaran tweeter de titanio, como ya se menciono en el capítulo 1 los tweeter tienen la ventaja de ser altavoces piezoeléctricos ya que estos contienen una alta direccionalidad, es decir, su patrón de radiación es muy estrecho a comparación de los demás altavoces ya que estos manejan frecuencias de 2 kHz hasta 40 kHz en algunos de los casos. Se considero utilizar tweeter de cúpula de seda blanda por las características de estos, direccionalidad, fidelidad en la reproducción del sonido, son muy ligeros, pero se selecciono el tweeter de bala de titanio de la marca AMITZU modelo TW-2800 (ver apéndice A) ya que es el que se encuentra cerca de las características que necesitamos para direccionar el sonido sobre la superficie de la parábola así también es el que se ajusta mejor al presupuesto con que se cuenta para del proyecto, en comparación de otros

Foco 54.68

(44)

Capítulo 2

tweeters de menor precio, menor calidad. Además este tweeter cuenta con las siguientes especificaciones:

Tabla 2.1. Especificaciones de los tweeter de titanio.

Frecuencia 2-25 kHz.

Sensibilidad 99 dB (1W / 1m) Potencia P.M.P.O. 600 W

Imán 537 g

Potencia mínima 4Ω

Profundidad de montaje 2,54 cm.

[image:44.612.81.512.251.604.2]

Plato 9,52 cm.

Tabla 2.2. Usos de resistencias

Resistencia Potencia rms máxima en 4Ω Potencia rms máxima en 8Ω Nivel de sonido en 1 W/m

15 ohm x 10 W 100 W RMS 50 W RMS 100 dB

Figura 2.5. Tweter de Titanio 2.3 Amplificador de audio estéreo.

(45)

Capítulo 2

[image:45.612.185.441.305.613.2]

de estos dispositivos, otro objetivo es poder amplificar el sonido para que en los tweeter de titanio se escuche claro y fuerte sin distorsión.

Figura 2.4. Amplificador de audio TDA1554Q

Figura 2.5. Se muestra el diagrama de la configuración utilizado.

(46)

Capítulo 2

de calor. Se le pueden colocar altavoces de 4 ohms de impedancia pero funcionan también con altavoces de 8 ohms de impedancia.

Figura 2.6. Circuito amplificador estéreo. 2.4. Material empleado

Antena parabólica. Brazos metálicos.

Tweeter de titanio de 600 watts de potencia P.M.P.O Amplificador TDA1554Q.

Capacitores con los siguientes valores:

o 2 de 3.3 µF, 2 de 220 nF, 2200 µF

Cable para protoboard. Un disipador de calor. Un chasis metálico.

Cable de cobre de dos hilos con una longitud de 2 metros. Un cable estéreo de 1 metro color negro.

2 plugs macho mono Un plug estéreo 2 jack mono

Tableta perforada con las medidas de 10x5 cm. Fuente de voltaje de 14 volts.

Ventilador de 120 volts 2.5. Construcción de la parábola

(47)

Capítulo 2

[image:47.612.240.389.444.643.2]

Figura 2.7. Base de la parábola.

Los brazos están hechos de solera cada brazo tiene un longitud de 100 cm, en uno de los extremos de cada brazo se coloco una abrazadera con un diámetro de 7 cm para sujetar los tweeter, estas abrazaderas son de un material llamado fleje (ver figura 2.9). Para tener movilidad se corto la solera de 100 cm en tres, la primera parte desde la base es de 50 cm, las otras dos partes son de 25 cm cada una, la unión de estas se hizo con tornillos, tuercas y rondanas de presión, la desventaja es que para tener una cierta posición hay que apretar bien la tuercas y para poderlo mover a otra cierta posición hay que aflojar y volver apretar, se pueden ver los brazos en la figura 2.8.

(48)

Capítulo 2

Figura 2.9. Brazo metálico con la abrazadera sujetando el tweeter.

[image:48.612.241.389.70.269.2] [image:48.612.120.507.435.693.2]

(49)

Capítulo 2

(50)

Pruebas y resultados Capitulo 3

Capitulo 3

Pruebas y resultados

3.1 Caracterización de los tweeters

[image:50.612.79.536.481.704.2]

Para la caracterización de los tweeters se utilizo un sonómetro de la marca Brüel & Kjaer modelo 2240 (ver apéndice C) como el que se muestra en la figura 3.1, el cual se tenía disponible en el laboratorio de acústica este sonómetro cuenta con las siguientes especificaciones, las cuales se muestran en la tabla 3.1.

Figura 3.1. Sonómetro Brüel & Kjaer. Tabla 3.1. Especificaciones del sonómetro Brüel & Kjaer modelo 2240.

Tipo Especificación

Batería 2 Pilas alcalinas de 1.5 V LR 6/AA volts.

Micrófono Condensador eléctrico

Rango 30-110 dB

Precisión ± 2 dB a 114 dB SPL

Referencia 0 dB = 0.0002 Micro Bar

Ponderación A y C

Mostrar respuesta Rápida y lenta

Señal de salida

(51)

Impedancia 10 kΩ mínima carga

Distorsión Menos de 2% a 1kHz. 0.5 Vpp de salida.

Temperatura de operación -10 a 50 °C

Temperatura de almacenamiento -25 a 60 °C

Dimensiones 230 × 78 × 31 mm, incluido micrófono

Peso 245g. incluidas baterias.

Con el sonómetro se obtuvieron mediciones de presión sonora del tweeter, para poder obtener en base a la misma el patrón de radiación del tweeter a diferentes frecuencias las cuales se mencionan en la tabla 3.2. Para ello se coloco el tweeter en un lugar que se asemejara a un recinto donde queremos aplicar el dispositivo de sonido directivo, por lo cual decidimos colocarlo en un salón de clases como el que se muestra en la figura 3.2. Ya que los recintos en donde se pretende implementar este dispositivo no son medios homogéneos ya que existen ciertos parámetros como son la reflexión y refracción, que se presentan en el lugar debido al mobiliario que se encuentra en el, como son sillas y mesas, además hay que contar con que las paredes están relativamente muy cerca unas de otras provocando que el sonido se refleje en ellas.

(52)

[image:52.612.73.529.86.314.2]

Figura 3.2. Escenario de pruebas

Para caracterizar al tweeter se le reprodujeron una serie de tonos puros los cuales fueron generados en pascal, la estructura de este programa permite hacer un tono puro a una frecuencia deseada, esto puede sustituir a un generador de tonos logrando almacenar y reproducir en un dispositivo de almacenamiento dicho tono, lo que nos permite poder estudiar la respuesta del tweeter a diferentes frecuencias sin la necesidad de contar con equipo sofisticado.

3.2. Desarrollo del programa

Este programa permite obtener un archivo de audio en formato WAV (o WAVE), apócope de WAVEform audio format, es un formato de audio digital normalmente sin compresión de datos fue desarrollado y es propiedad de Microsoft y de IBM que se utiliza para almacenar sonidos en la computadora, admite archivos mono y estéreo a diversas resoluciones y velocidades de muestreo, su extensión es .wav.

(53)

cuenta algunas peculiaridades de la CPU Intel, y es el formato principal usado por Windows.

A pesar de que el formato WAV puede soportar casi cualquier códec de audio, se utiliza principalmente con el formato PCM (no comprimido) y al no tener pérdida de calidad puede ser usado por profesionales. Para tener calidad de CD de audio se necesita que el sonido se grabe a 44100 Hz y a 16 bits. [23]

El programa generado en pascal tiene la estructura siguiente y se menciona detalladamente cada línea del programa.

program Generador_armonicos_WAV;

{Genera un fichero *.wav con un armonico puro,

con una frecuencia de muestreo de 11025 Hz, 16 bits por muestra y mono. La duracion del fichero sera de 2 segundos}

uses Crt; {declara a ala unidad Crt}

const {define constantes} Tiempo=0.1; {En segundos}

Numero_muestras=round(Tiempo*11025);

type {crea diferentes tipos de variables}

tCab_WAV=record {Campos que forman una cabecera WAV} Riff:array[0..3] of char; {'RIFF' }

amanyo:longint; {Tama¤o del fichero - 8 } Wave:array[0..7] of char; {'WAVEfmt ' } Formato:longint; {16 }

Pcm:integer; {PCM (1) }

(54)

Frec:longint; {Frecuencia de muestreo en Hz } Bytes_s:longint; {N§ de bytes por seg. } Bytes_m:integer; {N§ de bytes por muestra } Bits_m:integer; {N§ de bits por muestra } Data:array[0..3] of char; {'data' }

Bytes_fich:longint; {N§ de bytes que ocupan las muestras} end; {finaliza la declaración de variables}

var {declaración de variables} Fich:file;

Nombre:string[8]; Cab:tCab_WAV; Muestra:integer; Armonico:integer; i:integer;

begin {inicio de programa}

clrscr; {limpia la memoria}

write('>> Nombre del fichero sin extension: '); {escribe en pantalla el nombre del archivo}

readln(Nombre); { guarda en la variable nombre lo que se escribio} assign(Fich,Nombre+'.WAV'); {asigna nombre y ubicación al archivo} rewrite(Fich,1);

Write('>> Frecuencia a generar (en Herzios): '); {escribe en pantalla la frecuencia del archivo}

(55)

Riff:='RIFF'; {tipo de formato} Tamanyo:=Numero_muestras*2 + 36;

{Frec. muestreo * n§ bytes/muestra * duracion fich. + cabecera - 8} {tamaño de fichero en bytes}

Wave:='WAVEfmt '; {asignación de valores de las constantes del arreglo} Formato:=16;

Pcm:=1; Mono:=1; Frec:=11025; Bytes_s:=22050; Bytes_m:=2; Bits_m:=16; Data:='data';

Bytes_fich:=Numero_muestras*2; {numero de bytes de las muestras} end; {finaliza el arreglo}

blockwrite(Fich,Cab,sizeof(Cab)); {Escribe la cabecera}

for i:=0 to Numero_muestras-1 {inicio del ciclo para generar el tono} do begin

Muestra:= round(32000*sin(2*pi*i*Armonico/11025)); {generación del tono puro} blockwrite(Fich,Muestra,sizeof(Muestra)); {bloque de datos, si el resultado es menor que lo esperado indicara que el disco está lleno}

end; {fin del ciclo para generar el tono} end. {fin del programa}

3.3. Procedimiento de caracterización de los tweeter.

(56)

Tabla 3.2. Frecuencia y duración de tonos puros. Frecuencia Tiempo

150 Hz 10 seg 250 Hz 10 seg 500 Hz 10 seg 1000 Hz 10 seg 2000 Hz 10 seg 4000 Hz 10 seg 8000 Hz 10 seg 16000 Hz 10 seg

Para la caracterización, el tweeter fue colocado a una altura de un metro del piso, esta distancia es la altura de una de las mesas que se encontraba en el lugar donde se coloco el tweeter, esto para evitar la mayor reflexión del sonido con el piso. Y a una distancia de 2 metros de la pared para ver la reacción del patrón de radiación del tweeter en un ambiente como en que se pretende implementar nuestro dispositivo. Esto es con la intención de llevar a nuestro dispositivo a las condiciones menos ideales y donde haya más reflexiones, ya que esto es uno de los principales problemas al sonorizar un recinto. (Ver figura 3.2).

(57)

2 m

[image:57.612.148.491.68.270.2]

1 m

Figura 3.3 Distancias del tweeter al piso y del tweeter a la pared más próxima.

Para tener una mejor caracterización del tweeter colocamos diferentes puntos sobre el piso, esto para tener una referencia de los lugares en donde queríamos saber la presión del sonido, dibujando líneas a 10 cm de separación entre cada una, hasta llegar a 150 cm y transversalmente longitudes de 10 cm de separación entre cada una, hasta completar 25 cm de un lado y 25 cm del otro lado colocados de la siguiente manera según la grafica 3.4. Con esta tabulación podemos tomar 165 mediciones las cuales nos permiten tener una mejor idea del patrón de radiación al momento de graficar ya que se estima que no son pocas las muestras tomadas, pero esto se verá cuando se grafiquen los resultados obtenidos de las mediciones.

(58)

[image:58.612.157.492.74.422.2]

Figura 3.4. Dimensiones de la referencia para medir la potencia sonora del tweeter

La intersección de las líneas horizontales con verticales son los puntos en los que se midió el nivel de presión sonora del tweeter para cada una de las 8 frecuencias diferentes.

Con este experimento se pretende comprobar la directividad del tweeter que estamos utilizando, pues a mayor frecuencia el haz del tweeter debería de ser mas directivo.

(59)

[image:59.612.121.481.69.307.2]

Figura 3.5. Forma en cómo se coloco el tweeter para su caracterización

En la siguiente sección se muestra los resultados obtenidos de las mediciones que se le hicieron al tweeter teniendo en cuenta que en ese momento se tenía un ruido ambiental de 54 dB.

3.4. Experimentos de caracterización del tweeter.

(60)

[image:60.612.84.535.87.397.2]

Tabla 3.3. Valores obtenidos por el sonómetro.

Tono de 125 Hertz

50 cm 40 cm 30 cm 20 cm 10 cm 0 cm 10 cm 20 cm 30 cm 40 cm 50 cm 10 cm 63 64 67 70 74 79 74 69 67 65 64 20 cm 61 66 67 68 72 73 71 64 67 65 61 30 cm 62 63 64 65 69 68 68 64 65 62 62 40 cm 62 63 63 65 68 67 65 62 64 64 63 50 cm 64 65 63 63 65 67 66 65 64 62 62 60 cm 63 64 65 64 65 64 66 63 64 64 63 70 cm 61 62 63 63 64 63 62 63 63 62 61 80 cm 63 64 64 61 61 62 62 61 61 62 62 90 cm 61 61 62 63 63 62 65 64 63 63 60 100 cm 59 59 59 60 61 64 61 59 59 59 58 110 cm 61 62 62 63 64 64 63 63 62 61 61 120 cm 62 61 62 61 62 62 62 62 61 62 61 130 cm 58 58 59 60 61 62 60 60 58 58 57 140 cm 61 60 61 62 62 61 62 60 61 62 61 150 cm 63 61 62 61 62 60 62 61 62 63 63

Tabla 3.4. Análisis de los valores obtenidos. Distancia en el eje de

la Y (cm)

Distancias en el eje X (cm)

Promedio de la distancia (± cm)

Valores escogidos (dB)

0 0 0 111

10 50 y 50 50 63 y 64

20 50 y 50 50 61 y 61

30 50 y 40 45 62 y 62

40 20 y 50 35 62 y 62

50 20 y 40 30 63 y 62

60 20 y 50 35 63 y 63

70 50 y 50 50 61 y 61

80 20 y 20 20 61 y 61

[image:60.612.81.535.437.720.2]

(61)

110 50 y 40 45 61 y 61

120 20 y 30 25 62 y 61

130 20 y 10 15 60 y 60

140 30 y 20 25 61 y 60

[image:61.612.117.498.161.464.2]

150 0 0 60

Figura 3.6. Patrón de radiación del tweeter a una frecuencia de 125 Hz.

Así sucesivamente se hizo para cada una de las frecuencias ya mencionadas en la tabla 3.2. Se muestran las tablas de las mediciones obtenidas, su análisis y gráficas respectivas de cada frecuencia en el apéndice D.

Las mediciones del tweeter se complico en un momento ya que de pronto daban mediciones fuera de lo esperado en algunos puntos debido a errores de instrumentación, por lo que las mediciones que arrojaba eran erróneas, por lo que se tuvieron que realizar nuevamente las mediciones.

-60 -40 -20 0 20 40 60

0 20 40 60 80 100 120 140 160

D

istan

ci

a (

cm

)

Distancia (cm)

(62)

Durante las mediciones se notaban repentinas variaciones en las mediciones lo cual estas se debían a las reflexiones del sonido con las paredes, a los objetos cercanos al tweeter, además que también nuestra presencia afectaba, esto se ve con los resultados obtenidos de los patrones del espectro de la propagación del sonido en el tweeter.

3.5 implementación de los tweeters en la parábola.

[image:62.612.129.482.296.655.2]

Finalmente se colocaron los dos tweeters en la parábola como se muestra en la figura 3.7 se decidió colocarlos sobre el eje focal de la parábola ya que de esta manera al incidir el haz del audio en la superficie de la parábola estando este perpendicular al eje focal existe la mayor concentración de energía sonora en el foco de la misma.

(63)

La colocación de la parábola para ser sometida a las pruebas se complico debido a que la base de la misma necesita ser fijada con tornillos a una superficie rígida esto dificulto las pruebas ya que se movía constantemente y no se pudo fijar la base ya que ello implicaba perforar la superficie, en este caso necesitaríamos perforar la mesa donde la colocamos o en su defecto perforar la pared ya que esto no fue posible se tuvo que realizar las pruebas sosteniéndola con las manos esto implico que de vez en cuando la parábola se moviera y en consecuencia obtuviéramos mediciones erróneas, lo cual nos llevo a volver a realizar las mediciones.

3.6 Pruebas con el sistema

El sistema fue probado en el mismo recinto en donde se caracterizo a los tweeters, para ello fue empleada una grabación que habla acerca de un día en la vida de Thomas Alba Edison en su fábrica de bombillas.

Las mediciones fueron hechas a lo largo del eje focal de la parábola ya que es ahí donde se calculó que tendría la mayor convergencia de presión sonora.

Cabe mencionar que la parábola no estaba colocada en forma perpendicular a su eje focal ya que como es una parábola que sirve como antena de televisión satelital está diseñada para estar en una posición de no mayor a 45° respecto al eje horizontal.

(64)

Tabal 3.5. Valores obtenidos de la prueba con el sistema.

*Nivel de ruido ambiental 59 dB

50 cm 40 cm 30 cm 20 cm 10 cm 0 cm 10 cm 20 cm 30 cm 40 cm 50 cm 10 cm 83 dB 91 dB 93 dB 97 dB 105 dB 110 dB 106 dB 96 dB 99 dB 90 dB 82 dB

15 cm 88 dB 94 dB 94 dB 98 dB 103 dB 103 dB 103 dB 97 dB 97 dB 93 dB 88 dB

30 cm 87 dB 93 dB 95 dB 97 dB 95 dB 102 dB 96 dB 96 dB 98 dB 92 dB 85 dB 35 cm 85 dB 91 dB 91 dB 93 dB 94 dB 101 dB 93 dB 92 dB 92 dB 93 dB 86 dB 40 cm 84 dB 94 dB 93 dB 92 dB 95 dB 94 dB 95 dB 95 dB 93 dB 94 dB 83 dB 45 cm 70 dB 69 dB 84 dB 91 dB 91 dB 93 dB 90 dB 91 dB 92 dB 69 dB 72 dB 50 cm 75 dB 92 dB 84 dB 94 dB 94 dB 97 dB 93 dB 94 dB 93 dB 92 dB 74 dB

60 cm 93 dB 91 dB 83 dB 81 dB 85 dB 95 dB 86 dB 82 dB 81 dB 91 dB 93 dB 65 cm 86 dB 86 dB 91 dB 88 dB 93 dB 94 dB 93 dB 87 dB 88 dB 87 dB 86 dB 70 cm 86 dB 84 dB 87 dB 87 dB 84 dB 98 dB 83 dB 88 dB 86 dB 83 dB 86 dB 75 cm 83 dB 92 dB 78 dB 93 dB 92 dB 88 dB 92 dB 94 dB 94 dB 92 dB 82 dB 80 cm 87 dB 88 dB 90 dB 85 dB 89 dB 92 dB 90 dB 85 dB 86 dB 88 dB 88 dB

Según nuestros cálculos el sistema tendría que tener su mayor concentración de energía entre los 50 y 60 cm que es la distancia a la que se calculo el foco de la parábola como podemos ver en la tabla la mayor presión sonora está entre los 50 y 55 cm. Podemos ver en la tabla que existen presiones mayores en el rango de los 10 a 30 cm esto se debe a que los tweeters se encuentran dirigiendo su potencia a la superficie de la parábola a partir de los 30 cm.

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Capítulo 4 CONCLUSIONES

Capitulo 4.

4. Conclusiones, propuestas a futuro y costos.

4.1. Conclusiones. Enrique Peña Montero

En el sistema que se desarrollo se emplea una parábola a diferencia de otros sistemas que existen en el cual su principal funcionamiento son los ultrasonidos y cúpulas que estos últimos ocupan tweeter de alta definición. Para que el sistema tenga el desempeño similar a los sistemas que están implementado en la parábola se colocan enfrente unos tweeter de titanio concentrado el sonido en el punto focal el uso de la parábola nos permite el sistema se mas económico.

Hay que tomar en cuenta que la parábola es una antena parabólica que sirve la recepción de señales satelitales con una frecuencia de operación de 6 GHz aproximadamente y que la parábola no es perfectamente circular por lo que se hizo los cálculos correspondientes para ver donde se encontraba su punto focal, cuando se realizaron las pruebas se mostro en los valores obtenidos se noto que al eje perpendicular sobre el centro de la parábola se notaban mayores valores de intensidad del sonido a comparación de los extremos o fuera de la parábola.

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Para hacerse más portátil se diseño un amplificador estéreo de 22 watts de salida para la conexión de cualquier dispositivo de reproducción de audio haciendo más compatible el sistema.

Lo que se pretende con este sistema es disminuir la contaminación auditiva en museos, en conferencias, centros comerciales para uso de publicidad, que ya no se necesario el acondicionamiento de espacios arquitectónicos ya que para llevarlo a cabo es muy costo son permanentes.

Las ventajas del sistema con respecto a los que ya están en venta son en costos y en tamaño con respecto al sistema de cúpula. Las desventajas es que no se ocupa ultrasonidos llegando a distancias menores y con una directividad menor. Así mismo el sistema es factible a cambio o adaptaciones para que en un trabajo a futuro pueda mejorarse su comportamiento.

Cuando Frias Guillermo

Al realizar este proyecto que tuvo como fin el hacer directivo el patrón de radiación de un par de tweeters por medio de una parábola, concluimos que para poder llegar a nuestro objetivo deseado es necesario contar con una parábola lo mas ideal posible, ya que con la que contamos presenta algunas deformidades, porque esta misma parábola es exclusivamente utilizada para la transmisión de señales de televisión satelital. Por lo mismo es que presenta dichas deformidades pero es lo más cercano a una parábola que pudimos adquirir. Pero fue lo suficiente para poder demostrar lo que pretendíamos en un inicio que fue el poder direccionar el patrón de radiación de los tweeters sin la necesidad de aumentar la frecuencia de los mismos.

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reflejado por la superficie de la parábola este se concentra en su foco y se vuelve más directivo sin la necesidad de aumentar la frecuencia del sonido.

Todo esto nos lleva a la conclusión de que el sonido reflejado en la superficie de la parábola al ser este concentrado en su foco se vuelve más directivo siempre y cuando el sonido sea reflejado perpendicularmente a su eje focal de la misma.

Pudimos comprobar por medio de la experimentación que la mayor concentración del sonido de nuestro dispositivo se da en un rango de distancia de 50 a 55 cm. Y que podemos aumentar esta distancia si utilizamos una parábola con una profundidad menor y un diámetro mas grande.

4.2. Trabajos a futuro

Como se explico en la conclusión será necesario para mejorar el sistema implementando una parábola lo mas ideal posible calculando a qué distancia queremos el punto focal y contar con un material que refleje la mayor cantidad posible de la energía sonora que se proyecte a la superficie de la parábola. Esto ayudara para que el sonido se direccione lo más óptimamente posible.

La implementación de este dispositivo podría ocuparse en diferentes recintos acústicos en los cuales se desea tener sonorizado solo un área determinada sin la necesidad de ocupar divisiones físicas. Como un ejemplo podemos mencionar a los salones de eventos sociales en los cuales se desea solo sonorizar un área determinada, es importante mencionar que además de ser muy útil y práctico este sistema es muy accesible en cuanto al costo comparado con los sistemas electrónicos que ya existen los cuales son bastante costosos.