Para generar presión sonora se necesita mover aire. Los altoparlantes electrodinámicos que se encuentran en la mayoría de los sistemas de sonido basan su funcionamiento en el mismo concepto: el movimiento de una membrana (cono) a través de un motor magnético (fig 1).
Fig 1: Altoparlante a corazón abierto.
El principio físico de su funcionamiento se basa en la Ley de Lorentz o ley de fuerza magnética. Expone que cuando circula corriente por un conductor que se encuentra sumergido en un campo magnético perpendicular se observa una fuerza resultante sobre el conductor. Se puede calcular la magnitud de la fuerza con la siguiente ecuación:
En donde: B es el campo magnético, en este caso del imán permamente concentrado en el entrehierro; l el largo del conductor sumergido en el campo, como es la bobina; i es la corriente eléctrica que pasa por la bobina, donde el sentido de la fuerza es dependiente del sentido de la corriente.
Cabe destacar que de mantener el producto Bl constante, la fuerza (y en definitiva el movimiento) del altoparlante dependerá exclusivamente de la corriente. Y es aquí donde se encuentra uno de los mayores desafíos al diseñar un motor magnético, mantener el Bl constante y simétrico para la excrusión planeada. Sucede que al aplicar mayor corriente, la bobina va a moverse cada vez más lejos del entrehierro, con lo cual menos largo de alambre va a estar dentro del entrehierro y por ende disminuye la fuerza resultante.
Fig 2: Líneas de campo magnético en el entrehierro.
Además el flujo magnético no se concentra totalmente en el entrehierro, cierta porción se dispersa (fig 2). Esto significa que no se va a poder mantener la fuerza del motor (Bl) constante en todo el recorrido de la bobina, causando distorsión. Para empeorar las cosas el campo disperso no es simétrico, quiere decir que no va a ser igual cuando la bobina esté entrando que cuando esté saliendo, agregando aún más alinealidad al funcionamiento del altoparlante.
Para minimizar este problema los fabricantes recurren a diversas técnicas de configuración de las piezas magnéticas y bobina, entre las cuales hacer la bobina menos alta que el entrehierro (underhang) o más alta que este (overhang). Siendo la última una de los diseños más comunes. De esta manera se asegura una cantidad de recorrido lineal (fig 3).
Fig 3: Configuraciones underhang y overhang.
En líneas generales con el diseño underhang se logran respuestas muy lineales pero con un menor Bl debido a que se debió hacer más alto el entrehierro. Por otro lado con una configuración overhang se logra buena linealidad y mejor eficiencia, aún siendo la masa de la bobina un poco más grande debido a la mayor cantidad de alambre.
También se podría elegir el alto de bobina igual al del entrehierro, el resultado de la comparación con el sistema overhang se puede ver en la figura 4.
Fig 4: Comparación de diferentes configuraciones de bobina.
Por último, aparecen dos alinealidades más en este tipo de motores magnéticos. Una es la inductancia de la bobina Le, que también varía con la posición de la bobina, debido a que las piezas del motor actúan como núcleo de un transformador. Cuando se encuentra por fuera encuentra menor cantidad de hierro y por ende menor valor de Le, a la inversa de cuando se encuentra por dentro. La segunda es que la corriente que circula por la bobina puede afectar o modular al campo magnético B del motor. Para disminuir en gran parte estas alinealidades, se utilizan anillos de metal (aluminio o cobre) alrededor de la pieza central que »cortocircuitan» el efecto de la bobina como se observa en la figura 5 (shorting rings o Faraday loops).
Fig 5: Altoparlante con shorting-ring.
Las alinealidades del motor magnético, sumadas a las de la suspensión mecánica, suelen ser las causantes de la mayor parte de distorsión en los altoparlantes.
Ing. Eduardo Sacerdoti
Investigación & Desarrollo – Equaphon