El peligro de utilizar un amplificador de menos potencia que el altavoz

En muchas ocasiones he escuchado a personas comentar que han roto sus altavoces “a pesar de utilizar un amplificador de menos potencia que el altavoz”.  En cierta manera, es comprensible que esto genere ciertas dudas si no se tienen claros algunos conceptos: ¿cómo va un altavoz a romperse por un amplificador que genera menos potencia que la que soporta el altavoz?

Pues el gran culpable de este problema es la distorsión. Para entender esto de forma clara, analicemos la naturaleza de la música y parámetros como la amplificación y la distorsión.



La música

Para empezar, podemos afirmar que cuando reproducimos música no tenemos la misma energía en la parte alta que en la parte baja del espectro sonoro.

El oído humano responde mal a la baja frecuencia, y necesitamos mucha más energía para escuchar los graves que los agudos (esto se refleja en las famosas curvas isofónicas de Fletcher y Munson, y en las ponderaciones A, B y C de los sonómetros).

Si analizamos la respuesta en frecuencia de una canción en un analizador RTA, podremos ver que el contenido en alta frecuencia contiene, normalmente, entre 10 y 20dB menos que las frecuencias medias y graves.

Por tanto, incluso si trabajamos con un rango dinámico de 10dB para los picos de señal en la alta frecuencia (un valor bastante habitual, incluso puede ser más alto), el motor de agudos de cualquier caja acústica realmente estará soportando como mucho una décima parte de la potencia que tienen que aguantar las vías de medios y graves.

Esta distribución de la energía en el espectro sonoro es algo que juega a nuestro favor: Una caja acústica de 100W, tendrá un motor de agudos que tenga que trabajar, aproximadamente, con unos 10W. Si el fabricante utiliza un tweeter capaz de aguantar 20W (es habitual sobredimensionar la resistencia de estos componentes), entonces tenemos un factor de seguridad muy grande en la alta frecuencia. Si el componente tiene que trabajar en condiciones normales con 10W y aguanta 20W, en principio no deberíamos tener ningún problema.

Las capacidades de los componentes de una caja acústica están diseñadas según la distribución natural de la energía de la música.

En este gráfico podemos observar la distribución de la energía típica de la música: Una caída de 6dB/octava a partir de aproximadamente 1kHz, llegando a -20dB en 10kHz.

Fuente: http://sound.whsites.net/articles/fadb.htm

La amplificación

Pasamos ahora al tema de la amplificación. Lo primero que deberíamos tener en cuenta es que las especificaciones de la potencia de salida de un amplificador que aparece en sus especificaciones técnicas no es un valor absoluto. Y con esto quiero decir que, en ocasiones, los amplificadores pueden dar más potencia de la que dicen sus especificaciones (eso sí, a costa de generar mucha distorsión armónica).

Normalmente, los fabricantes nos dan el dato de la potencia de salida RMS a un nivel concreto de distorsión THD (normalmente muy bajo). Pero si el usuario del amplificador envía más señal de la cuenta, generando distorsión, la potencia de salida del amplificador puede aumentar por encima de la especificación dada por el fabricante.

Por ejemplo, un amplificador con una potencia de salida de 500w RMS con una distorsión de 0.5%THD podría llegar a generar mediante sobresaturación 1000W de potencia de salida. Y probablemente, mucha de esa potencia extra generada por la distorsión estará en la zona de la alta frecuencia, como veremos a continuación.

Distorsión en alta frecuencia

La potencia extra que se genera al sobrecargar la entrada de un amplificador tiene, por tanto mucha distorsión armónica. Y esos armónicos son los que son realmente peligrosos para nuestros motores de agudos.

Partimos de la base de que la distorsión armónica genera señales que no estaban presentes en la señal original, y son múltiplos superiores a la señal original.

Para situarnos en esto, veamos una captura de pantalla de la distorsión armónica generada por un tono de 1kHZ, tanto en escala logarítmica como en escala lineal:

Distorsión armónica a partir de un tono puro de 1kHz, en escala logarítmica

Distorsión armónica generada a partir de un tono de 1kHz, esta vez representada en escala lineal

Podemos apreciar como la distorsión generada al distorsionar la entrada de la interface con un tono puro genera distorsión armónica en frecuencias superiores al tono original, aumentando de forma significativa el nivel de energía en agudos.

Pero, ¿qué sucede cuando la señal que distorsiona el amplificador no es un tono puro, sino una señal de rango completo (una canción, por ejemplo)?

Vamos a verlo en el analizador:

En azul, la señal de música sin distorsionar. En rosa, la señal distorsionada. Vemos como aumenta la alta frecuencia en la señal distorsionada.

 

En escala lineal podemos apreciar mejor la diferencia: Tenemos unos 16dB de diferencia en la parte alta del espectro.

Como esta distorsión se genera siempre en múltiplos superiores, el motor de agudos de una caja acústica es el que soporta siempre la mayor cantidad de distorsión cuando se produce, aunque la señal en principio no tenga gran contenido de alta frecuencia.

Un contrabajo, por ejemplo, no tiene mucha señal de alta frecuencia. Pero si esa señal del contrabajo distorsiona la entrada del amplificador, generará distorsión armónica de alta frecuencia. Veámoslo en este video:





Ondas, factor cresta, potencia pico y potencia eficaz.

Si visualizamos las ondas generadas mediante un osciloscopio, podemos entender mejor lo que sucede.

Si introducimos en el osciloscopio una onda senoidal de un tono puro,veremos que en la pantalla sus extremos superior e inferior se muestran con los contornos normalmente redondeados (La típica onda senoidal, vamos).

 Pero cuando un amplificador es saturado, los contornos de la onda se recortan, generando una onda cuadrada en la que la potencia RMS se aproxima a la potencia de pico. Y cuando esto sucede, el amplificador puede enviar hasta el doble de su nivel de salida nominal al motor de agudos, que puede no ser capaz de manejar semejante potencia. Esta es la causa más común de fallo en los motores de agudos.

Onda senoidal y onda senoidal recortada. Fuente: http://www.hispamotor.net

Sin embargo, si utilizamos un amplificador de mayor potencia,  podrá generar los niveles de potencia requeridos sin producir ese recorte, permitiendo que el sistema de altavoces reciba la señal amplificada con una distribución normal de los niveles de energía. En estas condiciones, aunque aumente la potencia, el daño al motor de agudos es muy improbable (recordemos que están diseñados con un factor de seguridad importante).

Una cuestión importante para entender esto es el factor cresta. El factor cresta es el cociente entre el valor de pico de la señal y su valor promedio o RMS.

Los fabricantes de amplificadores utilizan normalmente para medir la potencia de sus amplificadores tonos puros o barridos de ondas, y estas señales tienen un factor cresta de 3dB. Eso significa que la potencia de pico del amplificador (la máxima potencia que puede soportar el amplificador sin averiarse durante un periodo de tiempo corto) es el doble que la potencia eficaz (potencia que el amplificador es capaz de desarrollar durante largos periodos de tiempo sobre una determinada carga nominal).

Por tanto, los fabricantes utilizan señales con 3dB de factor cresta para darnos sus especificaciones. Sin embargo, nosotros, en el mundo del sonido directo, normalmente vamos a trabajar con música con un factor cresta de entre 15 y 20 dB.

Si con un tono puro con factor cresta de 3dB el amplificador genera 1000W de potencia eficaz, con una señal con un factor cresta de 20dB el mismo amplificador genera una potencia eficaz de 20W, por lo que queda claro que tiene bastante sentido el sobredimensionar en cierta medida los amplificadores respecto a los altavoces.

Nota: Es importante advertir la diferencia entre música en directo y música grabada y masterizada. La música comercial de hoy en día ha llegado a límites de compresión absurdos, y su factor de cresta puede llegar a estar en algunos casos extremos cerca de los 3dB de la onda senoidal.

Consejos de protección

Llegados a este punto, podemos concluir con algunos consejos para proteger nuestros sistemas:

-Evitar la distorsión a toda costa: Es, sin duda, lo más peligroso para nuestros altavoces. No hay nada como mantener una buena estructura de ganancia y tener nuestros niveles bajo control. Por algo llevan medidores todos los amplificadores serios.

-Sobredimensionar (con mesura) nuestros amplificadores: Si vamos a trabajar con señales con dinámica (y por tanto factor cresta más o menos grande) es conveniente que los amplificadores generen más potencia que la que admiten los altavoces. Una proporción óptima (aunque podríamos debatir a cerca de esto) podría ser un amplificador que genere entre un 50% y un 75% más de la potencia eficaz del altavoz.

-Utilizar la limitación: Es interesante tratar de proteger nuestros sistemas para evitar problemas y evitar forzar los altavoces. Para hacer un ajuste adecuado de la limitación, os recomiendo esta hoja de excel de limitación creada por Gerard Mancebo, de VM Acoustical, que ya comentamos hace tiempo en otro artículo.  Con esta herramienta, es muy fácil calcular los parámetros adecuados para nuestro limitador.

Evitar hacer conexiones o desconexiones con el amplificador encendido: Hacer esto puede generar señales de pico momentáneas que pueden dañar las bobinas de los altavoces.

Y esto ha sido todo por hoy. Si os aparecido interesante os agradecería que compartiéseis el artículo o dejaseis algún comentario 🙂

 
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