Factor de amortiguamiento

En un sistema de audio, el factor de amortiguación proporciona la relación de la impedancia nominal del altavoz (normalmente se supone que es 8 Ω) a la impedancia de fuente del amplificador de potencia. Sólo se utiliza la magnitud de la impedancia del altavoz y se supone que la impedancia de salida del amplificador de potencia es totalmente resistiva.

En los típicos amplificadores de válvulas y de estado sólido, el factor de amortiguación varía en función de la frecuencia. En los amplificadores de estado sólido, el factor de amortiguación suele tener un valor máximo en frecuencias bajas y se reduce progresivamente en frecuencias más altas. La figura de la derecha muestra el factor de amortiguación de dos amplificadores. Uno es un amplificador de estado sólido (Luxman L-509u) y el otro es un amplificador de válvulas (Rogue Atlas). Estos resultados son bastante típicos de estos dos tipos de amplificadores y sirven para ilustrar el hecho de que los amplificadores de válvulas suelen tener factores de amortiguación mucho más bajos que los amplificadores modernos de estado sólido, lo cual es una característica indeseable.

Cálculo

La impedancia de la fuente (que es vista por el altavoz) incluye la impedancia del cable de conexión. La impedancia de carga ${displaystyle Z_{mathrm {L}}$ y la impedancia de la fuente ${displaystyle Z_{mathrm {S}$ se muestran en el diagrama del circuito.

El factor de amortiguación ${displaystyle DF!$ es:

$${displaystyle DF={frac {Z_{mathrm [L] }+Z_{mathrm {S}{Z_{mathrm {S}}}}$$

Solving for ${displaystyle Z_{mathrm {S}$, obtenemos:

$${displaystyle Z_{mathrm {S}={frac {Z_{mathrm} {L}} {DF-1}}$$

Small ha presentado un método para medir la resistencia de la fuente del amplificador.

Explicación

Pierce llevó a cabo un análisis de los efectos del factor de amortiguación del amplificador en el tiempo de caída y las variaciones de respuesta dependientes de la frecuencia de un sistema de altavoces de suspensión acústica de caja cerrada. Los resultados indicaron que cualquier factor de amortiguación superior a 10 dará como resultado diferencias inaudibles entre ese factor y un factor de amortiguación igual al infinito. Sin embargo, también se determinó que la variación dependiente de la frecuencia en la respuesta del altavoz debido a la resistencia de salida del amplificador es mucho más significativa que los efectos sobre la amortiguación del sistema. También es importante no confundir estos efectos con los efectos de amortiguación, ya que son causados por dos mecanismos bastante diferentes. Los cálculos sugirieron que un factor de amortiguación superior a 50 no conducirá a mejoras audibles, en igualdad de condiciones.

Para los amplificadores de potencia de audio que emplean algunos comentarios negativos globales, esta impedancia fuente ${displaystyle Z_{mathrm {S}$ es generalmente menor que 0.1 Ω, que desde el punto de vista de la bobina de voz del conductor es un cortocircuito cercano.

La impedancia nominal de carga del altavoz (impedancia de entrada) ${displaystyle Z_{mathrm {L}}$ es generalmente alrededor 4 a 8 Ω, aunque hay otros oradores en situación de impedancia, a veces cayendo tan bajo como 1 Ω o 2 Ω. Sin embargo, la calificación de impedancia de un altavoz es simplemente número que indica la impedancia mínima nominal de ese altavoz sobre una parte representativa de su rango de frecuencias operativas. Hay que tener en cuenta que la mayoría de los altavoces tienen una impedancia que varía considerablemente con frecuencia. Para un controlador de altavoz dinámico, un pico en la impedancia está presente en la frecuencia de resonancia al aire libre del conductor, que puede ser significativamente mayor en magnitud que la impedancia nominal nominal. Además, las características eléctricas de cada bobina de voz cambiarán con temperatura (los altos niveles de potencia aumentan la temperatura de la bobina de voz, y por lo tanto la resistencia), la inductancia de los bobinados de la bobina de voz conduce a una creciente impedancia a altas frecuencias, y las redes transversales pasivas (compuestas de inductores, condensadores y resistores relativamente grandes) introducen nuevas variaciones de impedancia en sistemas de altavoces. Refiriéndose a la ecuación para ${displaystyle DF!$ que se dio anteriormente, esta variación dependiente de frecuencias en impedancia de carga de altavoces resulta en el valor del factor de amortiguación del amplificador que varía con frecuencia cuando se conecta a una carga de impedancia de altavoz.

En los sistemas de altavoces, el valor del factor de amortiguación entre un altavoz particular y un amplificador particular describe la capacidad del amplificador para controlar el movimiento indeseable del cono del altavoz cerca de la frecuencia de resonancia del sistema de altavoces. Suele utilizarse en el contexto del comportamiento de los controladores de baja frecuencia, y especialmente en el caso de los controladores electrodinámicos, que utilizan un motor magnético para generar las fuerzas que mueven el diafragma. A veces se considera que un factor de amortiguación alto en un amplificador da como resultado que el amplificador tenga un mayor control sobre el movimiento del cono del altavoz, particularmente en la región de graves cerca de la frecuencia de resonancia de la resonancia mecánica del controlador.

Los diafragmas de los altavoces tienen masa y sus componentes de suspensión flexibles tienen rigidez. Juntos forman un sistema resonante y la resonancia mecánica del cono puede excitarse mediante señales eléctricas (por ejemplo, impulsos) en frecuencias de audio. Pero un controlador con bobina móvil también es un generador de corriente, ya que tiene una bobina unida al cono y la suspensión, y esa bobina está inmersa en un campo magnético. Por cada movimiento que haga la bobina, generará una corriente que será vista por cualquier equipo conectado eléctricamente, como un amplificador. De hecho, el circuito de salida del amplificador será la carga eléctrica principal del "generador de corriente de la bobina móvil". Si esa carga tiene baja resistencia, la corriente será mayor y la bobina móvil se verá obligada a desacelerar con más fuerza. Un alto factor de amortiguación (que requiere una baja impedancia de salida en la salida del amplificador) amortigua muy rápidamente los movimientos no deseados del cono inducidos por la resonancia mecánica del altavoz, actuando como el equivalente de un "freno" en el movimiento de la bobina móvil (al igual que un cortocircuito entre los terminales de un generador eléctrico giratorio hará que sea muy difícil girar). En general (aunque no universalmente) se piensa que es deseable un control más estricto del movimiento de la bobina móvil, ya que se cree que contribuye a un sonido de mejor calidad.

El circuito de amortiguación

El voltaje generado por la bobina móvil en movimiento fuerza la corriente a través de tres resistencias:

• La resistencia de la propia bobina de voz
• La resistencia del cable de interconexión
• La resistencia de salida del amplificador

Efecto de la resistencia de la bobina móvil

Este es el factor clave para limitar la cantidad de amortiguación que se puede lograr eléctricamente, porque su valor es mayor (por ejemplo, entre 4 y 8 Ω normalmente) que cualquier otra resistencia en el circuito de salida de un amplificador que no utiliza un transformador de salida (casi todos los amplificadores de estado sólido del mercado masivo).

La corriente de retorno de un altavoz no solo se disipa a través del circuito de salida del amplificador, sino también a través de la resistencia interna del propio altavoz. Por lo tanto, la elección de diferentes altavoces dará lugar a diferentes factores de amortiguación cuando se combinen con el mismo amplificador.

Efecto de la resistencia del cable

El factor de amortiguación se ve afectado hasta cierto punto por la resistencia de los cables de los altavoces. Cuanto mayor sea la resistencia de los cables de los altavoces, menor será el factor de amortiguación.

Impedancia de salida del amplificador

Los amplificadores de estado sólido modernos, que utilizan niveles relativamente altos de retroalimentación negativa para controlar la distorsión, tienen impedancias de salida muy bajas (una de las muchas consecuencias del uso de retroalimentación) y pequeños cambios en un valor ya bajo cambian el factor de amortiguación general en sólo un poco. cantidad pequeña y, por tanto, insignificante.

Por lo tanto, los valores altos del factor de amortiguación no dicen, por sí solos, mucho sobre la calidad de un sistema; la mayoría de los amplificadores modernos los tienen, pero de todos modos varían en calidad.

Los amplificadores de válvulas de vacío suelen tener relaciones de retroalimentación mucho más bajas y, en cualquier caso, casi siempre tienen transformadores de salida que limitan la baja que puede ser la impedancia de salida. Sus factores de amortiguación más bajos son una de las razones por las que muchos audiófilos prefieren los amplificadores de válvulas. Yendo aún más lejos, algunos amplificadores de válvulas están diseñados para no tener ninguna retroalimentación negativa.

En la práctica

Los amplificadores de estado sólido modernos típicos con retroalimentación negativa tienden a tener factores de amortiguación altos, generalmente por encima de 50 y, a veces, incluso superiores a 150. Los factores de amortiguación altos tienden a reducir el grado en que un altavoz "suena" cuando suena. (sufre una oscilación no deseada a corto plazo después de que se aplica un impulso de potencia), pero es fácil exagerar hasta qué punto los factores de amortiguación superiores a aproximadamente 20 ayudan a este respecto; Habrá una resistencia interna efectiva significativa, así como cierta resistencia y reactancia en las redes cruzadas y los cables de los altavoces. Los amplificadores más antiguos, además de los amplificadores triodos modernos e incluso de estado sólido con baja retroalimentación negativa, tenderán a tener factores de amortiguación más cercanos a la unidad, o incluso menores que 1.

Aunque valores extremadamente altos del factor de amortiguación en un amplificador no necesariamente harán que la combinación altavoz-amplificador suene mejor, un factor de amortiguación alto puede servir para reducir la intensidad de las variaciones añadidas de la respuesta de frecuencia que no son deseables. La figura de la derecha muestra el efecto del factor de amortiguación en la respuesta de frecuencia de un amplificador cuando ese amplificador está conectado a una carga de impedancia de altavoz simulada. Esta carga es medianamente exigente pero no atípica de los altavoces de alta fidelidad que hay en el mercado y se basa en el circuito propuesto por Atkinson. Las revistas de audio Stereophile y Australian Hi-Fi han reconocido la importancia del factor de amortiguación del amplificador y han hecho del uso de la carga de altavoz simulada una parte rutinaria de sus mediciones de amplificador. Alrededor de 4 kHz, la diferencia real entre un amplificador con un factor de amortiguación moderado (100) y uno con un factor de amortiguación bajo (20) es de aproximadamente 0,37 dB. Sin embargo, el amplificador con un factor de amortiguación bajo actúa más como un ecualizador gráfico sutil que el amplificador con un factor de amortiguación moderado, donde los picos y caídas en la respuesta de frecuencia del amplificador se corresponden estrechamente con los picos y caídas en la Respuesta de impedancia del altavoz.

De las diversas curvas de respuesta de frecuencia del amplificador se desprende claramente que los valores bajos del factor de amortiguación dan como resultado cambios significativos en la respuesta de frecuencia del amplificador en varias bandas de frecuencia. Esto dará como resultado amplios niveles de coloración del sonido que probablemente sean audibles. Además, los cambios en la respuesta de frecuencia dependerán de la impedancia dependiente de la frecuencia de cualquier altavoz que esté conectado al amplificador. Por lo tanto, en los sistemas de reproducción de sonido de alta fidelidad, los amplificadores con factores de amortiguación de moderados a altos son la opción preferida si se desea una reproducción de sonido precisa cuando esos amplificadores están conectados a cargas de impedancia de altavoces multidireccionales típicas.

Algunos diseñadores de amplificadores, como Nelson Pass, afirman que los altavoces pueden sonar mejor con una amortiguación eléctrica más baja, aunque esto puede atribuirse a la preferencia del oyente más que al mérito técnico. Un factor de amortiguación más bajo ayuda a mejorar la respuesta de graves del altavoz en varios decibelios (donde la impedancia del altavoz sería máxima), lo cual es útil si solo se utiliza un solo altavoz para todo el rango de audio. Por lo tanto, algunos amplificadores, en particular los amplificadores antiguos de las décadas de 1950, 1960 y 1970, cuentan con controles para variar el factor de amortiguación. Si bien dicha "mejora" puede resultar agradable para algunos oyentes, no obstante representa una distorsión de la señal de entrada.

Un ejemplo de un amplificador antiguo con control de amortiguación es el Accuphase E-202, que tiene un interruptor de tres posiciones que se describe en el siguiente extracto de su manual del propietario:

Control de Daños de altavoces mejora las cualidades tonales características de los altavoces. El factor de amortiguación de amplificadores de estado sólido es generalmente muy grande e ideal para amortiguar los altavoces. Sin embargo, algunos oradores requieren un amplificador con un factor de amortiguación bajo para reproducir sonido rico y completo. El E-202 tiene un Control de Daños de altavoz que permite elegir tres factores de amortiguación e induce el máximo rendimiento potencial de cualquier altavoz. Factor de daño con un 8Ω la carga se convierte en más de 50 cuando este control se establece en NORMAL. Asimismo, es 5 en posición MEDIUM, y 1 en posición SOFT. Permite elegir el sonido del altavoz que uno prefiere.

Por el contrario, en la amplificación moderna de alta fidelidad, la tendencia es separar la señal de graves y amplificarla con un amplificador dedicado. A menudo, los amplificadores para la reproducción de graves están integrados en el gabinete del altavoz, una configuración conocida como subwoofer autoamplificado. En una topología que incluye un amplificador dedicado para bajos, el factor de amortiguación del amplificador principal no es tan relevante, y el del amplificador de bajos también lo es si ese amplificador está integrado con el altavoz y el gabinete como una unidad, ya que todos esos componentes están diseñados juntos y optimizados para la reproducción de graves.

La amortiguación también es una preocupación en los amplificadores de guitarra (una aplicación en la que es deseable una distorsión controlada) y una amortiguación baja puede ser mejor. Numerosos amplificadores de guitarra tienen controles de amortiguación y la tendencia a incluir esta característica ha ido en aumento desde la década de 1990. Por ejemplo, el amplificador estéreo Marshall Valvestate 8008 montado en bastidor tiene un interruptor entre salida "lineal" y "Valvestate" modo:

"Linear/Vstate selector. Diapositiva para seleccionar el rendimiento lineal o Valvestate. El modo Valvestate da armónicos extra cálidos más la riqueza del tono, que es único en la etapa de potencia Valvestate. El modo lineal produce un tono de alta definición que da un carácter totalmente diferente al sonido y se adapta a ciertos estilos modernos "metal", o aplicaciones PA.

Este es en realidad un control de amortiguación basado en retroalimentación de corriente negativa, lo cual es evidente en el esquema, donde el mismo interruptor está etiquetado como "Modo de potencia de salida: corriente/voltaje". El "Valvestate" El modo introduce retroalimentación de corriente negativa que aumenta la impedancia de salida, reduce el factor de amortiguación y altera la respuesta de frecuencia, de manera similar a lo que ocurre en un amplificador de válvulas.