Amplificadores y altavoces, mitos y leyendas

Este es un pequeño tutorial de cómo se relacionan las potencias que nos facilitan fabricantes de amplificadores y altavoces, una de las dudas más recurrentes en el foro de sonido en vivo. No es una guía para la selección de altavoces o amplificadores, ya que muchos conceptos y factores se quedan fuera (damping, sensibilidad, etc.), pero puede ayudar a algunos a saber si amplificadores y altavoces están equilibrados en cuanto a potencia.

"Para un altavoz de X W necesitas 2*X W de amplificador". Esta es una afirmación bastante común, aunque es demasiado vaga como para tener un significado concreto.

Para empezar, el W (Watt o Vatio) es unidad de potencia, que es la variación de la energía con respecto al tiempo. Igual que la velocidad es la variación de la distancia con respecto al tiempo.

Como los altavoces sólo pueden producir movimientos oscilatorios, podemos hablar de potencia máxima y potencia promedio para describir este movimiento.

El término Wpeak (vatios de pico) expresa la potencia instantánea máxima (o lo que es lo mismo, energía) que es capaz de soportar el altavoz antes de romperse.

El término Wavg (vatios promedio, vatios continuos, también mal llamado Wrms) viene de multiplicar Vrms por Irms (tensión y corriente RMS) y nos da el valor de potencia promediado. Esto es bastante delicado, ya que este valor depende de la señal. Si lo miramos en voltaje, una señal predecible (que se pueda describir por una función) tendrá un valor de pico y un valor promedio (RMS) determinados. Así, una onda senoidal (tono puro) tendrá un valor de pico 3 dB por encima de su valor RMS.

Esta diferencia (en dB) es lo que se conoce como el factor de cresta de una señal, y es particularmente importante para determinar el comportamiento y las especificaciones de potencia de los altavoces y amplificadores.

Si una señal es descrita en voltaje de esta manera y la reproducimos en un altavoz a través de un amplificador, la relación entre valor promedio y máximo de la señal en potencia se conserva, en dB, pero en potencia la misma relación en dB representa el doble de diferencia que en voltaje.

Mientras que en voltaje una onda senoidal pura tiene una relación de 1:1.414 (aproximadamente) en potencia esta misma señal tiene una relación de 1:2 (aproximadamente).

Esto quiere decir que un tono puro en potencia tiene un factor cresta de 3dB, que implica picos de el doble del valor promedio.

Conociendo esta relación, podemos interpretar mejor qué quieren decir los valores nominales de un amplificador.

Tomaremos como ejemplo un amplificador común, el QSC RMX2450, que tiene una potencia nominal (a 8 Ohm) de 500W por canal. En sus especificaciones (http://www.qscaudio.com/pdfs/Specifications/RMX_spec.pdf) nos dice que 500W @ 8 Ohm son medidas con un tono de 1KHz y con un 0.1% de THD (más potencia implicará, como mínimo más distorsión). Aunque no lo especifican (no nos dicen que sea potencia continua) las lecturas de corriente y voltaje que se realizan en el proceso de medición son RMS. Estos son los datos de este fabricante, y no quiere decir que sea la única manera de darlos, o el único método para medirlos.

Por lo tanto, entendemos que este amplificador capaz de generar 500W continuos cuando se le introduce un tono puro de 1KHz y se le coloca una carga de 8 Ohm a la salida, será capaz de generar 1000W de pico (implícitamente, ya que está reproduciendo ese tono puro que tiene los picos a ese nivel).

Ahora lo normal es estarse preguntando qué tiene que ver un tono puro con la música o la voz que es lo que ese amplificador va a reproducir finalmente. La música y la palabra son señales muy complejas, de alto contenido armónico (en el sentido matemático, no musical) y muy variables. Esto quiere decir que es poco corriente encontrar tonos puros, ya que siempre hay muchas frecuencias interactuando entre sí, por lo que el movimiento del altavoz no va a ser simple (como con un tono puro). Por esto es mucho más complicado medir el comportamiento de los equipos ante este tipo de señales. Los fabricantes pueden coger material de programa (música, voz, etc.) y analizarlo (dándole valores de RMS, RMS pico, pico, etc.) y después analizar la salida del amplificador ante esa señal y comparar los resultados. También pueden crear una onda senoidal que varíe en amplitud dándole unos parámetros determinados, o reproducirla de manera intermitente. Evidentemente esto da resultados muy dispares ya que depende mucho del material a utilizar, por lo que es más útil centrarse en un sólo método, y extrapolar los resultados al resto de materiales que queramos utilizar.

Si cogemos nuestro amplificador QSC y le introducimos música con un factor cresta de, digamos, 12dB, de manera que los picos del amplificador sean de 1000W, el valor promedio de la música reproducida será de la mitad de la mitad de la mitad de la mitad de 1000W, es decir 62.5W. Si esta música se reproduce con un promedio de 500W significará que tenemos picos de el doble del doble del doble del doble de 500W, es decir: 8000W.

¿Podrá el amplificador reproducir picos de 8000W? Puede ser, aunque no es relevante. La música (especialmente en directo) tiene unos picos muy cortos en el tiempo (transitorios) que no harán reaccionar la etapa y sus circuitos de protección de la misma manera que los picos continuos de una onda senoidal. Así es posible que si estamos reproduciendo música habrá momentos en los que el factor cresta está por debajo del valor promedio y momentos que esté por encima. Esto es porque la música tendrá un valor RMS más altoy en otros más bajo, que promediado nos da un valor que usamos para calcular el factor de cresta. Por lo tanto habrá momentos en los que esa etapa estará entregando (por periodos cortos de tiempo) valores superiores al nominal, y durante la gran mayoría del tiempo valores por debajo. Por eso con música podrá haber momentos concretos en los que se den picos por encima de 1000W y valores RMS por encima de 500W (aunque no muy por encima y no por periodos prolongados de tiempo).

Por lo tanto la relación entre los datos del fabricante y lo que queremos hacer nosotros con su equipo tienen más sentido del que parece. Veamos para los altavoces.

Los altavoces no se miden con tonos puros, sino con ruido rosa modificado y filtrado para el rango de frecuencias del altavoz. Aunque existen varios métodos de medición aceptados en la industria, casi todos implican este ruido rosa modificado que tiene un factor cresta de 6dB.

Como en potencia una relación de 3dB equivale a 2:1, 6dB equivalen a 4:1. Esto quiere decir que el ruido rosa tiene que tener un valor contínuo de 1/4 del valor de pico.

Por seguir el ejemplo, veamos al JBL JRX115, que en su hoja de características (http://www.jblpro.com/BackOffice/ProductAttachments/JBL_JRX115.pdf) ya nos indican cómo se han obtenido los valores nominales: 250W "RMS", 500W Program, 1000W peak, y su impedancia es de 8 Ohm.

La impedancia de un altavoz no es "resistencia" en el sentido en que no es lineal ya que varía con la frecuencia. Normalmente esta impedancia nominal será el valor (2, 4, 6 , 8 etc.) en Ohn más cercano al valor mínimo que va a tomar dentro del rango de frecuencias que puede reproducir el altavoz. En este caso no nos dan un gráfico de impedancia con respecto a la frecuencia, pero muchos otros fabricantes lo facilitan. En cualquier caso debemos saber que la impedancia no es un valor fijo, sino una referencia, y que nuestra etapa estará trabajando por momentos a valores muy diferentes de impedancia. Es importante, no obstante, mantener este valor nominal al comparar los valores de etapa y altavoz.

Vemos que el valor de pico concuerda con el obtenido para el RMX2450, por lo que reproduciendo este ruido rosa con 1000W de pico tendremos también 250W continuos (6 dB de factor cresta). Si reproducimos un tono puro con 500W contínuos (aunque procuraremos no hacerlo), llegaremos a 1000W de pico otra vez. Por lo tanto vemos que los valores que entrega la etapa y puede soportar el altavoz son muy similares, aunque los valores nominales (de potencia continua) son diferentes (de hecho uno el doble que el otro).

Vemos como el valor "Program" es similar al valor nominal de la etapa. Realmente este puede ser el único valor que no nos dice nada (suele ser simplemente el doble que el valor continuo o "RMS") y sin embargo coincide con el valor nominal de la etapa adecuada al altavoz.

Esto quiere decir que, con cierto margen (no siempre encontraremos etapas con valores exactos para nuestros altavoces, o al revés), una etapa con valor nominal cercano al valor "Program" del altavoz (para la misma impedancia) será la más adecuada.

Por lo tanto no es cierto que haga falta más potencia que la que puede soportar el altavoz, sino que las potencias nominales de altavoces y amplificadores no son comparables (al menos, no si no se sabe cómo).

Como veíamos antes, las etapas pueden llegar a picos y valores RMS más altos que sus especificaciones. Los altavoces también, dependiendo del material que reproduzcan, pueden generar picos más altos que sus propias especificaciones. En ciertas situaciones puede ser hasta normal (material con mucha dinámica) pero llevar los altavoces al extremo suele conllevar roturas.

Los altavoces son la parte más débil de la cadena (si mandamos material muy distorsionado desde la etapa, sufrirá el altavoz. Si mandamos demasiada potencia, de nuevo sufrirá el altavoz). Si nuestros picos son demasiado altos, sacaremos la bobina del campo magnético, provocando que se desalinee con él y roce contra el imán. También es común romper el cono por el diámetro, o directamente separar la bobina del cono. Ésta (la bobina) puede llegar a fundirse (personalmente nunca he visto esto, aunque todo lo demás sí), aunque esta avería está más relacionada con mandar una onda cuadrada, de manera que la bobina no puede disipar el calor que genera la corriente al no poder realizar los movimientos tan rápidamente.

Y seguro que me dejo muchas cosas en el tintero, espero que a alguien le venga bien y que se complete todo lo que falte o sea erróneo en los comentarios.

PD: Lecturas interesantes:

http://en.wikipedia.org/wiki/Watt

http://en.wikipedia.org/wiki/Audio_power

http://en.wikipedia.org/wiki/Crest_factor

http://www.ti.com/lit/an/slea047a/slea047a.pdf (primeros párrafos)

http://www.jblpro.com/pub/technote/spkpwfaq.pdf

http://www.prosoundweb.com/article/loudspeaker_sensitivity_whats_a_watt_anyway/P1/

http://www.meyersound.com/support/papers/amp_power.htm

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