Materiales para los conos de los altavoces…

Un altavoz electromagnético es un dispositivo que se encarga de transformar una señal eléctrica en movimiento de un cono, mediante un motor electromagnético, en movimiento; de forma que se transmitan variaciones de presión al aire  tal como indican la señal grabada. Esta “transducción”, idealmente, ha de ser transparente, y no añadir nada por sí misma durante este proceso. Por lo tanto, en este mecanismo, el cono o diafragma, es una de las partes fundamentales en el cumplimiento de esa necesidad.

¿ Como sería el cono o diafragma ideal de un altavoz?

Podemos hablar mejor de diafragma o membrana a partir de ahora, ya que son más genéricos que “cono”, por abarcar tambien a diseños en los que el diafragma, en lugar de ser un cono, pueda ser una cúpula, un plano, un radiador, etc.

El diafragma ideal de un altavoz, habría de ser una superficie absolutamente rigida, de forma que el comportamiento al moverse adelante y atrás fuese completamente “pistónico” en el rango de frecuencias de reproducción: esto significa que la superficie del cono no se flexionase en absoluto al moverse, se moviese de forma completamente uniforme adelante y atrás para las frecuencias a las que lo queremos usar. Por otro lado, y de forma incompatible en la práctica con lo anterior, también habría de ser una superficie infinitamente ligera. 

Como imaginaremos, que una superficie sea absolutamente rígida, y a la vez infinitamente ligera, es imposible. Y así mismo, cuanto más rígido es el material, aunque ondula menos su superficie en las frecuencias que nos interesa, su ondulación se desplaza a frecuencias mas altas y puede ser mucho mas marcada, por lo que también es importante que el material del diafragma tenga autoabsorción, esto es, sea capaz de mitigar la energia que se queda resonando en su superficie.

Estos tres requerimientos, imposibles de conseguir a la vez, son la razón por la que ningún cono o diafragma de ningún altavoz es perfecto, aunque unos consigan acercarse más a ello que otros. Aquí comienza el gran reto de los conos de los altavoces…

Sección de un altavoz electrodinámico. En la imagen de la izquierda se puede apreciar la situación del cono o diafragma móvil. En la imagen de la derecha, se representa, de forma simplificada, la inevitable flexión que sufren los conos en su movimiento.

¿Qué supone realmente el que el diafragma de un altavoz no sea ideal?

Si el cono de un altavoz no es ideal, o sea, no es infinitamente ligero, no es absolutamente rígido, y no tiene autoabsorción, como consecuencia, habrá distorsión añadida por el cono del altavoz en la transducción, en su movimiento. Esta será una de las causas, entre otras, por las que el sonido que emite un altavoz, no será totalmente exacto a la señal original.

Pero vayamos por partes, y veamos el efecto de cada uno de estos tres incumplimientos de forma individual:

1. Si el diafragma no es infinitamente ligero, entonces el diafragma tendrá un cierto peso, como es lógico. Por muy ligero que sea, pesará algo. Esto hace que el motor del altavoz tenga que acelerar y desacelerar esta masa del cono, lo cual supone una dificultad cuanto menor sea la relación masa-fuerza en la parte del motor del altavoz, y como consecuencia, a según que velocidades de movimiento (frecuencias), el motor no será capaz de arrancarlo y frenarlo como indique la señal original, debido a la inercia de esta masa. Por lo tanto, habrá una cierta distorsión en todos los pasajes transitorios de la música. Lo ideal es que un diafragma sea lo mas ligero posible. Pero como veremos a continuación, esto se hace incompatible con el segundo requerimiento.

2. Si el diafragma no es absolutamente rígido, al ser movido adelante y atrás por el motor del altavoz, su superficie “ondulará” igual que cuando zarandeamos una cartulina en el aire, o incluso una plancha de aluminio…   Esta ondulación, que depende de las dimensiones del altavoz, y de su material, provocará una distorsión propia, añadida al sonido original emitido por el altavoz. Lo ideal es que el altavoz sea lo mas rígido posible, pero es dificil conseguir un material extremadamente rígido, y a la vez cumplir el primer requerimiento, la ligereza absoluta. Aquí ya vemos patente una de las primeras paradojas que intuíamos al principio. Además de esto, cuanto más rígido es un diafragma, aunque la ondulación se produce a frecuencias mucho mas altas, mas alejadas del rango de trabajo, y mas focalizadas en su frecuencia, todavia pueden suponer una molestia si todavía se sitúan en el rango perceptible humano (20-30.000 Hz, que no sólo audible)

3. Si el diafragma no tiene buena autoabsorción, esa flexión inevitable que se forma en su superficie al moverse, ese cúmulo de energía se mantendrá unos instantes resonando en la membrana del altavoz (resonancia en español, ringing en inglés),  a menor autoabsorción, se mantendrá durante más tiempo, por lo que la distorsión añadida todavía es mayor y más duradera. Materiales con buena autoabsorcion son los materiales blandos, pero como ya podemos deducir, un material blando no cumple con el requerimiento de “rigidez absoluta”, por lo que aquí nos encontramos con el tercer factor en discordia para la elección de los conos de los altavoces.

Como podemos ver, los ingenieros se encuentran ante un problema antológico a la hora de elegir el material para el cono de los altavoces. Como además, estos tres requerimientos son imposibles de cumplir perfectamente, de su incumplimiento dependerá lo que todos conocemos como el “color” del sonido del cono de un altavoz.

 

TIPOS DE MATERIALES

Los ingenieros, en teoría, tienen a su alcance todos los materiales que hay en la naturaleza y que puedan convertir en el diafragma que necesitan, pero como hemos visto, han de cumplir un equilibrio de características para hacer bien su función: ligereza, rigidez y autoabsorción, las tres conseguidas en su máxima expresión y con cierto equilibrio entre sí. De esto dependerá la fidelidad y transparencia del cono o diafragma en su labor de transducción, y de esto dependerá una parte importante del “color” o su ausencia, en un altavoz.

Dentro de los materiales que la ciencia y la experiencia tecnológica ya sabe que hacen bien su labor como diafragmas, se podría hacer una clasificación gradual en base a la rigidez del material, y en base al tipo de altavoz al que van destinados.

Materiales WOOFERS – Dureza (de menos a más)

Papel y fibras de celulosa

Material usado desde el principio de los tiempos de los altavoces, e imposible de desbancar para según que necesidades. Su bajo coste, su destacable ligereza y su buena autoabsorción, lo hacen y lo mantienen como uno de los materiales idóneos para el mundo de los transductores, sobre todo en las gamas bajas, y medias por su coste, y por requerir motores mas pequeños. Aunque también da resultados sobresalientes en calidad para gamas altas de alta fidelidad o altavoces de sonido profesional. Sobre todo en estos ultimos se hace casi imprescindible, ya que el gran tamaño de los conos, requiere del papel y la celulosa para conseguir un bajo peso y así tener una alta relación peso-fuerza en los grandes altavoces de 12″ o más, que reproducen un amplio rango de frecuencias (mid-woofers).

Otro de sus puntos positivos es su autoabsorción, lo que se manifiesta en que la resonancia de su membrana, su frecuencia de coincidencia, no es tan perniciosa ni notable como en otros materiales, consiguiendo mas suavidad en la respuesta y un pico menos pronunciado que otros materiales.

La parte dentro del circulo es el pico en la respuesta causado por la ondulación de la membrana o resonancia de la membrana, de un woofer ScanSpeak 18w/4531. Se observa que, al ser de papel, el pico no es excesivamente pronunciado.

Sus contras son que el papel y la celulosa es menos perdurable que otros materiales ante humedad o agresiones mecánicas. Otro contra, su menor rigidez respecto a otros, esconde otro de sus valores positivos, y es que, aunque flexione y no sea tan rígido, cuando ondula y aporta un poco de distorsión, esta tiende a ser de componentes armonicamente “pares”. Esto significa que su distorsión en baja medida, resulta agradable, de caracter cálido y “analógico” para el oido humano. Por supuesto, en cuanto se le somete a amplias excursiones y la ondulación se hace muy patente, la distorsión se va haciendo progresivamente desagradable.

El papel o celulosa se considera un material que colorea el sonido a grandes potencias. Pero para altavoces de poca excursión, la experiencia dice que es uno de los materiales con mejores resultados posibles. Dentro de esta categoría hay variantes en papel prensado, no prensado, fibras de madera, etc, variando un poco las características originales de la celulosa.

Papel lacado o recubierto

Para proteger la fragilidad del papel a la humedad, o combinar sus parámetros de rigidez y autoabsorción con el de otros materiales, algunos fabricantes aplican una capa superficial de lacado a los conos de papel, lo que supone un añadido imperceptible de peso, pero a su vez una mejora en algunas características gracias a la combinación del papel con el lacado.

 

Polipropileno

El polipropileno es un polímero termoplástico que nos acompaña en multitud de situaciones de la vida diaria (mobiliario, utensilios, automoción, etc). Es un plástico ligero y barato cuyas caracteristicas son algo mejores que las del papel, algo de mayor rigidez, y algo mejor autoabsorción. Teniendo un comportamiento parecido al del papel, pero algo mas comedido en su coloración.

La diferencia auditiva es sutil, pero los oídos más experimentados, y en altavoces no muy estrictamanete filtrados, saben percibir cuando el color de un altavoz es el del característico polipropileno. Su sonido es a veces catalogado como apagado o soso por algunos respecto al papel, pero a su vez y bien configurado, se pueden conseguir resultados excepcionales en limpieza, gracias a su menor distorsión respecto al papel, y por lo tanto asumiendo más potencia.

Kevlar o Poliamida

Aquí comenzamos ya con uno de los materiales que se podrían situar más en la parte de los considerados “rígidos”.
El Kevlar es un producto de la firma DuPont, que genéricamente se conoce como Poliamida. Se trata de un material de fibras muy rígido y resistente, tal que si damos golpecitos con la uña en la membrana, oimos un seco “cloc cloc”.

Su comportamiento es el típico de los materiales rigidos: un sonido muy nítido en su rango de trabajo, muy limpio y neutro, pero que en su extremo alto, y a la frecuencia de resonancia del diafragma, o sea, cuando se da esa ondulación de la que hablábamos al principio, su resonancia es muy marcada y mancha y ensucia todo el entorno a esas frecuencias (por ejemplo, en torno a los 5000 Hz en drivers de 5″). Por ello, han de ser muy bien configurados, intentando eliminar en el filtrado todo ese rango en el que se comportan de una forma tan resonada y difusa.

La ventaja del Kevlar sobre otros materiales mas blandos, es su superior rigidez con diferencia, dando un sonido extremadamente limpio en comparacion en su rango lineal. Y su ventaja respecto a los materiales más rigidos (que veremos a contuinuación), es que tiene mayor autoabsorción que ellos. Este conjunto equilibrado de bondades, hace que se pueda conseguir de él un sonido extremadamente limpio y a la vez natural en su rango. Hay que tener en cuenta, que también se pueden obtener resultados desastrosos si el resto de las partes del altavoz no son de la calidad que este material merece, pero como es lógico, esto es algo que puede ocurrir con cualquiera de los materiales.

En mi opinión, el sonido de este material es de los más limpios y naturales, sobre todo para sonidos medios y la parte grave de las voces, tanto en cuanto mejor esté configurado.

Fibra de Carbono

Seguimos en incremento de dureza, y con uno de los candidatos más excepcionales para conformar un diafragama. La fibra de carbono aporta una cierta mayor rigidez que el Kevlar, siendo extremadamente limpio en su rango de trabajo y aportando una nitidez en graves y medio-graves sobresaliente. Como el kevlar, su resonancia en la parte alta del rango es fuerte y dificil de filtrar absolutamente, pero en este caso es algo menos marcada y perniciosa que en el Kevlar, gracias a que la autoabsorción de la fibra de carbono es algo mejor. Como resultado, una membrana muy neutra y limpia incluso para grandes excursiones, hasta tal punto que sorprende su sonido por articulado y falto de coloración. Pero a su vez, nada fácil de trabajar para eliminar completamente mediante filtrado, la resonancia de su ondulación.

Hay diferentes técnicas de creación de fibra de carbono, con las que se pueden conseguir membranas de mayor y menor calidad, así que no hay que fiarse de las impresiones con cualquier altavoz que nos digan que está hecho de este material.

Aluminio, Magnesio y otros metales

Los metales representarían los materiales más rígidos utilizados para diafragmas. Por lo tanto, las características son las más extremas, tanto para lo bueno, como para lo malo.

Los pros son que el sonido en su rango de trabajo es muy limpio, incluso considerado a veces subjetivamente como aséptico o falto de vida, pero con un detalle y neutralidad sorprendente (en lo que respecta al diafragma. No olvidemos que un altavoz consta de mas componentes, y un sistema de audio, de mas eslabones en su cadena).

Los contras son su exagerada distorsión por encima del rango de trabajo, debida a su baja autoabsorción y la resonancia de la membrana, siendo muy complicada de filtrar completamente; hasta el punto de ser necesarios filtros de alta pendiente, 3º o 4º orden paso bajo, comunmente. Su respuesta se puede intentar suavizar, como hacen algunos fabricantes, añadiendo un recubrimiento o lámina de materiales mas autoabsorbentes, como pueden ser polímeros aplicados sobre el aluminio. Otra forma de mitigar su comportamiento resonante, es mediante la utilización de guardapolvos (ese semiesfera que suele haber en el centro de los conos) hechos de material amortiguante, tales como polipropileno o goma. El problema de estas combinaciones, es que si se abusa de ellas, el resultado sonoro es la combinación de ambos materiales, pudiendose perder algunas de las ventajas del metal.

La parte dentro del circulo es el pico en la respuesta causado por la ondulación de la membrana o resonancia de la membrana de aluminio de un woofer DAYTON RS180S8. Claramente, se ve que el pico es mucho mas estrecho, pronunciado, y a frecuencias más altas, que el ejemplo anterior del woofer de papel, y que su influencia irregular baja hasta frecuencias de 2000 Hz.

El sonido de un driver de metal a veces se califica como frio o desnaturalizado, pero todo depende de la autoabsorción conseguida por el cono concreto, y lo bien que se haya filtrado. La distorsión de un diafragama de metal es totalmente contraria a la distorsión “par” del papel. En este caso la distorsión es más “impar”, dando ese toque metálico o fresco a la percepción subjetiva. Lo importante es aprovechar sus características sin abusar de su rango, y cortarlos muy limpiamente para evitar la contribución de su rango no lineal, filtrar drásticamente esa parte alta que añade la fria distorsión causada por las resonancias de su diafragma.

Utilizados apropiadamente, el resultado puede ser espectacularmente limpio, a pesar de las limitaciones de diseño que implican, siendo necesarias normalmente más de 2 vías para conseguir sistemas de rango completo y evitar su casi inherente carácter metálico.

Combinaciones de materiales, y materiales exóticos

Muchas veces, los fabricantes realizan combinaciones de materiales para conseguir comportamientos combinados. Otras veces, ingenian materiales propios y exclusivos, a veces con gran éxito, como por ejemplo la marca Accuton con sus alabados resultados conseguidos con drivers de conos cerámicos; o la marca Dynaudio con su “Polímero de Silicato de Magnesio”, o MSP, un material exclusivo y difícil de imitar, de cualidades excepcionales, tanto en rigidez, ligereza, como autoabsorción.

Cono Dynaudio de MSP, su compuesto propietario.

Cabe citar además, que no sólo existen drivers del tipo electrodinámico a los que estamos más acostumbrados, sino que los hay de tipo ribbon (cintas), drivers de compresión, drivers electrostáticos, planares, etc. Este tipo de tecnologías más exóticas, utilizan membranas también, y están sometidas a los mismos principios a la hora de elegir sus materiales. Pero al ser algunas de ellas, tecnologías que implican menos estrés mecánico a las membranas, los ingenieros pueden optar por materiales mas livianos, con el perjuicio del aumento de distorsión para grandes excursiones que ello implica. Por esto, hoy en día estas tecnologías suelen estar limitados a rangos de frecuencias medias-altas, en los que la excursión necesaria de la membrana en su movimiento es más reducida. En temas futuros seguro que podremos hablar largo y tendido de estas “otras” tecnologías de altavoz, muchas veces excepcionales en sus rangos.

Materiales TWEETERS – Dureza (de menos a más)

En lo que respecta a las membranas de los tweeters, las condiciones de su ingeniería son las mismas que para los woofer. El funcionamiento del altavoz electrodinámico es igual en el caso de los altavoces de agudos, solo que la membrana no tiene forma de cono, sino que usualmente tiene forma de cúpula, y la bobina no está en el centro, sino en su contorno. Esta disposición algo diferente de los elementos, hace que las “ondulaciones” de la membrana, la resonancia de esa cúpula, sea más marcada que si la disposición fuese en forma de cono. Por esto, en el caso de los tweeter, es mas importante la autoabsorción del material y de la suspensión, para conseguir mitigar esas resonancias más propensas a aparecer, que pueden llegar a colorear de tal forma que incluso causen fatiga auditiva tras escuchas continuadas.

Por esta razón, en el caso de los tweeter suelen tener más éxito las cúpulas de materiales “blandos”, como pueden ser las de diferentes membranas textiles, combinadas a veces con recubrimientos, de forma similar a como se hace en los woofer con los lacados, para combinar comportamientos.

Los tweeter de cúpula blanda, normalmente de seda, tienen un sonido suave, agradable, pero a su vez, por ser menos rígido, ondulan más fácilmente, y su sonido es menos detallista, más grueso. Así mismo, no suelen ser tan ligeros como los “rígidos”, por lo que es más difícil moverlos con rapidez en las altas frecuencias, y aunque tengan una buena extensión en sus gráficas en el extremo alto, los transitorios no suelen suceder con la misma inmediatez que en los tweeter “rígidos”, dando como resultado un extremo alto algo menos definido y grueso.

Para mejorar estos handicaps propios de las cúpulas de seda, los fabricantes suelen diseñarlas con recubrimientos de materiales más rígidos y conseguir combinar comportamientos. El resultado sonoro de los tweeter de cúpula blanda, es el de un sonido agradable y natural en su extremo bajo, y fáciles de escuchar y disfrutar durante horas.

Tweeter con diafragma de cúpula de seda

 

En el otro extremo, los tweeter de cúpula rígida, normalmente de metales varios, tienen un sonido vivo y detallista, gracias a su ligereza y poca flexión. Pero a su vez, y al ser tan rígidos y con poca autoabsorción, al igual que ocurre con los woofer de metal, las resonancias son más pronunciadas, más destacadas a frecuencias más altas. Estas resonancias, por su naturaleza, pueden añadir un carácter metálico propio, y una respuesta en frecuencia más “rasgada”, propiciando un sonido menos suave.

Los materiales metálicos mas comunes son el titanio, aluminio, magnesio, etc, cada uno aportando su “color” característico. Además de estos materiales básicos, también a veces los fabricantes utilizan combinaciones de metales con coberturas plásticas, o membranas de materiales mas neutros que los metales, como pueden ser las cerámicas.

Tweeter con cúpula de aluminio.

 

Conclusión

Como moraleja final, quizás una de las cosas que se podrían extraer, es que no hay membranas perfectamente neutras. Las hay que lo son más y que lo son menos, pero siempre va a ser inevitable que cada una añada un poco de su distorsión propia dependiendo del material, aportando ese “color” a cada tipo de altavoz. Hay que tener en cuenta que, a materiales iguales, puede haber mejor ingeniería detrás de unos altavoces que de otros, y dar resultados ampliamente diferentes en cuanto a neutralidad y fidelidad, para un mismo material.

Por otro lado, hay que considerar que estos apuntes sirven como un texto orientativo que para nada se puede tomar como una guía unívoca, ya que nos podrá llevar a multitud de equivocaciones a la hora de elegir drivers si sólo nos basamos en estas características. El sonido de un altavoz depende de muchas otras cosas adicionales, de las que la contribución de la coloración de la membrana solo es un pequeño aspecto más. Por no decir que a día de hoy, muchos fabricantes utilizan los materiales como reclamo comercial, vendiendo woofers de kevlar, aluminio o carbono, con poco énfasis en su ingeniería, y dando un resultado sonoro que puede ser decepcionante.

Si tuviera que contar mi preferencia personal, básicamente es la del driver bien diseñado, dándole importancia a todos sus aspectos tecnicos en conjunto (los que podremos ir desglosando en futuras paradas de este camino que comenzamos). Pero en cuanto a la coloración de la membrana, que es de lo que trata este artículo, me cautiva más la neutralidad y naturalidad de drivers de Kevlar, Carbono, o materiales propietarios como el caso de los bien logrados Dynaudio. La elección es cuestión de gustos, pero desde luego, si algo ha de quedar claro, es que, a mismo material, siempre habrá resultados peores, mejores, pésimos y excepcionales; y ahí será nuestro oído el crítico implacable, que juzgará el buen hacer del fabricante al que, con la compra, entregamos parte de nuestras ilusiones y esfuerzo diario.

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Acerca de Diego Ena

Desde siempre he tenido un gran interés por los fundamentos y curiosidades del sonido. Durante mis estudios tuve la suerte de poder hacer una especialización sobre audio, y aunque no me dedico profesionalmente a ello, a día de hoy sigo siendo un gran aficionado. Con este blog espero aportar mi granito de arena a la afición por el interesante mundo del sonido.

4 comentarios en “Materiales para los conos de los altavoces…

  1. que pasa con los plasticos espumados . alguna vez he visto parlantes Goodmans con su cono de aspecto espuma plast ,y tenia ganas de hacerme casero uno para probar , claro q si me pueden adelantar algo lo agradezco

    1. Hola Luis,

      Lo siento, no tengo experiencia con la limpieza de conos. Pero si se trata de una mancha, creo que no tienes porqué temer de usar un trapo un poco humedecido. El kevlar es un material muy resistente que no se daña con la humedad. Eso si, yo desconectaría el altavoz previamente y no lo conectaría hasta que viera el cono totalmente seco.

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