Implementación de un subwoofer activo a partir del estudio comparativo de diversas configuraciones para la reproducción de baja frecuencia en sistemas de alta fidelidad

Abstract

La presente tesis consiste en el diseño e implementación de un subwoofer activo de alta fidelidad para cine en casa, el cual está conformado por un filtro activo pasabajos, un amplificador de poder, una fuente de poder, un altavoz y un gabinete acústico. Como requerimientos de diseño se estableció seleccionar un altavoz de un diámetro entre 10 y 12 pulgadas, una frecuencia de resonancia entre 30 y 40 Hz y un Qts no mayor a 0.45 y de preferencia entre 0.25 y 0.35. Además, la configuración del gabinete acústico debía ser seleccionad mediante comparación y por simulación en software. Una vez implementado el gabinete debía ser optimizado mediante análisis modal experimental. Por otro lado, el filtro pasabajos debía poseer frecuencia de corte variable en 70, 80, 100 y 120 Hz y ser de tipo Butterworth, Bessel o Linkwitz Riley. Finalmente, el amplificador de poder debía entregar al menos 50 W de potencia, tener una respuesta en frecuencia entre 20 Hz y 20 kHz y SNR no menor a 100 dB. El altavoz escogido fue el KFC XW 120 de 12 pulgadas de la serie Excelon de Kenwood, el cual posee una frecuencia de resonancia en 20.1 Hz y un Qts de 0.435. Una vez realizada las simulaciones en software se eligió la configuración reflectora de bajos para el gabinete acústico además de determinar que el volumen óptimo de la caja era de 56.6 L. Como material de construcción se hizo uso de MDF de 18 mm de espesor. Para el ducto se utilizó un tubo de PVC de 7.9 mm de diámetro y 55.9 cm de largo. Luego de haber realizado el análisis modal de la estructura, se utilizaron vigas de pino como elementos rigidizantes para optimizar el gabinete. En total se implementaron 6 PCB: 1 para el filtro pasabajos, 3 para el amplificador de poder, 1 para el regulador de ±15 V y 1 para la fuente de poder. Respecto al filtro pasabajos, se implementó en base a la red de cruce Linkwitz Riley de 4to orden (LR4) y con las frecuencias de corte establecidas en los requerimientos. Para proteger a la señal de audio de ruido electromagnético, el PCB del filtro pasabajos fue instalado dentro de una caja de aluminio. Por otro lado, para el amplificador de poder el diseño se basó en el integrado LM3886. Se implementó un amplificador tipo AB de 68 W de potencia de salida máxima. Además, se agregó una etapa de filtro subsónico con frecuencia de corte en 18 Hz y pendiente de 26 dB/oct. Para alimentar al circuito se implementó una fuente lineal que entregara ±34.56 V. además de un regulador que entregara ±15 V. Se realizaron mediciones de respuesta en frecuencia a los PCB implementados. Los resultados arrojaron para el caso del filtro pasabajos un error máximo de 2.08 % en las frecuencias de corte establecidas. Para el caso del amplificador las mediciones mostraron que se consiguió magnitud y fase constante en el ancho de banda de trabajo del subwoofer. Además, a partir de la medición de SNR obtuvimos una diferencia de 90 dB entre el nivel de la señal y el noise floor. Así mismo, también se obtuvo 100 dB en la medición de THD. La medición de la respuesta acústica del sistema total estableció un ancho de banda de entre 30 Hz y 100 Hz. Todos los resultados de las mediciones arrojaron valores aceptables para una unidad de subwoofer de alta fidelidad.