Es bien sabido que los altavoces pequeños no producen muy bien los sonidos de baja frecuencia. A la inversa, los altavoces grandes no pueden producir muy bien sonidos de alta frecuencia. De ahí la necesidad de utilizar tweeters y woofers en los sistemas de altavoces.
Pero, ¿cómo es posible que los diminutos altavoces de los auriculares y cascos produzcan buenos graves cuando se colocan sobre las orejas? (Debo añadir que no todos lo hacen).
Hay varias razones por las que los altavoces pequeños tienen problemas para crear graves.
Los auriculares y auriculares tienen la ventaja de que están muy cerca del oído, por lo que se opera todavía en la parte "MUY fuerte" de la dependencia de la distancia.
Sentarse sobre la cabeza invierte el problema de la "caja". Sólo es necesario presurizar un volumen muy pequeño, mientras que se puede ventilar la contrapresión hacia el exterior, que es más grande en comparación. Como el volumen es tan pequeño, el movimiento necesario es mínimo. Un ejemplo: un altavoz necesita presurizar toda la habitación, mientras que un auricular sólo necesita presurizar el pequeño volumen que hay dentro del canal de aire.
La respuesta de graves tanto de los auriculares como de los auriculares de botón es muy sensible al sellado de aire entre el auricular o el auricular de botón y el cuerpo. Cualquier fuga provocará una cierta anulación de la presión delantera y trasera. Hay formas de evitarlo con los llamados "auriculares abiertos", pero eso es probablemente demasiado profundo para esta respuesta.
En realidad se debe a que los auriculares se colocan en contacto directo con el oído, por lo que las ondas sonoras no tienen que viajar muy lejos. La intensidad del sonido disminuye a medida que $(\frac 1r)^2$ por lo que disminuye con bastante rapidez a medida que nos alejamos de la fuente.
Ahora bien, como los auriculares/audífonos no funcionan al aire libre (o con muy poco aire), no necesitan generar tanta energía para producir el sonido que se oye de los altavoces a distancia. Los auriculares están en estrecho contacto con el tímpano y con poco aire entre ellos, por lo que no se necesita un gran cono de altavoz que vibre para crear ondas sonoras de gran amplitud (baja frecuencia) (lo que oímos como graves) para producir los mismos efectos sonoros que se obtienen con los auriculares.
Las ondas sonoras son ondas de presión. Al aire libre, el volumen de aire que hay que mover para producir una compresión determinada es proporcional a la longitud de onda. Pero en un espacio confinado de extensión muy inferior a una longitud de onda, sólo es necesario mover el aire de ese espacio confinado, por lo que se obtiene la misma compresión para el mismo movimiento de aire, independientemente de la longitud de onda.
No soy un experto, pero leí sobre esto hace unos años en un libro fascinante titulado Cómo funciona la música (no el de David Byrne), y explicaba cómo los sonidos de una frecuencia fundamental dada (su primer armónico, la frecuencia que utilizaríamos para identificar una nota concreta), serán reconocidos por nuestro cerebro como la frecuencia fundamental, incluso si sólo están presentes los otros armónicos, mientras que falta el primero, lo que puede permitir a pequeños altavoces con poca capacidad para reproducir sonidos de baja frecuencia, reproducir una nota grave sin necesidad de reproducir realmente la frecuencia fundamental.
El libro utiliza A 2 como ejemplo porque su frecuencia fundamental es de 110 Hz y es un número fácil y bonito. Eso hace que su segundo armónico sea 220Hz, y su tercero 330Hz, etc. Y en una nota normal, oímos todos estos armónicos a la vez, pero de una forma que se repite en 110Hz, por lo que siempre podemos identificarla como esa frecuencia fundamental.
Permítanme citar algo de esto antes de que estropee completamente la explicación:
Todas estas vibraciones (y muchas otras) se producen al mismo tiempo, en una compleja danza que repite un ciclo completo a la frecuencia más baja: 110 Hz.
Algo de esto también se explica en wikipedia
Los instrumentos musicales afinados suelen basarse en un resonador acústico, como una cuerda o una columna de aire, que oscila en numerosos modos simultáneamente. En las frecuencias de cada modo de vibración, las ondas viajan en ambas direcciones a lo largo de la cuerda o la columna de aire, reforzándose y anulándose entre sí para formar ondas estacionarias. La interacción con el aire circundante provoca ondas sonoras audibles, que se alejan del instrumento. Debido al espaciado típico de las resonancias, estas frecuencias se limitan en su mayoría a múltiplos enteros, o armónicos, de la frecuencia más baja, y tales múltiplos forman la serie armónica.
El tono musical de una nota suele percibirse como el parcial más bajo presente (la frecuencia fundamental), que puede ser el creado por la vibración en toda la longitud de la cuerda o columna de aire, o un armónico superior elegido por el intérprete.
Así que más del libro en cuanto a cómo esto se relaciona con la cuestión que nos ocupa:
Mira esta colección de frecuencias. Juntas forman nuestra vieja amigo la nota A2, que tiene una frecuencia fundamental de 110Hz:
110 Hz, 220 Hz, 330 Hz, 440 Hz, 550 Hz, 660 Hz, 770 Hz, etc.
Como sabes, el timbre de un instrumento se compone de las distintas sonoridades de estos ingredientes dentro de la forma ondulada. Sea cual sea la mezcla de ingredientes, nuestro cerebro la reconoce como una nota con una frecuencia global de 110 Hz. Aunque el componente más fuerte fuera de 330 Hz, el patrón general sólo completaría su danza 110 veces por segundo, por lo que la frecuencia fundamental es de 110 Hz.
Además:
En lugar de ser una contribución menor al sonido, es posible que uno de los armónicos sea completamente silencioso. Si, por ejemplo, la frecuencia de 770 Hz estuviera completamente ausente, seguiríamos oyendo los armónicos restantes como parte de una nota que tiene una frecuencia fundamental de 110 Hz. Esto se debe a que sólo 110 Hz puede ser la cabeza de una familia que incluye 110 Hz, 220 Hz, 330 Hz, etc. Podríamos silenciar varios de los armónicos y, aun así, la frecuencia fundamental seguiría siendo 110 Hz.
Ahora la parte impar: podemos incluso eliminar el primer armónico, el fundamental - 110Hz - y el tono fundamental de la nota que oímos seguiría siendo 110Hz. Parece una locura, pero es perfectamente cierto. Si oyes la siguiente colección de frecuencias: 220Hz, 330Hz, 440Hz, 550Hz, 660Hz, 770Hz, etc. lo oirás como una nota con una frecuencia fundamental de 110Hz, aunque el sonido no contenga esa frecuencia .
Y uniéndolo todo:
Hoy en día es posible obtener frecuencias ridículamente bajas de altavoces pequeños utilizando la idea de la "fundamental perdida". Supongamos que tu altavoz no hace gran cosa a frecuencias inferiores a 90 Hz, pero quieres oír la nota A 1 y tiene una frecuencia de 55 Hz. Si alimenta el altavoz con los armónicos de 55 Hz sin el fundamental (es decir, 110 Hz, 165 Hz, 220 Hz, 275 Hz), oirá 55 Hz alto y claro aunque la frecuencia más baja a la que se mueve el altavoz sea 110 Hz.
Creo que aquí lo importante son los efectos de campo cercano.
Parte del problema de la emisión de graves por altavoces pequeños es el efecto de cortocircuito acústico . A medida que la membrana se mueve, el aire se mueve en torno a la membrana, anulando la emisión en el campo lejano.
(Las cajas de reflejo de graves son una forma de mitigar esta limitación).
Los auriculares mitigan esta situación al disponer de material amortiguador en el camino del cortocircuito acústico. (Como la oreja en el caso de los altavoces intrauditivos, o la orejera en el de los auriculares normales). Además, la distancia entre la oreja y el altavoz es similar al tamaño de la membrana, y en esas distancias cortas los componentes de campo cercano del campo acústico (que disminuyen con potencias mayores que $1/r^2$ ). Este es el movimiento de las partículas que provoca el cortocircuito acústico: disminuye rápidamente al aumentar la distancia, pero contribuye a la presión cerca de la membrana.
La escala de longitud en la que los efectos de campo cercano son relevantes está relacionada con la longitud de onda, por lo que las escalas de longitud en las que los efectos de campo cercano son relevantes son diferentes para las partes de alta y baja frecuencia.
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