Baixe som automotivo e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Produção, somente na Docsity! 01 - SLEW RATE - UMA ESPECIFICAÇÃO FUNDAMENTAL - Slew-rate, ou taxa de variação, é uma especificação das mais importantes em amplificadores e em qualquer circuito de áudio, tais como processadores, mesas de som, etc., porém em amplificadores sua importância é maior, devido às altas amplitudes geradas. 02 - ALTO-FALANTES - MEDIÇÃO DOS PARÂMETROS T&S - Audioespresso mstra como medir os parâmetros Thiele & Small utilizando aparelhos simples. 03 - REATIVOS E OS AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA - As cargas reativas próprias dos alto-falantes alteram e em muito as características dos amplificadores de potência. Marcelo Henrique M. de Barros explica aos leitores do Áudio espresso como acontece isso e as consequências. 04 - AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA - Como é a melhor medida de potência? Quais são os tipos mais comuns de amplificadores? De que forma calcular a potência de que se precisa? Estes assuntos tecnicamente complexos são tratados pelo Eng. Rosalfonso Bortoni de uma forma simples, porém completa. Uma leitura obrigatória para os técnicos e entusiastas. 05 - O SOM NO AUTOMÓVEL - Para quem quer conhecer um pouco mais sobre a sonorização do automóvel, Audio espresso mostra alguns conceitos básicos do assunto, enfatizando principalmente a importância da acústica e o que fazer para obter o melhor rendimento da aparelhagem 06 - A FORMAÇÃO DE UM BOM CONJUNTO DE AUDIO - Audio espresso explica passo a passo como pode ser feita a escolha dos equipamentos para, além de realizar o melhor negócio, manter o necessário equilíbrio entre os fatores que mais influenciam no resultado sônico: equipamento, sala de audição e interconexões. 07 - SONOFLETORES - DIMENSIONAMENTO E CÁLCULO DA RESPOSTA - Audio espresso mostra como realizar o cálculo de caixas acústicas utilizando as técnicas ensinadas pelos pesquisadores Thiele & Small. 08 - CAIXAS ACÚSTICAS - TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO - Conheça as melhores técnicas para a construção das suas caixas acústicas. (01/06/96) 09 - CONSTRUÇÃO DE DIVISORES DE FREQUÊNCIA - Você sabe como construir divisores de frequência para empregar em casa ou no carro? Veja como os técnicos calculam Imagem estereofônica Página 1 A imagem esterofônica consiste na sensação espacial do som, permitindo ao ouvinte localizar todos os instrumentos e vozes no espaço tridimensional. É através da imagem estereofônica que recriamos, no ambiente de audição, a sensação plena de estarmos participando de uma audição ao vivo. A percepção da imagem estereofônica, que é a "visualização" auditiva da disposição das fontes sonoras no espaço, depende da capacidade que nossos ouvidos têm de reconhecer de onde está vindo determinado som. Isto é possível graças ao efeito binaural, ou seja, a audição com dois ouvidos. O fato do som não chegar simultaneamente aos dois ouvidos, nos permite localizar no espaço a fonte sonora mesmo quando não a estamos vendo. A obtenção de uma imagem estereofônica perfeita, através do emprego de alto-falantes adequados bem como do seu correto posicionamento dentro do veículo, permite vivenciar uma emocionante experiência sonora. Não mais nos limitaremos a ouvir os sons, porém passaremos a "vê-los" como se estivéssemos ouvindo a gravação ao vivo. Estresse x música Sistemas com distorção, excesso de ruídos e falta de linearidade nas frequências causa fadiga auditiva podendo aumentar mais ainda o estresse do trânsito. Palavras da musicoterapeuta Maristela Smith: " Quanto melhor a qualidade do som, melhor a interação com a música. Um sistema de áudio que dá ao usuário a sensação de que se está diante de um concerto ao vivo é um belo passo para quem quer evitar o estresse." "Não basta ouvir, é preciso escutar a música." "Qualquer tipo de música pode combater o estresse do trânsito, do Heavy metal ao clássico" - cada um tem sua individualidade musica l. Como escolher seus aparelhos na hora da compra. - Geradores (Toca-fitas, CD-Players...) Verifique sua resposta de frequência, ela deve ser a mais plana possível entre 20Hz e 20.000Hz, isto é, deve amplificar a música com o mesmo ganho em toda a faixa de frequência audível; Verifique sua potência RMS, contínua a 4 Ohms com baixa distorção; Verifique sua distorção harmônica (THD), distorção acima de 1% pode causar fadiga; Página 2 Podemos estender o mesmo raciocínio para sinais elétricos. Vamos assim supor um sinal de teste do tipo senoidal, ou aproximadamente, um tom de flauta doce, examinado ao osciloscópio. A imagem que vemos no osciloscópio é nada mais do que a representação temporal da tensão (ou seja um gráfico tensão-tempo). Vemos que ela varia sinusoidalmente ao longo do tempo, e podemos provar que ela é exatamente uma função do tipo seno/cosseno, ou uma combinação linear de funções desse tipo. Mas, o mais importante agora é perceber que sua taxa de variação não é mais linear, mas varia de ponto a ponto, ao longo do tempo, e isso nos impede de utilizar (1.1) a fim de calculá-la. - Porém, lançando mão de ferramentas matemáticas poderosas, como o cálculo diferencial[1], podemos fazê-lo com muita facilidade. Veremos o processo. Consideremos um trecho do gráfico. Estamos interessados em conhecer a taxa de variação em um único ponto. O gráfico não é uma reta, assim como medir a inclinação de algo que é, essencialmente, curvo? A técnica consiste em se traçar uma reta que toca o gráfico num único ponto, o ponto que estamos interessados. A essa reta dá-se o nome de reta tangente ao gráfico no ponto em questão. A inclinação desta reta tangente pode ser então calculada da maneira usual, fornecendo assim, a taxa de variação instantânea da curva, num dado ponto. Observe que não é mais possível falar em taxa de variação apenas, mas em taxa de variação instantânea, pois que para cada ponto da função teremos um valor diferente. A técnica de se traçar retas tangentes a curvas foi descoberta, pela primeira vez, no século XVII, por Sir Isaac Newton e consiste no seguinte processo matemático. Dada uma certa curva, representada por uma certa função f, estamos interessados em conhecer a taxa de variação instantânea (ou inclinação) da curva num certo ponto t, genérico. Traçamos uma reta através deste ponto t e de um outro ponto, um pouco adiante, F 0 4 4F 0 4 4que chamaremos t+ t ( t é um pequeno acréscimo). A esta reta, que fornece a taxa de variação média, chamaremos reta secante. A taxa de variação (slew-rate) da reta secante é, pela expressão usual (1.1): - Contudo, esta não é uma boa aproximação para a taxa de variação em t, pois ela compreende uma região relativamente grande. Se diminuirmos progressivamente o F 0 4 4 F 0 4 4acréscimo t, aumentaremos a precisão cada vez mais e chegaremos, no limite em que t Página 5 F 0 4 4se aproxima de zero , na inclinação da reta tangente, pois o ponto t estará infinitamente F 0 4 4 F 0 4 4próximo de t, e assim poderemos, com segurança garantir que, [t, f(t)] e [ t, f( t)] quase se tocam. Matematicamente o processo é: Onde SR é a taxa de variação instantânea da curva no ponto t. A operação é chamada derivada de f com respeito a t. Aplicando o operador derivada ao sinal senoidal de teste do tipo u(t) = A sen(wt),(que nada mais é do que a representação matemática do sinal de teste da figura 2, onde A representa a amplitude, w é a freqüência angular e t o tempo), podemos encontrar todas as taxas de variação possíveis para esta função: d[sen(wt)]/dt = cos(wt)w - Não provaremos a passagem d[sen(wt)]/dt = cos(wt)w, mas o processo é essencialmente o descrito em (1.3); (aos interessados lembramos que aqui foi utilizada a regra da cadeia do cálculo diferencial[1], razão pela qual surge um w fora da função). - Se d[sen(wt)]/dt = cos(wt)w podemos facilmente encontrar a maior taxa de variação possível, já que a função cosseno é periódica e tem inclinação máxima (ou mínima) em 0, π, 2π,... (ou seja, em ηπ c/ c/ η∈ Ν), e esse valor máximo é sempre unitário (1 ou -1); assim u(t) = A sen(wt) d[u(t)]/dt = A cos(wt)w Como o cosseno tem valor máximo em 0, π, 2π,..., fazemos t = 0, assim o fator cos(wt) = 1, e substituindo temos: SR = d[u(t)]/dt = Aw ; em t = 0 Como w = 2πf, a equação fica: SR (Amax, fmax) = Amax 2πfmax (1.4) Sendo Amax a amplitude máxima do sinal de teste e fmax a maior freqüência deste sinal. Assim (1.4) representa a maior taxa de variação (slew-rate) possível para uma tensão que varia sinusoidalmente com o tempo, em função da amplitude e da freqüência - Consideremos um trecho do gráfico. Estamos interessados em conhecer a taxa de variação em um único ponto. O gráfico não é uma reta, assim como medir a inclinação de algo que é, essencialmente, curvo? A técnica consiste em se traçar uma reta que toca o gráfico num único ponto, o ponto que estamos interessados. A essa reta dá-se o nome de reta tangente ao gráfico no ponto em questão. A inclinação desta reta tangente pode ser então calculada da maneira usual, fornecendo assim, a taxa de variação instantânea da curva, num dado ponto. - Observe que não é mais possível falar em taxa de variação apenas, mas em taxa de variação instantânea, pois que para cada ponto da função teremos um valor diferente. A técnica de se traçar retas tangentes a curvas foi descoberta, pela primeira vez, no século XVII, por Sir Isaac Newton e consiste no seguinte processo matemático. Dada uma certa curva, representada por uma certa função f, estamos interessados em conhecer a taxa de variação instantânea (ou inclinação) da curva num certo ponto t, genérico. Página 6 Traçamos uma reta através deste ponto t e de um outro ponto, um pouco adiante, que chamaremos t+Δt (Δt é um pequeno acréscimo). A esta reta, que fornece a taxa de variação média, chamaremos reta secante. A taxa de variação (slew-rate) da reta secante é, pela expressão usual (1.1): (1.2) Contudo, esta não é uma boa aproximação para a taxa de variação em t, pois ela compreende uma região relativamente grande. Se diminuirmos progressivamente o acréscimo Δt, aumentaremos a precisão cada vez mais e chegaremos, no limite em que Δt se aproxima de zero, na inclinação da reta tangente, pois o ponto Δt estará infinitamente próximo de t, e assim poderemos, com segurança garantir que, [t, f(t)] e [Δt, f(Δt)] quase se tocam. Matematicamente o processo é: - Onde SR é a taxa de variação instantânea da curva no ponto t. A operação d[f(t)]/dt é chamada derivada de f com respeito a t. - Aplicando o operador derivada ao sinal senoidal de teste do tipo u(t) = A sen(wt), (que nada mais é do que a representação matemática do sinal de teste da figura 2, onde A representa a amplitude, w é a freqüência angular e t o tempo), podemos encontrar todas as taxas de variação possíveis para esta função: d[sen(wt)]/dt = cos(wt)w - Não provaremos a passagem d[sen(wt)]/dt = cos(wt)w, mas o processo é essencialmente o descrito em (1.3); (aos interessados lembramos que aqui foi utilizada a regra da cadeia do cálculo diferencial[1], razão pela qual surge um w fora da função). Se d[sen(wt)]/dt = cos(wt)w podemos facilmente encontrar a maior taxa de variação possível, já que a função cosseno é periódica e tem inclinação máxima (ou mínima) em 0, p, 2p,... (ou seja, em hp c/ hÎ N), e esse valor máximo é sempre unitário (1 ou -1); assim u(t) = A sen(wt) d[u(t)]/dt = A cos(wt)w - Como o cosseno tem valor máximo em 0, p, 2p,..., fazemos t = 0, assim o fator cos(wt) = 1, e substituindo temos: Página 7 - Internacionalmente, adota-se como um bom padrão de engenharia uma SR quatro vezes superior ao que seria matematicamente necessário. Não mostraremos aqui porque os circuitos amplificadores são limitados em termos de taxa de variação. Esta análise exige alguma teoria de circuitos elétricos e não é nossa intenção no momento. - Ao invés disso, vamos apontar as conseqüências mais diretas desse tipo de distorção e a importância de se ter valores apropriados de slew-rate, a fim de evitar esses transtornos. Essencialmente, as necessidades não serão sempre as mesmas já que, como vimos, a SR exibe uma dependência com a amplitude máxima e com a freqüência máxima a ser respondida pelo amplificador (ou outro equipamento qualquer de áudio). Veremos alguns exemplos Exemplo 1: - Um amplificador tem que responder, para que atinja sua potência máxima, a uma amplitude de 10Vp e possui uma SR = 0,5V/us. Qual a maior freqüência com que ele poderá trabalhar sem exibir distorção por limitação de slew-rate? A condição é dada por (2.1): E podemos manipular (1.4) para obter onde as dimensões são: slew-rate em Volts/microsegundo: [SR] = V/us, amplitude máxima = tensão de pico em Volts: [Vp] = V e freqüência em Hertz: [f] = Hz. O fator 10^6 que aparece no numerador é necessário para que se possa exibir o resultado nas unidades usuais. Inserindo estes valores em (2.2), obtemos: Vemos assim que esse amp não poderá responder (em 10Vp) a nenhum sinal com freqüência maior do que 7,96kHz sem sofrer distorção. O procedimento inverso também é válido, pois podemos fixar a largura de banda que julgarmos conveniente e calcular qual a amplitude máxima teríamos disponível, sem distorção, na saída. Manipulando (2.2), obtemos: Supondo que uma largura de banda de 20kHz nos seja apropriada. Assim como antes, inserimos os valores em (2.3) para obter: - Não podemos utilizar este amp com uma tensão de saída maior do que 3,98Vp, sob pena de existir distorção no sinal de saída; isto é claro, se quisermos utilizá-lo até uma freqüência de 20kHz. Página 10 Vamos agora aplicar estes resultados a amplificadores típicos do áudio profissional. Exemplo 2: - Um amp de 1.000Wrms/canal @ 2W será utilizado num trabalho full-range, com banda passante de 20kHz. Qual a slew-rate necessária? Se ele desenvolve 1.000Wrms @ 2W, então devemos calcular a amplitude máxima de um sinal de teste senoidal presente em sua saída. Manipulando a lei de Ohm, obtemos: No entanto a tensão assim obtida é a tensão eficaz ou rms. Nesse caso, nos interessa a tensão de pico (lembrando que as tensões medidas em multímetros comuns sempre são exibidas em valores rms, para um sinal permanente senoidal). Assim devemos multiplicar o resultado por (2)1/2. Inserindo os dados, obtemos: Utilizando diretamente (1.4) e inserindo os valores, obtemos: Internacionalmente, é recomendado que esse valor mínimo seja multiplicado por 4, obtendo assim: 31,7V/us, mas acredito que o dobro já seja o suficiente para garantir total ausência de distorção por limitação de slew-rate, assim ~15V/us já seria um ótimo valor. - Através destes exemplos fica claro que slew-rate não é uma especificação do tipo "quanto mais, melhor", basta termos um valor coerente com a aplicação a que se destina o amp (função da amplitude máxima e da freqüência máxima). Um eventual acréscimo não carecerá de qualquer significação[2]. - Tabelas poderão ser elaboradas pelos leitores a fim de verificar a melhor faixa de atuação de seus amps, bem como conferir as especificações de um novo equipamento a ser adquirido, para certificar-se que o mesmo se adequará as suas necessidades. Para tanto, basta utilizar as fórmulas que foram aqui deduzidas, consultar os exemplos resolvidos e praticar um pouco de matemática. - Para finalizar, devo acrescentar que verifiquei, ao longo de algum tempo, que em alguns comerciais e artigos envolvendo amplificadores tem-se dito que um certo amp possuía um alto slew-rate por empregar uma baixa (ou alta) taxa de realimentação negativa. Esse argumento, naturalmente, não possui o menor fundamento. Neste artigo não daremos uma demonstração rigorosa (quem sabe num artigo futuro), mas podemos, qualitativamente, analisar o fato. - A realimentação negativa não tem como interferir na taxa de variação ou na largura de faixa para grandes sinais[4]. Até que a tensão de saída varie, não há sinal de realimentação e nenhum benefício (ou sacrifício) devido à realimentação negativa pode ser Página 11 obtido. Esse simples raciocínio pode ser reforçado com a idéia de que a malha de realimentação só pode amostrar um evento que já ocorreu! Assim a realimentação negativa, tão necessária em outros aspectos, tem pouca influência no domínio temporal. • INTRODUÇÃO - Antes de iniciar um projeto de construção de sonofletores é necessário conhecer os parâmetros mais importantes do falante que definem o seu comportamento em baixas freqüências. Esses parâmetros, conforme definidos pela teoria de Thiele-Small, são: Vas = Volume equivalente do falante Qts = Fator de Qualidade fs = freqüência de ressonância. - Estas grandezas costumam apresentar bastante variação entre marcas e modelos diferentes de falantes, mesmo entre os de igual diâmetro e freqüência de ressonância. Como os projetos de caixas acústicas são sensíveis a mudanças (mesmo reduzidas) nestes parãmetros não é conveniente iniciar algum projeto sem haver antes determinado os valores destas grandezas. - Também é necessário medi-los quando se pretende usar projetos de construção já prontos e para os quais não haja indicação precisa do modelo e marca do falante apropriado. Nesses casos, conhecendo os parâmetros Vas, Qts e Fs, é possível a adaptação do projeto para extrair o máximo de suas características. - O emprego em um projeto de qualquer outro falante que não o corretamente especificado através do uso dos parâmetros Thiele-Small, invalida os dados da construção e arrisca os resultados a serem obtidos. Um pouco de teoria - Os parâmetros já referidos foram derivados das constantes eletromecânicas dos falantes para facilitar a análise das características dos diferentes falantes, e não podem ser medidos diretamente por instrumentos, excetuando-se a freqüência de ressonância. - Portanto necessitamos antes determinar outras grandezas e obter Vas e Qts através de cálculos posteriores. Para a determinação de Vas a primeira grandeza a ser medida é a compliância mecânica, Cms . Página 12 Usa-se nesta medida um oscilador, um milivoltímetro de áudio e ainda uma resistência de aproximadamente 500 ohms a 1 kohm conectada entre o oscilador e o altofalante em teste. A resistência é usada para transformar a saída do oscilador, quando 0 0 1 Fsob carga, em uma fonte de corrente constante. Veja o arranjo na figura 2 O alto falante deve, de preferência, encontrar-se em área livre, sem paredes ou chão a menos de 1metro de distancia. Nestas condições faz-se uma varredura em torno das freqüências onde se acredita estar a ressonância e é efetuada a leitura da freqüência em que o voltímetro apresente o maior valor. Esta é a freqüência de ressonância fs do alto falante. Determinação do fator de qualidade (Qts) Para o cálculo de Qts é necessário primeiramente calcular o valor de resistência da bobina móvel. Esta medida pode ser tomada por um ohmímetro comum. Chamaremos a este valor de Re. Montamos agora o circuito da figura 3. Para a freqüência de ressonância fs anota-se o valor da corrente e da tensão presentes. É conveniente manter a tensão em 1 volt, que é um valor padrão para este tipo de medição. Calcula-se agora a impedãncia Rs do falante na ressonância. Rs=Vs/Is, onde: Vs= Valor da tensão nos terminais do falante na ressonância, em volts; Is= Valor da corrente absorvida pelo falante, em amperes. Agora, vamos achar as freqüências f1 e f2 para as quais a impedância do falante seja: sendo f1 menor que f2 Como I = V/R, então a corrente esperada nos pontos f1 e f2 será: Se mantivermos V= 1volt durante o transcorrer desta medição então bastará achar as freqüências f1 e f2 para as quais a corrente seja: A tensão não necessita ser obrigatoriamente a especificada acima, porém é muito importante que seja exatamente sempre a mesma ao variar o oscilador entre fs , f1 e f2. Durante a varredura de freqüências a tensão tende a variar bastante, portanto é importante estar atento. Calcula-se Qts por: Os valores de f1 e f2 obtidos devem satisfazer à igualdade: Página 15 Em caso de discrepância é conveniente repetir o processo até ter-se certeza dos valores medidos. Note que o cálculo de fs a partir da fórmula acima é mais preciso do que a medição direta. Isto acontece porque a indicação do voltimetro varia relativamente pouco nas vizinhanças de fs, induzindo a erro facilmente. Portanto em caso de dúvida adote o valor de fs calculado. Determinação do volume equivalente (Vas) Vas pode ser determinado por dois métodos diferentes: a) Através de Cms Sendo: onde: Cas= compliância acústica; Cms= compliância mecânica; Sd = área efetiva do cone e onde: = densidade do ar (1,18 kg/m3); c = velocidade do som no ar (aproximadamente 345 m/s) Para a aplicação destas fórmulas só nos falta medir Sd. A área efetiva do cone é dada por: onde d é o diâmetro efetivo do cone. O diâmetro efetivo d é medido diametralmente de um ao outro lado do cone, tendo-se o cuidado de tomar a medida a partir dos centros da borda flexível que prende o cone à carcaça do alto- falante. Portanto, a fórmula para o cálculo de Vas que será usada é: ou, aplicando os valores das grandezas, e sendo ΔX=X2-X1: onde: X2 - X1 é o deslocamento medido do cone de cm; ΔM é a massa adicionada ao cone; d é o diâmetro efetivo medido do cone b) ATRAVÉS DE MEDIDAS TOMADAS COM O USO DE UMA CAIXA DE VOLUME CONHECIDO. Esta série de medições poderá ser feita com a ajuda de uma caixa fechada ou sintonizada a uma freqüência determinada. Neste exemplo vamos utilizar uma caixa fechada. Dispondo-se de uma caixa bem selada, sem qualquer revestimento interno, com volume conhecido Vb, que esteja entre 20 e 50 litros, deve-se repetir os cálculos dos valores Página 16 da freqüência de ressonância, a qual chamaremos agora de fb e do seu fator de qualidade, que chamaremos de Qtb. Calculamos Vas por: Outra fórmula mais simplificada que pode ser usada é: Nesta fórmula estamos supondo que o valor das massas acústicas envolvidas não variou substancialmente ao ar livre e na caixa, simplificação essa que introduz um certo erro no cálculo, mas que por outro lado, facilita a medição. Ressalte-se que, para esta medição o altofalante será posicionado na caixa em um orifício de tamanho coerente com o seu diâmetro e deve ser mantido bem pressionado contra esta, a fim de serem evitadas as fugas de ar. Não se deve esquecer de considerar a influência do volume do alto-falante em relação ao volume da caixa. Assim, se este estiver por dentro do orifício do painel o volume estimado do mesmo será subtraído do volume da caixa. • VERIFICAÇÃO DAS MEDIDAS - Se na medição anterior foram usados tanto o método a quanto o método b, isto será útil para a verificação da correção das demais medições. Calcula-se novamente Vas através da fórmula acima, cujo resultado deve coincidir com o valor anterior. - Discrepâncias menores que 10% não necessitam ser levadas em conta. Para discrepâncias maiores recomenda-se refazer as medições. Ressalte-se que pelo método b obtem-se os valores mais precisos pois a medida do diâmetro efetivo do cone não é tão fácil quanto possa parecer à princípio, tornando pois os valores calculados mais sujeitos a erros. - A esse respeito é importante observar que um erro qualquer na medida de d é amplificado de 4 vezes ao ser calculado o valor de Vas. EXEMPLO DE MEDIÇÕES E CÁLCULOS - Para exemplificar o método exposto, vamos utilizar um falante de vinte centímetros, comumente encontrado no comércio. O equipamento usado pelo autor nesta Página 17 No entanto, em pouco conhecimento permanece o fato de que os amplificadores interagem com as suas cargas e têm seu comportamento grandemente influenciado por elas. Uma destas formas de interação ocorre quando alimentamos impedâncias fortemente reativas, ou seja, justamente as cargas que todos nós utilizamos: os alto-falantes. A iniciativa é motivada por um quadro preocupante: poucos amplificadores são bons nesse aspecto (conforme já citado e brevemente comentado pelo Prof. Homero Sette Silva em Backstage). Distorção harmônica, instabilidade e até queima do estágio de saída são comuns. O principal objetivo deste texto, é levar à compreensão básica do fenômeno através de uma explanação simples, não pretendendo ser definitiva ou completa; visa elucidar o leitor, profissional de áudio ou não, de modo que se tenha sempre em mente esse fato ao adquirir-se uma ferramenta tão básica como um amplificador de potência. Todavia, para que se compreenda bem este assunto, convém começar do início e seguir passo a passo o caminho que leva até ele. Uma primeira análise da amplificação - cargas resistivas A grande maioria dos amplificadores de potência modernos trabalham na configuração amplificador de tensão, isto é, produzem na saída uma tensão que é proporcional àquela aplicada em sua entrada e que representa o programa de áudio. Esta tensão de saída tem usualmente grandes amplitudes de modo a gerar uma corrente também de grande amplitude ao percorrer-se uma carga de valor ôhmico muito baixo, como alto-falantes por exemplo. Naturalmente, a impedância de saída de tais geradores (amps) deve ser bem mais baixa do que a impedância da carga, de outra maneira não seria possível gerar correntes de grandes amplitudes. Considera-se, agora, um amplificador (fictício e que não se refere à nenhuma marca) recebendo um sinal senoidal e alimentando uma carga puramente resistiva[1], ou seja, que não possui reatância (que caracteriza um comportamento reativo). Neste caso especial a carga aproveita toda energia fornecida pelo gerador (dissipa potência por efeito Joule, ou seja, toda energia é transformada em calor). Tal fato ocorre porque que num circuito puramente resistivo não há atraso ou defasagem entre a onda de tensão e a onda de corrente, nesse caso, ambas senoidais; isso porque resistores não acumulam energia como os indutores e os capacitores, terminando por não interferirem nas formas de onda relativamente ao tempo (na verdade a explicação é mais profunda e como tantas mais que veremos adiante não caberiam na proposta deste artigo. Vamos limitar-nos portanto à uma abordagem mais simples). Na figura 1 pode-se notar como a tensão e a corrente num circuito resistivo caminham perfeitamente juntas ao longo do tempo, estando assim, em fase. A potência instantânea p(t) dissipada por uma resistência elétrica pode ser obtida pelo produto, ponto Página 20 a ponto, entre v(t) e i(t); a expressão fica pois p(t)=v(t)×i(t). A figura 1 mostra a forma de onda da tensão e da corrente e como fica a forma de onda da potência.Esta carga puramente resistiva poderia ser um simples resistor de grande potência como uma "resistência" de chuveiro Como resultado, a potência consumida por uma carga puramente resistiva é pulsante e sempre positiva, pois num mesmo instante a tensão e a corrente são positivas ou negativas (produto de 2 positivos ou 2 negativos = sempre positivo), lembrando que a carga está sendo percorrida por uma corrente alternada e senoidal. A interpretação de potência positiva diz-nos que o receptor está consumindo a potência fornecida pela fonte. Potência sempre positiva significa portanto que a carga comporta-se sempre como um receptor, consumindo a potência fornecida pela fonte (amplificador), que por sua vez, comporta-se sempre como um gerador. Neste caso, como já foi visto, 100% da energia fornecida à carga é convertida em calor por efeito Joule. Essa situação é extremamente confortável para o amplificador, visto que ele não toma conhecimento da carga, exceto pelo fato de estar fornecendo energia; contudo pode-se dizer que nesse caso não há interação com a carga, o desempenho do amplificador fica sendo apenas função dele próprio, importando muito pouco pois, a carga. • OS ALTO - FALANTES; Mas afinal não se utilizam amplificadores de potência para alimentar resistores, mas sim para alimentar alto-falantes. É justamente neste momento que o processo torna-se mais complicado. Os alto-falantes modernos são componentes eletrodinâmicos que, conforme demostrou Neville Thiele, têm um comportamento idêntico (do ponto de vista elétrico) ao de um circuito ressonante paralelo do tipo RLC [2], que pode ser visto na figura 2. O trabalho de Thiele, intitulado "Loudspeakers in Vented Boxes" posteriormente ampliado por Richard Small em sua tese de doutorado, constitui atualmente o principal pilar em que se apoiam as técnicas de análise de alto-falantes e caixas acústicas, conhecido como Teoria de Thiele-Small. Aqui no circuito equivalente pode-se divisar dois lados envolvidos, o do amplificador representado por Eg e pela sua resistência interna Rg (que é responsável pelo valor do fator de amortecimento do amplificador) e o lado do alto-falante em que se encontra RE representando a resistência do fio que constitui a bobina móvel e Le que representa a indutância dessa mesma bobina. Na seqüência deparamo-nos com as quantidades Res, Lces e Cmes que são as características mecânicas do alto-falante (resistência mecânica, compliância e massa móvel). Página 21 Esses parâmetros mecânicos estão, pelo conceito da dualidade, refletidos no seu circuito equivalente elétrico, podendo ser assim analisados de maneira mais fácil. Esse tipo de circuito apresenta comportamento triplo a depender unicamente da freqüência: capacitivo, indutivo e puramente resistivo, sendo que este último manisfesta-se apenas nas suas freqüências de ressonância. Observando atentamente o gráfico da figura 5, pode-se notar que o alto-falante ao ar livre possui duas freqüências de ressonância, ou fase zero (procurar na curva de fase). A primeira, devido a Cmes e a Lces é a mais importante, definida como sendo a freqüência de ressonância mecânica do alto-falante (Fs). Esta provoca um pico de máximo no módulo da impedância. A segunda (normalmente desprezada na análise em baixas freqüências) definida como freqüência de ressonância elétrica é devido à associação da capacitância refletida Cmes com a indutância da bobina móvel Le. Esta provoca um pico de mínimo no módulo da impedância e ao redor deste se define o valor da impedância nominal do alto-falante, que assim possui comportamento novamente resistivo (para woofers isso ocorre tipicamente em torno de 300Hz). Nas demais freqüências, porém, o comportamento é capacitivo e indutivo, mas eletricamente se considera apenas um desses efeitos de cada vez. Ocorre desta maneira porque as duas propriedades anulam-se, permanecendo o excedente do efeito mais pronunciado, que chamamos resultante. Voltaremos a falar desse assunto mais adiante, em momento oportuno. O que o amp então na realidade "enxerga" é justamente essa resultante. Uma carga que ora se comporta como um resistor (ressonância), ora como uma associação resistor/ capacitor (fase negativa) e em outros momentos como uma associação resistor/indutor (fase positiva), a depender tão somente da freqüência em questão. No caso de sinais musicais pode-se admitir a exibição desses 3 comportamentos simultaneamente, visto existirem inúmeras freqüências (fundamentais e harmônicas) no sinal musical. E como será que o amp "sente" isso? Para tanto, devemos rapidamente estudar algumas propriedades dos circuitos capacitivos e indutivos • CIRCUITOS REATIVOS – DEFINIÇÃO E ANÁLISE DA POTÊNCIA; Define-se como reativo qualquer circuito que apresente capacitância ou indutância, ou ainda ambos os efeitos combinados. Página 22 • OS ALTO – FALANTES COMO COPONENTES RATIVOS E IMPEDÂNCIA COMPLEXA; Referindo-se novamente ao gráfico da curva de impedância e de fase de um alto-falante ao ar livre (fig 5), concentremo-nos na curva de fase que ao assumir ângulos negativos até -90º, denotará comportamento capacitivo, sendo puramente capacitivo se o ângulo for exatamente -90º (analogamente será indutivo para ângulos positivos). Vê-se no gráfico que o ângulo assume vários valores não chegando, porém à exatamente -90º (ou +90º). Isso revela a existência de uma parte resistiva, ou matematicamente, parte real, responsável pela geração da potência ativa, que dissipa energia. A parte reativa, que em matemática chama-se imaginária (tal nomenclatura é utilizada na especialidade matemática que trata dos chamados números complexos), é a responsável pela geração da potência reativa e não aproveita nenhuma energia fornecida pelo gerador, ou seja, não dissipa potência, mas apenas troca energia com o gerador. Essa é uma das maneiras de definir-se impedância, que por sua vez, é um número complexo. Este possui uma quantidade real que representa uma resistência e uma quantidade imaginária, representando esta, uma reatância. A soma vetorial das duas partes do número complexo é conhecida como módulo da impedância. Tipicamente em alto-falantes o módulo da impedância vale 4 ou 8 Ohms, para freqüências próximas da segunda freqüência de ressonância. Como conclusão, o alto-falante na maior parte das freqüências é reativo, ou seja, existe impedância complexa (ângulo de fase diferente de zero), havendo portanto potência ativa e reativa coexistindo. Já foi demostrado que potência ativa dissipa energia, mas potência reativa somente a troca com o gerador. Assim sendo, o falante aproveita apenas uma parcela da energia fornecida pelo gerador, pois somente a parte resistiva da carga dissipa potência. Pode-se concluir que quanto mais a curva afasta-se do eixo zero, mais reativo será o alto-falante e mais energia será trocada com o gerador, em detrimento de uma cada vez menor parcela resistiva, que eficazmente aproveita potência. Esta é a chave para a compreensão deste artigo. Se como carga usar-se alto-falantes, sempre haverá uma parte dela trocando energia com o amplificador, exceto apenas nas freqüências de ressonância em que o comportamento é puramente resistivo • E COMO FICAM OS AMPLIFICADORRES; Exige-se portanto que o amplificador lide com essa troca de energia (não há como evitar) que, por sua vez, representa um esforço bem maior do que simplesmente fornecer potência, havendo a necessidade de absorver-se a energia da descarga do circuito reativo, que é Página 25 a carga. É possível agora, analisar o que pode acontecer ao sinal de áudio e ao próprio amplificador. F 0 B 7 DISTORÇÃO Os estágios de saída dos amps de grande potência quase sempre operam em push-pull e em simetria complementar (ou quase complementar em alguns circuitos), ou seja, existem dois "braços" ou "lados", cada um contribuindo com um semiciclo da onda de corrente e de maneira alternada (estágios classe B e AB), de modo a refazer o sinal de áudio na saída (figura 6). Se o circuito não tiver um projeto bem elaborado, o esforço adicional provocado pela absorção de energia que retorna da carga fará com que o sinal não seja coerentemente amplificado e a onda de saída não mais corresponderá à onda de entrada, pois apresentará distorção. Os tipos de alterações geradas no áudio pelo amp mal projetado e/ou dimensionado que opere nessa condição, são difíceis de prever-se e muito sujeito às condições do uso/teste e da topologia do circuito, porém a presença de distorção harmônica deve ser considerada. Pode-se verificar também que a alta impedância de saída (ou baixo fator de amortecimento) de alguns amps dificulta o desvio das ondas de descarga para um terra ac (+Vcc e -Vcc). A resistência interna alta faz com que a onda de descarga permaneça na saída do amplificador, sobrepondo-se à onda original e gerando "coloração" ou distorção. Página 26 Na figura 6, pode-se ver um exemplo simples de estágio de saída em classe B, e o desenvolvimento das tensões e correntes (apenas para ac). A incapacidade de lidar com o esforço (troca de energia) pode levar o amplificador a um estado de total incoerência de funcionamento. Oscilação é possível, bem como a queima do estágio de saída F 0 B 7 SUBDIMENSIONAMENTO No caso da queima a causa pode ser simplesmente fadiga excessiva quando a etapa de saída atinge seus limites operacionais. Observe que essa situação de limites poderia ser alcançada com uma simples carga resistiva, bastando que para isso o amplificador fosse muito exigido ou que o valor ôhmico fosse muito baixo. Porém, a carga fortemente reativa fará com que essa extrema fadiga ocorra com muito mais facilidade, obtendo como resultado (muito provável) a possibilidade de queima do estágio de saída. Esse quadro é comum em amps que foram dimensionados a partir de uma carga resistiva. Como foi visto, existe uma enorme diferença entre uma carga resistiva de 2 ohms e outra reativa, também com 2 ohms. No caso da primeira o gerador apenas fornece potência, sendo submetido a um certo esforço, porém no caso da segunda existe, além desse esforço, outro adicional a que o estágio de saída terá que se submeter para dissipar a energia devolvida pela carga reativa, consequentemente a etapa aquecerá mais e exigirá um dimensionamento mais avantajado e cuidadoso. Deve-se considerar também que em cargas resistivas o valor ôhmico (no exemplo 2W) é fixo, o que não acontece com cargas reativas (como alto-falantes), nesse caso, o módulo da impedância varia com a freqüência (consultar a fig. 5), podendo atingir valores bem inferiores a 2W. Normalmente dimensiona-se um amp a partir de uma carga resistiva sem levar em consideração que falantes e caixas acústicas são extremamente reativos; o estágio fica assim subdimensionado e corre sério risco de queima; para o usuário esse seria um fato inexplicável, já que seu amp "queimou-se sozinho" sem nenhuma falha no seu sistema de caixas e talvez até em volume baixo ou mediano. Lembre-se que somente a potência ativa gera trabalho aproveitável (som), porém a potência reativa existe e exige esforço do amplificador para dissipá-la. F 0 B 7 OSCILAÇÃO Outro problema muito encontrado em amps de marcas não idôneas, é a oscilação. Novamente aqui o efeito é muito mais pronunciado em cargas reativas, devendo-se considerar a importância de serem feitos testes com esse tipo de carga no trabalho de desenvolvimento de um amplificador. Amps que em cargas resistivas não oscilam, podem perfeitamente oscilar em Página 27 o emissor "enxerga" um potencial que varia desde zero até +100V, e para isso, supõe-se que a onda tenha um valor de 200Vpp, o que é comum em alta potência. O VCE assim seria no máximo o valor da própria fonte que é Vcc=100V (100V-0V) e no mínimo de 0V (100V-100V). Mas no semiciclo negativo da descarga a situação inverter-se-ia. O emissor veria no máximo 0V e no mínimo -100V e como 100-(-100)=200, o VCE teria o valor de 200V por um breve instante, perigosamente perto da região de ruptura, onde o funcionamento do transistor não é mais normal. Ex: o VCE máximo dos transistores 2SC3281/2SA1302 = 200V. Esses modelos são muito empregados neste tipo de aplicação. Analisando um gráfico da IC (corrente de coletor) no domínio da VCE (figura 7), nota-se que a IC próxima da região de VCE máxima, sobe rapidamente, mostrando que poderia assumir qualquer valor (este efeito é conhecido como multiplicação por avalanche), o que bastaria para provocar sua destruição, talvez não imediata, mas abreviaria consideravelmente sua vida útil. Com a queima de um transistor do par (curto), o outro também seria destruído. Entretanto, se o transistor ainda não se destruir estará conduzindo fortemente, pois por um breve instante existirá corrente apreciável no diodo coletor (na verdade um pulso de corrente). Com o outro transistor do par já conduzindo na região ativa, teríamos a condução simultânea independente do valor da freqüência e que destruiria ambos, caso a corrente desenvolvida seja suficiente. Convém lembrar que estágios classe B, AB, G ou H geralmente não são dimensionados para suportar uma condução simultânea, o que ocorre normalmente em estágios classe A, sendo estes, portanto, naturalmente imunes a esse problema. Para concluir, deve-se dizer que essa situação é aparentemente facilitada no caso do amplificador não possuir uma baixa resistência interna (baixa impedância de saída). Observe que tanto a ocorrência de avalanche térmica (vista na edição anterior) como a de condução simultânea (nessa situação em específico) não passam de hipóteses ainda a serem confirmadas como fatos. Os sintomas são muito variáveis e sujeitos a condições, de maneira que não se pode ter muita certeza disso ou daquilo, no entanto ao que parece são as causas da queima de amps mal projetados e/ou dimensionados nas condições de extrema fadiga proporcionadas por uma carga fortemente reativa. É claro que as pesquisas continuam, de modo que novas confirmações serão relatadas. É importante salientar que as duas causas descritas (avalanche térmica e condução simultânea) Página 30 são teses, mas o mau desempenho e as queimas dos estágios de saída não, estes sim são fatos e ocorreram inclusive nos testes realizados. (Nota:Em leitura de recente trabalho, do pesquisador norte-americano G. Randy Slone, comprovei tais teses. Slone afirma serem estes fenômenos fatos, mas não relata detalhes desses trabalhos, o que será objeto de pesquisa futura) O subdimensionamento é também fato comprovado e mereceu inclusive fazer parte da dissertação de mestrado do Eng. Rosalfonso Bortoni (UFSC). Cabe aqui, portanto uma descrição das condições de teste a que foram submetidos alguns aparelhos comerciais e também circuitos experimentais e/ou de desenvolvimento. • Sinais aplicados: ondas, senoidal e quadrada, na faixa de 1Hz à 100kHz. • Cargas utilizadas: resistiva e puramente capacitiva com valores oscilando entre 1uF e 10uF. Regime de trabalho: variando entre baixo e o máximo, respeitando as limitações próprias de cada aparelho. F 0 B 7 CAIXAS ACÚSTICAS E CROSSOVERS PASSIVOS Porém, até agora neste artigo, considera-se como uma possível carga reativa prática somente o alto-falante ao ar livre. Na realidade a situação é ainda mais difícil, pois o esforço do estágio de saída é ainda maior quando se usam caixas acústicas com diagramas fasoriais mais complicados. Levando-se em consideração que ninguém utiliza falantes ao ar livre, essa observação atinge todos os casos (exceto em situações onde se usam caixas closed-box do tipo fechada, pois o diagrama fasorial dessas caixas é semelhante ao de um falante ao ar livre). Caixas bass- reflex teriam pelo menos mais duas freqüências de ressonância e por conseqüência mais duas inversões de fase em relação ao falante ao ar livre (ou caixas closed-box). Caixas band-pass e caixas-corneta têm comportamento ainda mais complexo. Naturalmente o circuito equivalente de tais sistemas é algo bem mais complicado do que o apresentado na figura 2. Analogamente, falantes que possuem fator de qualidade total (Qts) mais altos, exigem mais dos amplificadores e expõem bem mais um eventual circuito mal dimensionado a falhas, pois são mais reativos do que outros possuidores de Qts mais baixos (normalmente um indicador de falantes de alta qualidade). Página 31 Assim se pode generalizar esse raciocínio para o sistema formado pela caixa+falante. Estes sempre exigirão mais dos amplificadores quanto maior for o fator de qualidade resultante do sistema (Qt), que por sua vez é função do falante e do alinhamento adotado. Estendendo ainda mais, verifica-se que caixas acústicas com crossovers passivos apresentam forte reatância adicional, devido aos circuitos sintonizados formados por redes de capacitores e indutores. Os diagramas fasoriais dessas caixas seriam ainda mais complexos que se estivessem sem o crossover passivo. Naturalmente se este crossover passivo possuir alguma equalização ou Notch Filters, a situação tornar-se-á ainda mais problemática para o amplificador. O circuito equivalente desses sistemas pode ultrapassar a 16ª ordem F 0 B 7 CONCLUSÃO Cargas reativas impõem uma dificuldade aos amplificadores de potência que cargas resistivas jamais poderiam fazer sob iguais circunstâncias. As reativas, portanto exigirão um maior "preparo" dos amps, pode-se assim dizer, o que muitas vezes não acontece, pois os próprios fabricantes não as consideram no seu desenvolvimento e dimensionamento; também acabam por não usá-las nos testes finais com os seus aparelhos e muitos deles sequer têm conhecimento do fato (nem todos são assim, felizmente). Observei através de testes em alguns amps comerciais, que em aparelhos de marcas "estranhas" todos os problemas descritos anteriormente são comuns, possuem estágios mal dimensionados e ao conectar-se uma carga reativa apresentam grande alteração de comportamento. Viu-se que quando o circuito não é bem elaborado e/ou dimensionado, qualquer esforço requerido pela carga (como trocas de energia) fará com que o sinal não seja coerentemente amplificado, resultando assim numa distorção e até oscilação e queima, sendo uma das causas disso tudo, o fato de que, no período de desenvolvimento não se previu que a carga seria reativa e nos testes de prototipagem os amps não foram avaliados com cargas fortemente reativas, mas tão somente com cargas resistivas (se é que). Mas na esmagadora maioria dos casos, isso acontece porque seus circuitos foram copiados de outros amplificadores. Freqüentemente a topologia do circuito acaba sendo utilizada em aplicações e/ou condições para qual não foram previstos pelos projetistas originais, resultando assim num aparelho mal dimensionado e sujeito a problemas de todos os tipos já mencionados, principalmente à queima por fadiga excessiva (repetindo: isso chegou a acontecer nos testes). Assim também como no desenvolvimento de amplificadores de potência estes fatos devem ser considerados pelos projetistas e tratados à parte. Muitos fabricantes testam seus amplificadores somente com cargas resistivas e por esse mesmo motivo mascaram o surgimento Página 32 de... ), um motor de combustão interna originando vibrações e interferências em quase toda a faixa audível, indo mesmo até a faixa de radiofreqüência. O calor, o pouco espaço e a tensão disponível de 12 V nominais não permitem grandes vôos de imaginação por parte dos projetistas do equipamento eletrônico, sendo ainda que as localizações disponíveis para falantes são extremamente limitadas, dentro de um meio ambiente agressivo, com extremos de temperatura e umidade. Por outro lado, as condições internas de acústica alteram significativamente o equilíbrio harmônico, dificultam a reprodução de baixas freqüências devido à limitação volumétrica do habitáculo, acentuam demasiadamente as freqüências médias-baixas, e as áreas envidraçadas originam focalizações indevidas nos agudos. Aparentemente, a quantidade de problemas sugere que não é possível a reprodução de alta-fidelidade no interior do automóvel. No entanto, a audição no carro, apesar da aparente falta de lógica, é, para muita gente, bastante satisfatória, como tem demonstrado a popularidade dos concursos automotivos. Como então explicar essa aparente contradição? Talvez algumas motivações para o gosto pelo som no carro tenham sua origem em uma esfera de ordem mais psicológica que propriamente acústica, como por exemplo, a própria dificuldade da instalação de forma a superar desses obstáculos, ou mesmo a possibilidade de poder contar com as músicas que mais gostamos em um passeio descomprometido por um lugar agradável. De qualquer forma, um pouco de conhecimento de acústica pode servir para tornar mais fácil a "afinação" do som do automóvel e contribuir para o enriquecimento do nosso universo audiófilo. • CONDIÇÕES DE AUDIÇÃO; O fator mais importante que modifica a percepção do som presente no ambiente do automóvel diz respeito ao ruído. Como ruído, entendemos todo o som originado por diversas fontes: o barulho externo do tráfego ao redor, dos pneus sobre a pavimentação, "grilos" na suspensão, vibrações do motor, vento, radiointerferência e muitos outros. O espectro de freqüências cobertas pelo ruído vai desde os subsônicos, produzidos principalmente pelas vibrações do motor e pela ação de compressões e descompressões atmosféricas que ocorrem nos espaços das janelas abertas; entram na faixa de graves, de 20 a 100 Hz, originados pela ação do rolamento; na faixa de médios e agudos, pelo motor e assobio do vento. Isto significa que, a menos que seu carro seja um "Rolls-Royce" trafegando a baixa velocidade e em uma pista de pavimentação perfeita, há grande probabilidade de que o ruído presente esteja em torno de 75 a 90 dBA, ou até mais. Este dado é citado pelas diversas Página 35 revistas especializadas em testes de automóveis e foi comprovado pelo autor por meio de medições diretas com um analisador de espectro (RTA) em carros pequenos e médios. A figura mostra os resultados obtidos em autos trafegando por volta dos 80 km por hora. Na oitava mais baixa, o nível de ruído presente gira em torno de 90 a 100 dB e, progressivamente, vai diminuindo para as freqüências mais altas. Vale lembrar que em uma sala residencial típica o ruído varia em torno de 35 dB a 45 dB, nível que provavelmente só iremos encontrar para o carro para a oitava mais alta, acima de 8 kHz. O intervalo presente entre máximas e mínimas, para cada faixa de freqüências, deve-se não só às condições extremamente mutáveis das fontes de ruído, como também aos diferentes graus de absorção acústica presentes nos diferentes modelos. Os carros maiores e mais luxuosos são os mais silenciosos. Por outro lado, a presença de janelas abertas altera significativamente o espectro de ruído, especialmente para as duas oitavas inferiores, centradas em 31,5 Hz e 63 Hz, O efeito notado é no sentido de aumento do nível, de 10 a 20 dB nessas faixas. O interessante é que isto é devido principalmente ao fato de uma janeIa aberta levar o ambiente a portar-se como um gigantesco Ressoador de Heimholtz. O vento soprando através da abertura produz um acoplamento acústico com o ar presente no interior do habitáculo variando a pressão sonora em uma faixa limitada de freqüências - até a faixa dos 60 Hz. Do conjunto de medições efetuadas pode-se observar que os níveis de ruído presentes no interior dos autornóveis são muito elevados e tendem a mascarar o som em diversas faixas de freqüências, principalmente para as abaixo de 1 kHz, o que torna particularmente difícil a audição clara das freqüências médias e graves. Não surpreende, portanto, o fato de ser bem menos sensível a exigência de qualidade para o áudio automotivo, em relação àquelas impostas pelos audiófilos High-End, já que as próprias condições de audição dificultam a escuta crítica. • RESPOSTAS ACÚSTICAS DO HABITÁCULO; A forma de construção e o pequeno volume interno tornam a resposta em freqüência característica do automóvel uma sucessão de picos e vales. Página 36 Uma série de medições em carros médios e pequenos originou as curvas mostradas. Vemos duas respostas típicas, a de baixo, para um carro médio, e a de cima, característica de carro pequeno. As medições foram feitas utilizando ruído rosa em autos com som tipo original, ou seja, sem o uso de amplificadores potentes ou equalizadores. Notamos de imediato a semelhança entre ambas (a correspondente aos carros de maior porte foi destacada ligeiramente para baixo para maior facilidade de visualização). O aspecto mais notável é a ressonância de aproximadamente 10dB que afeta apreciavelmente os médios-baixos, seguida de uma segunda ressonância por volta dos 2 kHz, e uma terceira perto dos 5 kHz Estes efeitos são claramente notados na audição por serem bastante evidentes, e dão uma sensação que muitos apreciam de "realce" de graves e agudos, embora o som resultante não possa ser chamado, de maneira alguma, de alta-fidelidade. Nessas condições, um equalizador gráfico de qualidade ajuda apreciavelmente, e é mesmo indispensável para quem quiser levar a sério o som automotivo. Sabendo-se que as curvas mostradas são bastante comuns para diversos carros e correspondem ao uso de aparelhos de boa procedência, a mesma figura serve como sugestão para a primeira tentativa de "acertar" uma equalização. Medições realizadas separadamente com o canal direito e o canal esquerdo não mostram diferenças significativas entre ambos. Isto, pela lógica, seria mesmo de se esperar, devido à simetria e ao pequeno volume do habitácuio. Assim sendo, os equalizadores estéreo com um só controle para ambos os canais são perfeitamente satisfatórios. O tipo de acabamento do carro, especialmente aqueles mais luxuosos com tapetes de náilon ou buclê, e assentos altos, tendem a amortecer mais os médios e agudos diminuindo ligeiramente a potência aparente, mas o efeito não é por demais significativo. Página 37 F 0 B 7 MID-BASS: Empregados entre 80 Hz e 500 Hz. São muito usados em sistemas multi- vias com divisores ativos, em portas e tampões traseiros. F 0 B 7 MID-RANGE: Respondem de 300 Hz a 4.000 Hz. Rotineiramente usados em sistemas de tres ou mais vias, podendo serem fechados, abertos ou tipo domo. Definem a qualidade do som, já que reproduzem a faixa de freqüências com maior presença e que necessita de mais definição. Nessa faixa está a maioria dos instrumentos que reproduzem a melodia e também a voz humana. F 0 B 7 TWEETER: Emitem os agudos, de 3.000 Hz a 20.000 Hz. Normalmente bastante diretivos, são fundamentais na localização da imagem sonora. Podem ser construídos com cone, domo ou utilizando cristais piezoelétricos. Os falantes mais comumente encontrados são do tipo eletrodinâmico., pois transformam a energia elétrica recebida do amplificador em anergia acústica por meio de um transdutor mecano-eletro-acústico constituído de uma bobina móvel imersa em um campo eletromagnético mantido por um imã permanente. As principais características de um falante eletrodinâmico são: F 0 B 7 RESPOSTA EM FREQÜÊNCIA: Corresponde à curva da pressão sonora emitida pelo falante medida em relação ao conjunto das freqüências audíveis. As freqüências são eletricamente emitidas com a mesma potência nominal, de 20 Hz a 20.000 Hz. Dependendo da melhor resposta do alto-falante este é classificado como sendo pertencente a um dos grupos já definidos. F 0 B 7 IMPEDÂNCIA NOMINAL: É a resistência característica da bobina do alto-falante somada ao valor da capacitância/indutância, definido como o valor mínimo encontrado logo acima da ressonância em baixa freqüência. F 0 B 7 RESISTÊNCIA: Definida como a resistência ôhmica do fio de cobre da bobina. F 0 B 7 POTÊNCIA: O parâmetro mais procurado e menos conhecido das especificações. Normalmente, e pela Norma Brasileira NBR 10303, a Potência Nominal é definida como a potência máxima em watts RMS (Root Mean Square) aplicável ao alto-falante no período mínimo de duas horas dentro da faixa de freqüencias para a qual foi construído. A Potência Musical surgiu como uma definição padronizada pelo IHF - Institute of High Fidelity americano como uma forma de incorporar o programa tipicamente musical em vez de sinais senoidais às medições. É considerada como sendo em tôrno de 2 vezes a potência RMS. Já a Potência Musical de Pico Operacional - PMPO, corresponde ao pico do programa musical. É uma forma de produzir números inflacionados para impressionar o consumidor e geralmente corresponde a quatro vezes a Potência RMS, embora alguns fabricantes cheguem a números de até dez vezes. Não tem nenhuma confiabilidade. F 0 B 7 SENSIBILIDADE: Corresponde ao nível de pressão sonora, em dB, emitido pelo falante com um watt RMS e a um metro de distância. Serve para identificar os alto-falantes mais eficientes e que aproveitam melhor a potência dos amplificadores. Página 40 F 0 B 7 PARÂMETROS DE THIELE-SMALL: Identificam para o projetista os dados necessários para o cálculo do volume e do tipo caixa acústica mais aconselhável para um dado falante. • DIVISORES DE FREQUENCIA; Os alto-falantes empregados Cada grupo de falantes suporta somente as freqüências para as quais foi construído. Dependendo da sofisticação, os sistemas automotivos podem empregar de duas até as cinco vias definidas acima. Para a separação das freqüências de modo a que cada alto-falante receba somente as que é capaz de reproduzir com maior fidelidade e menor distorção emprega-se o divisor de freqüências - "crossover". F 0 B 7 PASSA-BAIXAS: filtros que rejeitam progressivamente as freqüências acima de determinado valor. São usados nos subwoofers e woofers. F 0 B 7 PASSA-ALTAS: rejeitam as freqüências mais baixas. Empregados nos tweeters. F 0 B 7 PASSA-BANDA: rejeitam as freqüências abaixo de um certo valor e as mais altas acima de um outro valor maior que o primeiro. Usados nos mid-range e mid-bass. Os divisores podem ser PASSIVOS - os mais comuns - ou ATIVOS. Os passivos são formados por capacitores e indutores conectados de forma a aceitar determinadas freqüências e rejeitar outras. São ligados após o amplificador e antes do alto- falantes. Os divisores ativos são mais dispendiosos e empregados em sistemas multi-vias com muitos amplificadores, bem como em sub-woofers para o aproveitamento e controle integral dos graves. Os divisores ativos proporcionam controle total do volume de cada faixa, pontos de transição variáveis e são ligados entre o gerador de som com saídas de baixo nível e o(s) amplificador(es) de potência. • ESCOLHA E MONTAGEM ( PARTE II ); F 0 B 7 AMPLIFICADORES: Para um som realmente potente e com fidelidade é indispensável a adoção de amplificadores separados para grupos de alto-falantes - módulos de potência. No mínimo, quando são empregados sub-woofers, é essencial o uso de um divisor/ somador de freqüências acoplado a um módulo de potência. Página 41 Os amplificadores podem ser encontrados nas seguintes configurações: F 0 B 7 AMPLIFICADORES COMUNS, como os embutidos nos toca-fitas e toca-CDs: apresentam potência limitada pela tensão contínua de 12 V fornecida pelo sistema elétrico do carro. São adequados a sistemas de baixa potência e não comportam o emprego de sub-woofers. F 0 B 7 BOOSTERS: São estágios transistorizados de potência, geralmente ligados em ponte (bridge) e que operam na saída dos amplificadores comuns de toca-fitas e CDs. Apresentam relação sinal-ruído deficiente e faixa de frequências limitada. F 0 B 7 AMPLIFICADORES DE FONTE CHAVEADA: transformam a tensão de corrente contínua da bateria em uma tensão oscilante em alta frequência e conseguem uma potência de áudio bem mais elevada. Quando da escolha de amplificadores, certamente o que a maioria dos consumidores faz é comparar especificações de potência. A questão que surge é até que ponto as potências especificadas pelos fabricantes são diretamente comparáveis entre si, já que normalmente não são seguidas as normas internacionais para essas medições. Como regra, só podem ser comparadas as potências designadas em watts RMS, a quatro ohms, medidas na integridade da faixa audível e dentro de uma mesma quantidade máxima de distorção. Apesar da capacidade muito elevada de auto-ilusão de que o cérebro humano dispõe, é necessário que os aparelhos utilizados sejam de qualidade pelo menos aceitável sob certos parâmetros objetivos. No entanto, apesar dessa capacidade, não é lícito esperar que o consumidor aceite qualquer produto, sem padrões mínimos de qualidade. Infelizmente em nosso país a defesa dos direitos do consumidor ainda contiunua precária, o que faz com que em muitos setores do comércio verdadeiras barbaridades sejam empurradas ao consumidor indefeso. Particularmente no áudio automotivo o abuso émais visível e constante, especialmente no anúncio de potências. Em um teste real o aparelho de "100 W" e resposta de "20 Hz a 50 kHz", apresenta um desempenho muito aquém de qualquer expectativa. Muitas vezes, ao técnico abrir os inúmeros lacres e rebites estrategicamente colocados, vai descobrir, no "power" de cem watts, dois simples transistores acoplados a um transformador bastante modesto. Ora, uma simples conta pode mostrar que é impossível tirar mais que 6 W reais de uma fonte de corrente contínua de 12 V ao empregar um estágio simples, como também um transformador modesto não pode ser de "banda larga" (mais adiante mostraremos o porquê dessas afirmações). Estas limitações só podem serem superadas por um projeto sofisticado usando a tecnologia de fonte chaveada. No entanto, o emprego desses expedientes é tão corriqueiro que já não causa mais estranheza. Assim, o booster de 8 WRMS é anunciado como de 80 "watts", e quem contesta? O problema principal discutido aqui não é se o ouvinte necessita (ou não) de "tantos watts", mas se o consumidor não estará sendo lesado de alguma forma ao comprar potências Página 42 WRMS <50 100 150 200 >200 Sub-Woofer 1,50 1,50 2,50 4,00 6,00 Mid-Bass 1,00 1,00 1,50 2,50 4,00 Mid-Range 1,00 1,00 1,50 1,50 1,50 Tweeter 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Outro ponto bastante crítico são as conexões. Em um ambiente agressivo, submetido a constantes vibrações, as conexões oxidam-se e tendem a soltar-se facilmente. É importante rever periodicamente o estado dos conectores utilizados, particularmente os de sinal de baixo nível, fonte habitual de ruídos e interferências. • IMPEDÂNCIA E LIGAÇÕES DE FALANTES; As saídas de áudio dos módulos de potência tem como principal característica de compatibilidade a chamada impedância. A impedância apresentada por um aparelho ou circuito elétrico, define a capacidade de oferecer uma maior ou menor dificuldade à passagem de corrente alternada e varia com a freqüência da corrente alternada aplicada. O módulo de potência é projetado para suportar uma impedância mínima, abaixo da qual ele corre o perigo de sobreaquecimento, podendo entrar em curto circuito e detruindo-se a si próprio e aos alto-falantes nele ligados. Página 45 Dessa forma é importante, ao efetuar ligações de alto-falantes entre si, calcular a impedância resultante. As ligações de conjuntos de alto-falantes em série ou paralelo apresentam diferentes valores de impedância em relação aos falantes tomados isoladamente. A ligação em série caracteriza-se por unir os terminais dos alto-falantes como em uma cadeia: o negativo de um ligado ao positivo do próximo, e a potência ligada ao positivo do primeiro e ao negativo do último. Para a ligação em série a impedância da combinação consiste na soma simples das impedâncias dos diversos falantes. Para dois falantes de quatro ohms ligados em série escrever-se-ia assim: IMPEDÂNCIA DA LIGAÇÃO SÉRIE = R1 + R2 = 4 + 4 = 8 ohms Já na ligação em paralelo os positivos do alto-falantes são ligados juntos e os negativos da mesma forma. O módulo de potência tem seu borne positivo ligado aos positivos dos falantes unidos, e o seu borne negativo ligado da mesma forma aos negativos unidos dos falantes. A impedância da ligação paralela é de cálculo mais complicado: o inverso da impedância resultante é a soma do inverso das impedâncias dos falantes isolados. Impedância da ligação paralela: 1/ [(1/R1)+(1/R2)] , ou seja: Impedância da ligação paralela: 1/ (1/4)+(1/4)] = 1/ 0,5 = 2 ohms Portanto a impedância resultante é sempre menor que a impedância dos falantes isolados. Por esse motivo é bastante perigoso ligar vários falantes em paralelo, principalmente quando forem diferentes: impedâncias diferentes e mesmo potências diferentes podem facilmente causar a queima dos módulos de potência. Também é possivel associar falantes em série/paralelo. Nesse caso o cálculo é feito por grupo. Por exemplo, para dois grupos em série: IMPEDÂNCIA DO GRUPO A = R1 + R2 = 4 + 4 = 8 ohms IMPEDÂNCIA DO GRUPO B = R1 + R2 = 4 + 4 = 8 ohms A associação em paralelo do grupo A e B fica assim: IMPEDÂNCIA DOS GRUPOS, sendo A paralelo com B = 1/ (1/8)+(1/8)] = 1/ 0,25 = 4 ohms Página 46 • ESCOLHA E MONTAGEM ( PARTE III ); F 0 B 7 LOCALIZAÇÃO DE FALANTES Um carro é, na verdade, um ambiente altamente vibracional, construido de chapas de metal que apresentam ressonâncias próprias e com poucos lugares apropriados para um alto- falante, que estará constantemente sujeito a largas variações de temperatura e umidade. Por causa destas mesmas condições ambientais, que são ainda somadas às vibrações, os falantes comuns para caixas acústicas não resistem muito tempo quando instalados em automóveis. A temperatura no painel de um o carro exposto ao sol de verão pode chegar aos 70o C, o que está muito próximo da condição de escorrimento das colas comumente empregadas em "woofers" e "tweeters", acelerando uma provável falha mecânica dos mesmos quando utilizados prolongadamente nessas condições. Da mesma forma, a variação rápida de temperatura entre o dia e a noite, ou outras condições que se assemelhem a um choque térmico, podem ocasionar o surgimento de tensões diferenciais na suspensão, descentrando a bobina e tornando imprestável o falante. A formação de vapor e sua posterior condensação no interior de um carro fechado, fenômeno que ocorre com a variação de temperatura ambiente, é um aspecto que não pode ser esquecido, já que a água formada nessas condições irá certamente prejudicar o material do cone, geralmente de caráter higroscópico, o que justifica o emprego de materiais sintéticos de resina plástica, que não sofrem desse efeito. Também falantes montados em portas ficam geralmente sujeitos a serem molhados no caso de falha nas guarnições do vidro. Conforme mencionamos anteriormente, além desses problemas todos, não existem muitos lugares para a colocação de falantes, especialmente nos carros mais compactos - basicamente são usadas as portas, os painéis laterais traseiros, o chamado "pezinho" (kick panel) e o porta-bagagem traseiro (tampão ou "bagagito). Certamente o mais simples e o tipo de instalação que produz mais graves, particularmente para os carros que dispõem de porta-malas amplo, é a instalação no painel porta-bagagem traseiro. O aproveitamento do volume interno do porta-malas torna a som mais "cheio"; no entanto, também ajuda a criar ressonâncias nos médios -baíxos, conforme veremos mais adiante. A melhor solução para isso é a construção de caixas acústicas para sub-woofers, empregando módulos amplificadores separados e crossovers ativos. Normalmente o som musical de que gostamos e estamos acostumados a ouvir, provém do hemisfério frontal, raramente dos lados ou dos fundos (exceto para os músicos, que fazem parte Integrante do acontecimento musical e, portanto, estão imersos e rodeados pelo som), o que torna meio estranho uma audição em carro com falantes, inclusive "tweeters", montados no painel traseiro. Página 47 EQUALIZAÇÃO: A resposta em freqüência é medida ao longo da faixa audível através da faixa de ruído rosa. Cada desvio maior que 3 dB retira pontos do concorrente. QUALIDADE DE SOM A qualidade do som é verificada através dos seguintes parâmetros: F 0 B 7 Staging: representa a capacidade do sistema de reproduzir o ambiente original do concerto, principalmente através do som frontal; F 0 B 7 Imagem: mede a definição da imagem estéreo, colocando o ouvinte no centro do espetáculo, definindo bem a origem dos sons, esquerdo, direito e frontal, e proporcionando profundidade da imagem estéreo; F 0 B 7 Separação de frequência: Característica de um som bem definido, sem empastelamento dos diferentes timbres instrumentais; F 0 B 7 Ausência de ruído no sistema: Relação Sinal-Ruído com boas características, sem interferências ou ruídos dos acessórios, mecanismos de transporte, antena elétrica, etc.; AUSÊNCIA DE RUÍDO NO MOTOR: Sem interferências do sistema elétrico do motor, quando em funcionamento. F 0 B 7 QUALIDADE DA INSTALAÇÃO: A criatividade, esmero e qualidade geral da instalação é julgada por ítens que levam em conta: F 0 B 7 Integridade: Coerência do projeto, filosofia e montagem física; F 0 B 7 Cabeação: Cabos com seções bem calculadas, terminais, proteção; F 0 B 7 Ergonomia: Conforto, facilidade e manuseio seguro; F 0 B 7 Detalhes: Cuidados na montagem, limpeza e adequação; F 0 B 7 Criatividade: Novas idéias que justifiquem o desempenho conseguido, inovações em aspectos ainda não considerados por outros competidores. F 0 B 7 ALGUMAS RECOMENDAÇÕES: Nesta introdução ao assunto do som no carro vimos uma série de fenômenos acústicos que ocorrem no pequeno volume da cabine do automóvel, e salientamos alguns pontos importantes no desempenho de aparelhos de som automotívos Página 50 Podemos resumir algumas conclusões com respeito aos tópicos abordados: F 0 B 7 O ruído presente tende a mascarar o sinal musical, principalmente nas freqüências mais baixas. É essencial considerar a adoção de materiais fono-absorventes e isolantes - manta asfáltica, de forma a limitar essa interferência; Uma equalização com reforço na banda dos graves ajuda a superar e tornar mais balanceada a resposta do áudio; F 0 B 7 A imagem estéreo, devido às condições próprias do habitáculo, é uma meta de difícil consecução. É necessário, para cada tipo de auto, um estudo cuidadoso do posicionamento dos alto-falantes; F 0 B 7 Existem picos apreciáveis na resposta em freqüência, principalmente ao redor de 150/250 Hz, devido ao tamanho do habitáculo e tipos de superfícies envolvidas. Para tornar a resposta mais plana a solução mais completa é o uso de equalizadores. F 0 B 7 Um cuidadoso alinhamento do sistema, com alto-falantes bem posicionados, pode tornar mesmo um sistema dos mais simples, muito equilibrado e agradável de se ouvir. No mercado nacional vem se destacando excelentes revistas sobre o assunto. Para conhecer melhor sobre instalações, sugerimos acompanhar as reportagens que tem surgido nos melhores periódicos, como: Revista Quatro Rodas: Edição Som, Som e Carro, Audio Car. Nesta série, contamos com ajuda de publicações dos cursos de instalação realizados pelo Prof. Homero Sette e o Técnico Diógenes Cerântula, campeão nacional do Sound Pressure Level - SPL. Os lançamentos mais recentes de aparelhos no mercado mostram sofisticação crescente: maior potência em amplificação, toca-CDs com proteção contra saltos, reprodutores de mini-discs, etc. O som no automóvel já vai atingindo a maturidade e, quem sabe, logo teremos a possibilidade de aparelhos DVD com Dolby Digital, tocando cinco canais. Dessa forma, e desde a chegada no mercado brasileiro dos projetos mundiais mais sofisticados, já atingimos um nível de áudio para o automóvel com uma qualidade plenamente satisfatório até mesmo para o aúdiófilo bem exigente Página 51 Página 52