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Conexões e Montagem de Sistemas de Áudio

Álvaro Carvalho de Aguiar Neiva

Rio de Janeiro 2008

1. Introdução

Na figura abaixo, mostramos a representação de um sistema de reforço sonoro muito simples, cujo objetivo é fornecer a um alto-falante certo valor de potência elétrica a partir do sinal fornecido pelo microfone.

Atenuador Amplificador Alto-FalanteMicrofone

L a do

A c ú s t i c

L a do

A c ú s t i c

Lado elétrico

Atenuador

Lado elétrico Fig. 1

Uma representação esquemática como esta é muito útil ao planejarmos um sistema, especialmente aqueles mais complexos. Chamamos esta representação de diagrama de blocos. Nela, eliminamos detalhes que ainda não nos interessam tais como: tipo dos conectores, cabos usados ou detalhes da montagem física dos amplificadores e alto-falantes, que serão resolvidos posteriormente.

Podemos ver que neste sistema coexistem dois pontos de vista: um acústico e outro elétrico. Na fronteira entre os dois, existem o microfone e o alto-falante, que transformam a energia acústica em elétrica e vice-versa. Tecnicamente, chamamos a ambos de transdutores por transformarem um tipo de energia em outro. O microfone será o transdutor de entrada de nosso sistema e o alto-falante o de saída.

Um microfone fornece tensões de saída na faixa de 1 a 100 mVrms a uma impedância de carga entre 1000 e 10000 ohms, o que corresponde a potências entre 10-10 e 10-5 W, e alto- falantes precisam de tensões na faixa de 10 a 200 Vrms sobre impedâncias de 8 ou 4 ohms, correspondendo a potências entre 10 W a 104 W (10kW), durante seu funcionamento. Fica clara então a enorme necessidade de amplificação de tensão, corrente e potência para o funcionamento do sistema.

Este é um sistema que chamaremos de reforço sonoro, já que seu objetivo é fornecer um nível de pressão sonora em sua saída, o lado acústico correspondente ao alto-falante, maior que o emitido pela fonte que deverá existir no lado acústico correspondente ao microfone, ou seja, sua entrada.

Existe um fluxo de energia ao longo deste sistema, e seu sentido será: da fonte na entrada para o alto-falante ou carga, em sua saída. A energia que entra no sistema usualmente contém informação que nos interessa transmitir (música, locução e etc.) e então a chamamos de sinal. Existem em nosso sistema dois tipos de sinais: acústicos e elétricos. Os sinais elétricos que transportam a informação audível existente nos sinais acústicos são chamados sinais de áudio. Além do alto-falante, existirá um receptor, ou ouvinte, que irá interpretar a informação existente no sinal acústico emitido.

2. Definições

Para começar, vamos focalizar nossa atenção na cadeia de amplificação e, posteriormente, na cadeia de processamento de sinal que pode existir entre os dois transdutores do sistema.

Estaremos interessados neste texto principalmente em características elétricas tais como: ganho ou amplificação e as impedâncias de entrada e saída dos diversos subsistemas que compõem um sistema real formado por pré-amplificadores, equalizadores e amplificadores de potência. Pois são problemas elétricos que surgem ao interligarmos os equipamentos que constituem um sistema de sonorização. Ao falar dos transdutores (microfones e alto-falantes) teremos de lidar com grandezas acústicas como pressão sonora e níveis de pressão sonora e eletroacústicas como a sensibilidade de transdução.

Abaixo, a simbologia usada em nossos diagramas de sistemas eletroacústicos.

Amplificador

Microfone Alto-Falante

Atenuador

Processamento de Sinal

Transformador

Fig. 2

3. Sistemas Elétricos

Vamos fazer uma rápida revisão de eletricidade básica para definir vários termos que irão aparecer ao longo do texto e lembrar de algumas técnicas usadas para resolver ou analisar os problemas que aparecem.

Um sistema elétrico será composto por uma fonte de energia interligada a um conjunto de elementos formando o que chamamos de circuito ou rede. Em um sistema elétrico, as grandezas fundamentais são: tensão e corrente, a tensão, medida em volts (V) indica o trabalho realizado sobre as cargas elétricas ao passar entre dois pontos do sistema, e a corrente, medida em ampères (A), indica a quantidade de carga elétrica que passa por unidade de tempo (s). A razão entre a tensão e corrente contínua é chamada de resistência e tem por unidade o ohm (Ω).

Fontes de energia elétrica como pilhas e baterias fornecem uma tensão entre seus terminais que é uma constante em qualquer instante de tempo. Ao ligarmos um resistor aos terminais da pilha ou bateria, circulará uma corrente com valor e sentido também constante. Chamamos este tipo de comportamento da corrente em um circuito de Corrente Contínua (C).

Em um circuito de corrente contínua, o produto da tensão em volts (V) pela corrente em ampères (A) dá o valor da potência em watts (W) fornecida pela fonte e dissipada na resistência do circuito.

PEI=⋅ (watts)

O resistor é o componente que oferece oposição à passagem de corrente elétrica na forma de resistência. A potencia elétrica fornecida a um resistor é transformada em calor.

(ilustração da Wikipedia) Para um resistor ou elemento resistivo de resistência R:

Fontes de energia elétrica como as tomadas do sistema elétrico de uma residência ou a saída de um amplificador de áudio fornecem uma tensão elétrica que muda sua polaridade em função do tempo, fazendo com que a corrente fornecida mude de sentido. Chamamos corrente com este tipo de comportamento de Corrente Alternada (CA). Uma fonte de tensão que muda de valor e polaridade em função do tempo é chamada de fonte de tensão alternada. O gráfico da variação em função do tempo da tensão é chamado de forma de onda.

Um exemplo de tensão alternada é a da rede elétrica da concessionária local (aproximadamente senoidal). A variação com o tempo tem um padrão que se repete periodicamente, chamado ciclo.

Se a tensão completa 60 ciclos por segundo, sua freqüência será então de 60 Hz (hertz). O período (T) em segundos(s) é o intervalo de tempo em que um ciclo se completa e é igual ao inverso da freqüência (f) em Hz.

Tempo

E ( V ) Corrente Alternada

A potência em um circuito elétrico é dada pelo produto da tensão aplicada e(t) pela corrente i(t) que flui (potência instantânea).

valor médio diferente de zero

A potência em um circuito de corrente alternada varia com o tempo, mas pode ter um

O valor rms ou eficaz de uma tensão ou corrente alternada e(t) é o valor constante

(C) que dissiparia a mesma potência média em um resistor que a tensão alternada considerada. Corresponderia ao traço vermelho da figura 3.

Observe no gráfico da tensão alternada da figura 3 o valor de pico (máximo) igual a 179

V (magenta) e o valor eficaz ou rms de 127 V marcado em vermelho. A razão entre estes dois valores (pico e eficaz) é uma função da forma de onda do sinal e uma característica dos sinais chamada Fator de Crista, definida para sinais com nível médio igual a zero.

Para uma senóide, esta razão é de √2 ou 1,414 aproximadamente.

A razão, considerando a diferença de fase, entre tensão e corrente em um elemento de um circuito é chamada de impedância, que é a oposição à passagem da corrente que o elemento ou componente oferece. Assim, quando aplicamos uma determinada tensão a um elemento de circuito, a corrente que irá circular dependerá do valor da impedância oferecida pelo elemento. A unidade da impedância é o ohm.

A impedância pode ser composta por duas parcelas:

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