Alto-falantes e caixas acústicas

10 de fevereiro de 2011

São o elo mais fraco da cadeia de reprodução de áudio. Modelos recentes ainda se baseiam em princípios estabelecidos no início do século passado.

Não existe para mim assunto mais fascinante e mais complexo em áudio do que o design e a construção de alto-falantes e das respectivas caixas acústicas. Existem miríades de parâmetros envolvidos na construção dessas peças, e apesar disso, elas exercem a mesma função: criar ondas acústicas, através da compressão e rarefação do ar ambiente.

Até hoje, apesar de significativos avanços na área, a construção de alto-falantes continua a ser inacreditavelmente centrada em princípios antigos, alguns vindos do século 19 e outros da primeira metade do século 20. E o que é mais surpreendente é que, de todos os elementos da formação da cadeia de reprodução, o elo mais fraco continua a ser a ponta final da cadeia, onde as caixas acústicas se inserem.

Alguém disse, não me lembro aonde li, que a criação de alto-falantes e caixas é 1/3 ciência, 1/3 arte e 1/3 marketing, porque muitos dos nomes de fantasia que os fabricantes inventam para os seus produtos na prática não têm qualquer consequência ou importância evolutiva.

Apesar de ter montado eu mesmo alguns projetos de caixa décadas atrás, não me aventuro e nem me atrevo a entender do assunto. O que, aliás, nunca me impediu de apreciar o que eu julgo ser adequado ou melhor para mim. E isso é, em última análise, o motivo pelo qual eu acredito que qualquer pessoa pode, dentro de limites, escrutinizar e depois escolher as caixas acústicas que melhor lhe convém, sem fazer pós-graduação no assunto.

As bases do funcionamento

Foi Alexander Graham Bell, inventor do telefone, quem primeiro patenteou um aparelho capaz de reproduzir a voz humana, em 1876. Este equipamento é na verdade um transdutor, para transformar energia elétrica em ondas acústicas geradas por um diafragma.

Em 1898, o físico britânico Sir Oliver Lodge iria patentear a bobina móvel, base da construção de alto-falantes e das cápsulas magnéticas usadas em toca-discos analógicos. Entretanto, sua invenção não teria aplicações práticas, até que a válvula termoiônica e os primeiros amplificadores fossem desenvolvidos no início do século 20.

Posteriormente, em 1924, coube a Chester Rice e Edward Kellog a elaboração de trabalhos pioneiros para o desenvolvimento e o aperfeiçoamento do uso da bobina móvel, que possibilitaram a criação do que se chama hoje de alto-falante de radiação direta. O termo alto-falante ficou cunhado a partir da necessidade de se criar um transdutor capaz de tocar um som amplificado.

Toda a parte física que impulsiona os cones ou diafragmas dos alto-falantes é chamada de “motor”. Cada unidade tem o seu motor próprio, e este pode ser aperfeiçoado de modo a aumentar o rendimento da mesma, ou seja converter o máximo de energia possível em som, com um mínimo de perda desta energia na forma de calor.

Os alto-falantes, também chamados de drivers, são a alma das caixas acústicas. A sua função é executar um movimento de vibração do ar, alimentado por uma corrente elétrica variável. Este movimento é semelhante ao de um pistom, deslocando quantidades de ar proporcionais aos sons que o alto-falante vai reproduzir. O movimento de excursão do cone ou diafragma será tão mais longo quanto mais baixa for a freqüência de origem do sinal.

Os alto-falantes de graves (woofers) terão excursão máxima, enquanto que os de médios (mid-range speakers ou squawkers) terão uma excursão de cone bem menor e os de agudos (tweeters) terão excursão mínima.

A velocidade dessa excursão é também um importante parâmetro no discernimento do bom alto-falante. De um woofer, por causa da freqüência ser baixa, a excursão do cone ou diafragma mais lenta é esperada. No lado oposto, uma alta velocidade de excursão é exigida dos tweeters, sob pena de se criar distorção da onda musical.

A discrepância de velocidade de excursão entre unidades diferentes pode gerar uma incompatibilidade de reprodução entre elas. Isto é particularmente relevante quando caixas diferentes são misturadas em um mesmo ambiente. Uma forma um pouco desajeitada de contornar isso é o uso do chamado alto-falante de faixa ampla (full range), que se propõe a reproduzir todo o programa musical sem compartilhá-lo com outra unidade.

Sub-woofers e Ultra-tweeters

Faixas de freqüência abaixo e acima do espectro normal de audição requerem sistemas específicos. Em se tratando de alta freqüência ultra-sônica (acima de 20 kHz) é preciso implementar um driver desenhado especificamente para esta faixa de reprodução. Este alto-falante é chamado de ultra-tweeter. Em vários projetos de caixas acústicas a transição entre o tweeter convencional e o ultra-tweeter se dá em torno de 18 kHz, aproximadamente.

Em se tratando de freqüências muito baixas, é preciso construir uma caixa acústica especializada. O sub-woofer nada mais é do que uma caixa acústica construída a partir de um ou mais woofers, cujas características eletro-mecânicas são apropriadas para freqüências abaixo de 40 Hz. Em casos específicos, é possível se construir um infra-woofer, destinado a reproduzir 30 a 20 Hz ou abaixo, com mais eficiência.

Tanto o sub-woofer quanto o infra-woofer devem ser alimentados por amplificadores próprios. Em função disso, o sub-woofer comercial já é vendido com o seu amplificador embutido. A quantidade de energia exigida para movimentar um sub-woofer é alta, de tal forma que amplificadores com 150 a 250 watts RMS, e com picos em torno de 400 a 500 watts RMS, costumam ser utilizados. Quando inseridos em um sistema de reprodução de programas com alto conteúdo de baixa freqüência, o sub-woofer alimentado autonomamente tira toda a carga dos amplificadores principais e evita que os mesmos estressem ou queimem.

Aperfeiçoamentos diversos

Idealmente, todo alto-falante deveria ter uma superfície uniforme de radiação de energia. Os sonofletores isodinâmicos são desenhados com este tipo de objetivo. Eles usam uma superfície plana, ao invés de um cone, e podem responder a uma ampla faixa de freqüências.

Nos alto-falantes feitos com cones, o uso de papel prensado foi substituído por outros componentes, ou então dopado com polímeros diversos. Esta dopagem tem como objetivo aumentar a rigidez da superfície, para evitar o aumento de pontos de quebra deste material e a introdução de distorção. Além disso, algumas ligas, feitas com materiais diversos, fornecem rigidez ao cone, ao mesmo tempo em que diminuem a sua massa. Cones mais leves são impulsionados com menos esforço pelo motor da unidade, ao mesmo tempo em que aumentam a precisão na reprodução de algumas freqüências.

A dopagem das superfícies e a elaboração de novas ligas metálicas têm melhorado consideravelmente a qualidade do som obtido nas caixas acústicas mais recentes, incluindo aquelas comercialmente populares. Cada um destes materiais, entretanto, tem o que os especialistas chamam de “assinatura”, que seria o som criado artificialmente por eles próprios. Existem relatos de designers tentando mostrar que até mesmo os especialistas e ouvintes dedicados tendem a não ouvir ou ignorar essas assinaturas, preferindo atribuir a percepção de quaisquer colorações a outros fatores.

Um significativo melhoramento nos motores dos drivers é a montagem da bobina móvel em forma de materiais capazes de aguentar a dissipação de energia calorífica alta. Um exemplo disso é a forma de Kapton©, que é capaz de aturar até 350 ºC. Independente disso, novos designs favorecem a dissipação de energia calorífica em diversos pontos das unidades, de modo a evitar qualquer dano às mesmas.

As separações das faixas de reprodução

Em qualquer caixa acústica não basta que os alto-falantes sejam capazes de reproduzir faixas de freqüência distintas. Para o correto funcionamento dessas caixas, é também preciso dividir o sinal de entrada em faixas de freqüências separadas. Esta divisão tanto pode ser feita externamente, com o uso de um divisor ativo (alimentado eletricamente) ou dentro das caixas, através de um divisor passivo.

É importante assinalar que, diante da complexidade de funcionamento de cada unidade de alto-falante contida na caixa, é necessário introduzir filtros específicos, ao lado das respectivas divisões das faixas de freqüência.

Designs de divisores sem contemplar o funcionamento específico e as características eletromecânicas dos seus transdutores acabam por tornar medíocre o funcionamento das caixas, independente da qualidade potencial de cada alto-falante.

Desnecessário dizer que o design de um divisor é um trabalho onde a capacidade técnica do designer se alia à sua criatividade, ou seja, tem muito de uma obra de arte envolvida neste tipo de projeto.

Alto-falantes planares

Bastante aceitos pela comunidade de áudio, principalmente pelos seus membros de melhor poder aquisitivo, os alto-falante planares se distinguem dos demais pelas suas características isodinâmicas, aliadas à sua capacidade de reprodução de uma faixa maior de freqüência por unidade. O que não quer dizer que os seus construtores e proponentes não possam criar unidades dedicadas, como tweeters planares, montados em separado na mesma caixa.

A empresa Magnepan foi uma das primeiras a trabalhar com alto-falantes planares, os painéis chamados de Magneplanar. O design original sofreu evoluções diversas, com a empresa voltando recentemente os seus olhos para a instalação de home theaters e custo menor por unidade.

Outras empresas, com designs similares, como a Apogee, trabalham com painéis de fita (ribbon) e costumam coabitar alto-falantes convencionais, como, por exemplo, woofers, para estender a faixa de reprodução dessas unidades.

O casamento entre unidades convencionais e painéis diversos costuma ser complicado. Historicamente, painéis eletrostáticos, os melhores nesta categoria, têm deficiências na reprodução de graves e acabaram obrigando os seus fabricantes a criarem soluções para contornar este tipo problema.

Alto-falantes de Plasma

Os alto-falantes de plasma chegaram a acender (sem trocadilho) uma chama de esperança naqueles que imaginavam se tratar de uma tecnologia que iria resolver, em definitivo, problemas cruciais na reprodução de alta freqüência.

Infelizmente, uma série de problemas emperrou o desenvolvimento dos mesmos, entre os quais a poluição de ozônio provocada no processo de ionização do ar. Aqui cabe um esclarecimento aos não iniciados em química: a molécula do oxigênio energizada é potencialmente capaz de destruir substâncias orgânicas, particularmente aquelas cuja estrutura inclui ligações duplas entre carbonos. Na prática, isto significa que a emissão de ozônio em ambientes fechados ou semi-abertos pode provocar danos irreparáveis à vasculatura humana, mesmo em quantidades moderadas.

Dispersão vertical e horizontal

Um conceito útil para quem precisa montar um som decente em casa, mas não quer se envolver com uma tecnologia complicada é conhecer a capacidade de dispersão vertical e horizontal do som transmitido pelas diversas caixas acústicas.

A dispersão de um tipo ou de outro é determinada pela maneira como os alto-falantes são montados nas caixas, além do design do gabinete onde eles se encontram. Em alguns arranjos de caixas, a dispersão horizontal é maior do que a vertical. Este é o caso das caixas feitas para o uso como canal central.

Em outros tipos de design, a situação é oposta: nas caixas frontais, por exemplo, a dispersão horizontal só tem relevância no aspecto da posição relativa aos ouvintes. Quando muito baixa, a caixa perde foco e coesão de espaço com as caixas adjacentes.

Uma forma de minimizar isso é angular as caixas frontais em relação a um ponto principal de audição. O ângulo deve ser mudado para dentro do espaço de audição, até que a reprodução fique o mais uniforme possível nas posições de assento em frente às mesmas.

As dispersões horizontais e verticais também são importantes no design das caixas surround: caixas omnipolares e bipolares têm melhor performance neste quesito do que as caixas de radiação direta.

Cuidados na instalação

Os alto-falantes devem ter o mínimo de interação com o gabinete onde eles são instalados. O material usado para esses gabinetes deve ser o mais inerte possível, de modo a evitar que eles vibrem junto e produzam colorações na forma de distorção de onda. Nem todo fabricante dá bola para este detalhe, e portanto é sempre bom ter cuidado.

Da mesma forma, as caixas propriamente ditas devem interagir o mínimo possível com o suporte na qual elas são instaladas. Existem suportes comerciais de boa qualidade, mas alguns exageradamente caros. Caixas do tipo das caixas do tipo bookshelf se beneficiam de bons suportes. Uma solução eficaz e bem mais barata é mandar montar um suporte de granito ou pedra semelhante. A outra é usar os chamados spikes, que são pequenos adaptadores dotados de uma ponta que sustenta, em quatro pontos opostos, o gabinete em cima de uma superfície qualquer.

Caixas tipo torre, com ampla reprodução do espectro auditivo, não dispensam o uso de um sub-woofer. Na realidade, uma maior extensão na parte de graves pode até facilitar o casamento entre elas e o sub. O usuário pode, por exemplo, deixar o corte de freqüência no ponto mais baixo que a caixa é capaz de reproduzir e o restante fica com o sub-woofer. E nos casos de programas com LFE (o “.1”) é preferível fazer um ajuste separado, nos decodificadores cujo bass management assim o permite. O LFE é um canal de graves com amplitude alta. Qualquer sobrecarga na reprodução pode danificar as caixas principais.

Escolha de caixas

A escolha de caixas é muito pessoal e é por isso que eu sempre evito dar conselho, até mesmo aos amigos mais chegados, sobre isso. O usuário deve, entretanto, tomar alguns cuidados:

Evitar caixas com desequilíbrio tonal muito acentuado. Caixas com exagero na reprodução de médios e agudos, regiões nas quais o ouvido humano é mais sensível, podem causar fadiga auditiva e em casos extremos até surdez progressiva.

Eu estou para ver e ouvir alguma caixa acústica ou até mesmo painéis caros e sofisticados que tenham desempenho perfeito. Em geral, mesmo que os defeitos sejam notados, o ouvinte se habitua a eles e os descarta (ignora) cerebralmente. É por isso importante que cada ouvinte escolha e instale as caixas que agradem aos seus ouvidos, e não aos ouvidos do seu amigo que ele considera um expert em áudio.

Costuma se dizer que, quando o som tem boa qualidade, a presença física das caixas não é percebida no ambiente. E este é, sem dúvida, um bom indicativo de que se está no caminho certo! [Webinsider]

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10 respostas para “Alto-falantes e caixas acústicas”

  1. bruno disse:

    SOBRE O COMENTARIO ACIMA: É PRECISO LIGAR OS DOIS SISTEMAS NA MESMA FONTE DE AÚDIO PARA TOCAREM JUNTOS E REGULAR O VOLUME INDEPENDENTE PARA HARMONIZAR.

  2. bruno disse:

    SOU AUDIOPHILO OBESSISSO DESDE QUE NASCI E AFIRMO:

    1) EQUALIZAÇÃO É FUNDAMENTAL PARA ALCANÇAR A ALTA-FIDELIDADE E PERFEITA TONALIZAÇÃO, MESMO EM EQUIPAMENTOS CAROS. TRATA-SE DE ARTE E TECNICA, MUITO MAIS IMPORTANTES QUE O SIMPLES POSICIONAMENTO DE CAIXAS. EXISTEM EQUALIZADORES de 10 BANDAS POR 350 REAIS.

    2) O MAIS DIFICIL É ENCONTRAR WOOFERS QUE HARMONIZEM O LOW MID-RANGE COM O SUBWOOFER. A ALMA DO SOM ESTÁ NO LOW MID-RANGE. SE O EQUIPAMENTO QUE COMPRAREM ESTIVER COM O SOM “SECO” NAS BATIDAS DOS GRAVES E POUCO VOLUME NOS BAIXOS DE GUITARRA, VOZES MASCULINAS, REGIÕES GRAVES DOS PIANOS ETC, COMPREM UM 2.1 OU 5.1 BARATINHO QUE TENHA SUBWOOFER PEQUENO (4 OU 5 POLEGADAS) QUE GERALMENTE ELES SÃO MAIS INCORPADOS NESSAS FAIXAS DE FREQUENCIA E AJUDAM A HARMONIZAR.

  3. Paulo Roberto Elias disse:

    Oi, Celso,

    O que varia é o método de mixagem decidido em comum acordo com o diretor do filme. O design de trilhas sonoras e de efeitos sonoplásticos valem Oscars, e técnicos como Ben Burtt (para falar dos mais recentes) ou Murray Spivack (para falar de um pioneiro) ganharam fama no métier por causa disso.

    Quanto a 2001, a decisão agora quanto à sua publicação é do nosso editor. Por favor, aguarde.

  4. CELSO DANIEL DA SILVA disse:

    Bom dia, Paulo,
    De som pouco entendo. Sou um “ouvinte” atento, principalmente nas trilhas dos filmes. Dia destes vendo “O Livro de Eli”, com Denzel Washington, observei a riqueza de áudio nos canais sorround do meu home teather Sony com 600watts RMS, no volume 50 que vai até o 65. Então fico matutando: muitas fitas, embora sejam em 5.1 canais tem pouca ressonância nesses canais, muitas vêzes, quase imperceptíveis. O que ocorre?
    Aguardamos com grande expectativa a publicação do texto sobre “2001”.
    Abraço.

  5. Paulo Roberto Elias disse:

    Olá Renato,

    Muito obrigado pela leitura e parabéns pelo seu site. É sempre bom conhecer pessoas envolvidas de fato e por paixão com o áudio.

    Você tem toda a razão quando se refere ao fato de que, apesar do relativo pouco avanço, todos os métodos de cálculo e extrapolações conseguidas com computadores levaram a projetos muitíssimo mais interessantes.

    Quanto ao texto, é preciso levar em conta que o aprofundamento do assunto tem uma tendência a excluir um maior número de pessoas da leitura, e isso é muito ruim. Antes de escrever esta parte do texto, eu conversei muito com um amigo meu que, como você, é um audiófilo que gosta de executar seus próprios projetos, ao lado do áudio comercial no qual ele investe. E eu disse a ele que faria alguma coisa bem “light”, mas não ao ponto de desinteressar outras pessoas, que estão de alguma forma envolvidas no hobby. Por isso, eu deixei de propósito aprofundar um pouco mais o nível de informação do texto na segunda parte, e esperando que dê certo.

    Eu tenho certeza, e creio que você também, que muito da tecnologia de alto-falantes e sonofletores em geral ainda vai ocupar as nossas mentes por mais um longo período de tempo.

    Na minha experiência com isso, que não é lá grande coisa, eu já vi projetos excelentes, ao lado de outros, que de excelentes só tem mesmo a fama nas revistas e no conceito de pessoas desta comunidade. Já ouvi muita caixa de marcas com grande reputação dar vexames inacreditáveis.

  6. Renato disse:

    Caro Paulo Roberto Elias,

    Tudo bem? Parabéns por escrever um texto de forma simples e didática (e isso é para poucos) sobre um tema tão vasto e complexo. Esse é um dos poucos textos que gosto e que não está publicado em alguma revista especializada. Parabéns mesmo!

    Concordo com muito do que falou, ao meu ver, faltou apenas mencionar algo curioso. Se por um lado os alto-falantes não evoluiram muito, por outro lado o “entendimento” deles nos possibilita hoje ter uma visão matemática muito apurada de seu comportamento.

    Graças aos estudos fantásticos desenvolvido por Thiele/Small (http://pt.wikipedia.org/wiki/Thiele/Small) e com o avanço dos sistema computacionais já é possível modelar e desenvolver caixas de altíssima performance sem que seja necessário todo o empirismo usado no passado e isso faz toda a diferença.

    Sou autodidata e tenho nisso apenas um hobby e por conta disso, já tive o privilégio de ter em mãos verdadeiras jóias modernas, sempre visando qualidade e fidelidade.

    Tenho até um pequeno site sobre o tema que peço humildemente a sua visita, onde mostro algumas de minha criações: http://www.diyaudio.com.br

    Curiosidade: Tenho alguns alto-falante da década de 60 em pleno funcionamento ainda e mesmo hoje, são tidos como espetaculares, um amigo tem uma referência curiosa quando diz quem em 1965 um Mustangue era vendido ao preço equivalente de 13 Altecs Tops… vai entender.

    Parabéns!!!!!!

    Renato

  7. Paulo Roberto Elias disse:

    Nolan,

    Os projetos de livro para os quais eu fui convidado a participar não decolou nenhum. As pessoas combinam com entusiasmo, mas não têm tempo, e não sou eu quem vai ficar cobrando ou insistindo.

    Agora, imagina eu me meter em uma empreitada dessas sozinho. Eu tenho por experiência de que livro técnico raramente dá dinheiro, eu não tenho espírito de comerciante, ou seja, eu não sei me auto-promover ou arquitetar fórmulas para conseguir alguma coisa nesta direção.

    Por outro lado, eu venho sentindo o peso da idade. Não quero virar escravo do trabalho outra vez, e dentro do possível eu quero aproveitar o que sobrou de útil da minha vida. E é por isso que eu venho declinando sistematicamente qualquer estímulo dos amigos para me envolver em mais um projeto literário, e na esperança de não parecer antipático ou esnobe!

  8. Nolan Leve disse:

    Muito bom.Artigo perfeito.Eu acho,Paulo,que você deveria reunir teus escritos e publicar um livro.Sempre achei isto e volto a recomendar.

    Abração

  9. Paulo Roberto Elias disse:

    Oi, Deny,

    Obrigado pela leitura e pelo elogio.

    Aproveito para lhe avisar e a todos os leitores que este texto terá uma seqüência, que será publicada oportunamente, com dados um pouquinho mais aprofundados, e, espero eu, úteis, sobre alto-falantes e caixas.

    Aproveito também para comunicar aos leitores que me pediram um texto com a revisão do filme “2001, uma odisséia no espaço” que o mesmo está pronto, aguardando data para publicação.

  10. Deny Dias disse:

    Uau! Que texto lindo! Tomara que muita gente leia-o e que sirva para derrubar muitos mitos sobre falantes e caixas. Ah se o povão soubesse como é bom ouvir um som equilibrado…

    Como descendente de uma linhagem de audiófilos, aprendi cedo que não se faz uma caixa acústica boa com o preço que ela custa, apesar de entender que existem caixas bem caras que entregam o que prometem (mas que precisam de um ambiente que acompanhem seu preço).

    Há onze anos possuo um par de caixas minúsculas (SP-UX7000, com meros 12,5×16,5x17cm LxAxP) que acompanha um ultra-micro system da JVC (UX-7000) e um sub SP-PW3000. Esse equipamento ficou com meu pai nos últimos seis anos e há menos de um mês peguei de volta pro meu quarto. Me impressionei novamente, como há onze anos atrás. Que beleza de som!

    Tanto as caixas quando o sub são robustos, sólidos. As caixas produzem pouquíssima vibração em suas estruturas e o sub nenhuma vibração. Uso esse setup em um quarto pequeno (não mais do que 10m2), com boa separação e posicionamento adequados. A equalização é o mínimo necessário para corrigir as discrepâncias inerentes dos full ranges da vida. É claro que já ouvi coisas em ambientes muito melhores, mas para o preço que isso custou e a durabilidade desses componentes, o benefício é surpreendente!

    Gostaria que todos, ou pelo menos muito mais pessoas, pudessem curtir suas músicas e filmes favoritos com uma acústica dessas.

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