Como Funcionam os Alto-Falantes (ART1388)

Um dos componentes mais usados na reprodução sonora é o alto-falante comum de bobina móvel. Na verdade, quando se deseja uma boa potência de áudio como em sistemas de som, sonorização ambiente, som automotivo, o melhor recurso para se obter altas potências de uma forma eficiente e barata é ainda o alto-falante. Como funcionam os alto-falantes de bobina móvel é o que veremos nesse artigo.

Os alto-falantes comuns são transdutores que convertem energia elétrica em energia acústica. Em outras palavras, eles recebem um sinal elétrico que tem a freqüência e a forma de onda de um e o convertem nesse som, conforme mostra a figura 1.

 


 

 

 

O tipo mais comum de alto-falante usado atualmente é o de bobina móvel. Trata-se de um transdutor eletrodinâmico bastante eficiente que tem a estrutura básica em corte mostrada na figura 2.

 


 

 

 

Nesse tipo de alto-falante existe uma bobina de fio de cobre esmaltado enrolada num tubinho que é preso ao cone do alto-falante. o cone pode ser de papelão ou plástico e tem um sistema de suspensão que permite que ele se movimente para frente e para trás.

A bobina está posicionada em torno de uma peça de metal, denominada peça pola, podendo se mover mas sem tocar nela. O movimento é para frente e para trás.

A peça polar está em contacto com um potente imã permanente de modo que ela concentra em torno da bobina esse campo, conforme mostra a figura 3.

 


 

 

 

Quando uma corrente que tenha freqüência e forma de onda correspondente ao som que deva ser reproduzido percorre a bobina, um campo magnético com as mesmas características é criado.

Esse campo interage com o campo do imã concentrado na peça polar de tal modo que surgem forças proporcionais que tendem a movimentar a bobina e consequentemente o cone.

Assim, as forças são no sentido de fazer o cone vibrar, indo para frente e para trás, mas reproduzindo exatamente a forma de onda do sinal aplicado.

A consequência disso é que o cone se movimenta empurrando e puxando o ar em sua volta de modo a produzir ondas de compressão e descompressão do ar, ou seja, ondas sonoras, conforme mostra a figura 4.

 


 

 

Na prática, devido a elasticidade do material usado no cone e também devido às próprias características das ondas acústicas, a reprodução do som num alto-falante ocorre de forma mais intensa em certas zonas, conforme a freqüência do som.

Por esse motivo, conforme mostra a figura 5, temos uma reprodução mais intensa dos agudos na região central enquanto que os médios ficam na região intermediária e os graves na periferia.

 


 

 

 

Esse comportamento faz com que os alto-falantes tradicionais tenham dimensões que correspondam justamente á faixa de sons que devam ser reproduzidas.

 

Tipos de Alto-Falantes

Para os sons agudos, por exemplo, os alto-falantes recomendados são de pequenas dimensões. São os denominados “ tweters” .

Tecnologias modernas permitem obter altos falantes de agudos com transdutores piezoelétricos, mas existem ainda tipos de bobinas.

Esses alto-falantes se destinam à reprodução da faixa de freqüências que tipicamente vai dos 5 000 Hz aos 15 000 Hz.

Para os sons médios existem os “mid ranges” que são alto-falantes relativamente pequenos que se destinam à reprodução de sons entre 500 e 5 000 Hz.

Temos ainda os “ woofers” e “sub woofers” que são alto-falantes pesados e grandes que se destinam à reprodução dos sons graves ou sons de baixas frequências como os sons de explosões, terremotos e outros muito apreciados no home-theater.

Esses alto-falantes exigem potências elevadas para um bom desempenho, conforme mostra a figura 6.

 


 

 

 

Um tipo interessante de alto-falante encontrado no carro e em sistemas de som doméstico é o full range. Esse alto-falante tem uma reprodução razoável em toda a faixa de frequências, sendo por isso uma alternativa econômica para sons que não precisem ou não possam ter três alto-falantes.

Finalmente temos o “ extended range”, encontrado principalmente em carros, que reproduz graves e médios, sendo usado em conjunto com um tweeter para a reprodução dos agudos.

Tecnologias modernas, entretanto, possibilitam a construção de alto-falantes extremamente compactos mas com uma curva de resposta muito ampla, alcançando alto rendimento em quase todas as frequências do espectro audível.

 

Ligando Alto-Falantes

A principal característica elétrica dos alto-falantes é a sua impedância. Na verdade, os alto-falante possuem uma impedância que depende da frequência conforme mostra a figura 7.

 


 

 

 

O valor nominal da impedância de um alto-falante normalmente é dado para o ponto da característica em que ela é menor, o que costuma estar em torno de 1 kHz.

Os alto-falantes comuns são dispositivos de baixas impedâncias com valores típicos como 3,2 Ω, 4 Ω, 8 Ω 16 Ω, etc.

Veja que se trata de uma impedância e não da resistência que o alto-falante deve apresentar quando o testamos com o multímetro, conforme mostra a figura 8.

 


 

 

 

O multímetro mede a resistência ohmica da bobina ou seja, sua resistência em corrente contínua, um valor normalmente muito menor do que a impedância.

Conhecer a impedância de um alto-falante é de fundamental importância para que possamos usá-lo sozinho ou associado a outros alto-falantes num sistema.

Conforme mostra a figura 9, um amplificador entrega sua máxima potência a um alto-falante quando as impedâncias são iguais. A impedância de saída do amplificador deve ser a mesma que a do sistema de alto-falantes.

 


 

 

 

Se ligarmos à saída de um amplificador um alto-falante ou caixa de som que tenha impedância menor do que a da saída do amplificador, haverá uma sobrecarga dos circuitos de saída com a possível queima de componentes ou ainda atuação do sistema de proteção, impedindo o funcionamento.

Por outro lado, se ligarmos à saída de um amplificador uma caixa ou alto-falante com impedância maior, o sistema funcionará normalmente mas com menor potência máxima.

Um outro ponto importante a ser observado nos alto-falantes é a sua fase, dada por uma marca nos terminais de ligação, normalmente um símbolo (+).

O que ocorre é que, o sentido de circulação da corrente na bobina de um alto-falante determinará o sentido do movimento do cone.

Assim, conforme mostra a figura 10, se o sinal for positivo no terminal (+) em determinado instante, o movimento do cone será para frente.

 


 

 

 

Se o sinal aplicado ao terminal (+) num determinado instante for negativo, o movimento do cone será para trás.

O conhecimento da fase de alto-falantes é muito importante quando temos um sistema com diversos deles, conforme mostra a figura 11.

 


 

 

 

Devemos cuidar para que todos os alto-falantes estejam em fase, pois se num determinado instante quando a polaridade do sinal for uma alguns cones de alto-falantes se movendo para frente e outros para trás provocarão uma interferência destrutiva que afetará a qualidade do sinal.

Conforme mostra a figura 12, em que temos alto-falantes ligados em conjunto, a fase de todos eles deve ser a mesma.

 


 

 

 

É por esse motivo que os fios de conexão à caixas acústicas e mesmo sistemas de som normalmente são de duas cores, vermelho e preto, sendo o fio vermelho sempre ligado ao terminal (+) do alto-falante ou da caixa.

Finalmente, devemos falar da potência de um alto-falante. Para esse assunto vamos antes comentar o modo como essa grandeza é especificada, e que em alguns casos é de forma enganosa.

A potência real ou quanto de energia por segundo um sistema amplificador entrega a um alto-falante é dada em termos RMS ou Root Mean Square que traduzido significa valor médio quadrático.

Se levarmos em conta um sinal senoidal, que corresponde a um som puro, esse valor corresponde a aproximadamente 0,707 do valor máximo que sinal atinge num semiciclo, conforme mostra a figura 13.

 


 

 

 

Trata-se, portanto, de uma média que indica o valor real ao longo de todo o semiciclo do sinal.

No entanto, os fabricantes de equipamentos de som descobriram que podiam “aumentar” o valor da potência especificada pelos seus equipamentos se em lugar de indicarem a potência rms indicassem o valor de pico (peak).

Isso dava lhes um ganho razoável no número usado na propaganda, é claro sem mudar nada no som reproduzido.

Assim, um amplificador de 70 W rms se tornava um amplificador de 100 W de pico! (justificando eventualmente um preço mais alto).

Mas, a coisa não parou por aí. Vemos que se pegarmos o pico da potência num semiciclo, conforme mostra a figura 14, por uma fração extremamente pequena de tempo, o amplificador praticamente descarrega o capacitor de filtro de sua fonte no alto-falante, produzindo um pico de potência instantânea muito maior que o próprio valor de pico.

 


 

 

 

Esse pico pode chegar a 4 vezes a potência de pico, se bem que seja tão curto que não represente acréscimo perceptível no que ouvimos.

No entanto, para os fabricantes esse pico é importante porque pode ajudá-los a ‘”vender” a falsa idéia de que seu amplificador é muito mais potente do que é realmente...

Os fabricantes passam então a usar o termo PMPO para indicar esse valor instantâneo da potência.

Assim, nosso amplificador de 70 Wrms (real) que se tornou 100 w de pico, passa a ter 400 W pmpo e até mais, conforme o modo como seja feita a medição...

Nada mudou no amplificador que continua o mesmo, mas a propaganda cresce a potência e o vendedor tem mais argumentos para vender o produto aos que nada sabem...

Já chegamos a pegar uma caixa amplificada para computadores com um amplificador de 3 W no interior (rms) que era anunciada como 100 W de potência (pmpo).

Para os alto-falantes é comum que as potências sejam especificadas nos dois termos. O leitor deve ter cuidado pelos seguintes motivos.

O primeiro é que um alto-falante não vai fornecer a potência indicada se o amplificador não a tiver.

Assim, de nada adianta você ligar um alto-falante de 100 W num amplificador de 10 W. O alto-falante só vai reproduzir 10 W de potência.

O segundo motivo é que o alto-falante deve ser capaz de suportar a potência fornecida pelo amplificador, dando-se, é claro, uma margem de segurança.

Se o seu equipamento de som fornece 100 W rms você precisa usar uma caixa ou alto-falantes que suportem pelo menos 100 W rms.

É claro que se o sistema tiver vários alto-falantes a potência do amplificador vai se dividir entre eles.

Uma margem de segurança é recomendada, para que os alto-falantes não trabalhem no limite o que pode causar aquecimento excessivo de suas bobinas ou sobrecarga do sistema mecânico, danificando-o em pouco tempo.

 

Fones de Ouvido

Atualmente, existem pequenos fones de ouvido dinâmicos que nada mais são do que pequenos alto-falantes de muito baixa potência, conforme mostra a figura 15.

 


 

 

 

A potência deles é da ordem de 500 mW ou 1 W tipicamente e eles podem ter impedâncias que variam entre 8 Ω e 600 Ω. Seu princípio de funcionamento e os cuidados com seu uso também.

 

Conclusão

Os alto-falantes ainda consistem na solução mais adotada para a reprodução de som em sistemas de todos os tipos.

No entanto, como qualquer componente eletrônico, os alto-falantes possuem especificações que devem ser observadas com cuidado.

Nesse artigo vimos como interpretar essas especificações em função do funcionamento desses componentes além de alguns cuidados que devem ser tomados com seu uso.

 


Note
De noite os defeitos se ocultam.
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