Os alto-falantes têm sido a forma padrão de reproduzir sinais de áudio desde o início dos anos 1920. Com o tempo, eles evoluíram tecnicamente e, com o advento do streaming de música de alta qualidade e alto-falantes inteligentes, estão aumentando em número. Para reprodução fiel de música de alta qualidade, a próxima geração de alto-falantes está incorporando uma série de recursos de design avançados. Neste artigo, investigamos algumas das técnicas empregadas para melhorar a fidelidade da reprodução de áudio.
Por Tony Ives para a Mouser Electronics
Publicado em 10 de janeiro de 2020 – Traduzido em novembro de 2021 para o INCB com permissão da Mouser Electronics
Projetos ativos de última geração
Muitos alto-falantes modernos são unidades ativas. Nesses projetos, o sinal de áudio é dividido em duas bandas de frequência na entrada, por filtros eletrônicos "ativos" ou "cruzados". A vantagem de dividir o sinal neste ponto em vez de usar um crossover "passivo" sem alimentação, alimentado pelo sinal do amplificador na extremidade do alto-falante, é a eficiência. Os crossovers passivos usam componentes de alta voltagem e ineficientes que drenam grande parte da energia do amplificador. Enquanto isso, um filtro crossover ativo pode ser projetado com mais precisão e menos perdas. Há um controle independente sobre o nível do sinal de saída - proporcionando uma combinação simples do crossover para as sensibilidades individuais da unidade de acionamento. O desempenho do filtro ativo não é afetado por mudanças na impedância da unidade de acionamento. Essas mudanças podem ser o resultado do aumento da temperatura na bobina de voz da unidade de acionamento, que no caso de um crossover passivo, pode alterar o ponto de crossover e potencialmente introduzir distorção. As duas bandas de frequência discretas - a saída dos crossovers - são então alimentadas em dois amplificadores separados: um para o driver de alta frequência (tweeter) e uma para o driver de média / baixa frequência (woofer). Usando dois amplificadores separados desta forma, ambos operam em uma largura de banda limitada, o que reduz a distorção de intermodulação. O uso de amplificadores de potência supereficientes de classe D, com processamento de sinal digital (DSP) embutido, é comum. O DSP é usado para otimizar a saída e proteger os drivers. Esses designs ativos utilizam a proliferação de circuitos integrados (ICs) amplificadores de áudio de alta qualidade, DSPs e sistemas em chips (SoCs) disponíveis atualmente. Os vários recursos, conversão, processamento e comunicação podem ser posicionados no domínio digital ou analógico para otimizar a qualidade sonora do design. A conectividade sem fio permite o acesso a serviços de streaming de alta qualidade e unidades de conexão para a experiência em várias salas (Figura 1).
Inovações no amplificador
A amplificação Classe D oferece amplificação de áudio altamente eficiente com uma corrente baixa quiescente (espera). Os dispositivos de amplificação (transistores) operam como interruptores, ligando ou desligando totalmente, dependendo do sinal de entrada. Esses transistores, tradicionalmente transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido de metal (MOSFETs), têm um tempo de ativação / desativação rápido (taxa de variação) e uma baixa resistência de ativação, o que é importante para a eficiência do amplificador. A entrada de áudio e uma forma de onda triangular gerada com precisão são inseridas em um comparador, cuja saída (um trem de pulsos) alimenta os transistores. Os transistores então ligam e desligam alternadamente "duramente" entre os dois barramentos de alimentação e, assim, uma forma de onda de pulso de saída é gerada; a largura do pulso é proporcional ao nível do sinal instantâneo de entrada. Finalmente, essa saída é alimentada por um filtro passa-baixa, permitindo que o sinal de entrada original seja reconstruído.
Tradicionalmente, devido às altas frequências sendo geradas internamente (interferência de RF), o fator de amortecimento pobre e a capacidade do amplificador de controlar a excursão do cone do alto-falante, esta classe de amplificador tem sido apresentada principalmente em projetos onde peso, eficiência e pequeno tamanho são importantes. Os exemplos são áudio automotivo, som ao vivo e sistemas portáteis. No entanto, inovações recentes permitiram que esta classe de amplificadores rivalizasse mais de perto com sua contraparte linear. Desenvolvimentos na tecnologia de transistores, como nitreto de gálio (GaN), podem render números impressionantes de distorção harmônica total (THD), que se comparam favoravelmente com designs lineares mais tradicionais. Outras inovações, como a tecnologia de amplificador de feedback digital direto, baseada em uma arquitetura digital de loop fechado exclusiva e usando processamento de sinal digital de alta resolução para manter a consistência do desempenho de áudio, aprimoraram ainda mais essa classe de amplificador. No caso de um alto-falante ativo, esta tecnologia pode ser integrada ao design e combinada com a impedância e a resposta do driver. Isso fornece qualidade de som consistente em todos os níveis e protege as unidades de acionamento contra danos.
Compensação Digital de Sala (DRC)
Devido às suas diferentes formas e à variedade de materiais usados ??nelas - estofados, caixas de tubos, etc. - as propriedades reflexivas das salas de audição não são iguais para todas as frequências (Figura 2). Dependendo de sua frequência, as formas de onda refletem, colidem e são absorvidas de maneira caótica. Isso causa áreas de interferência construtiva e destrutiva. Nós, áreas onde certas frequências são aumentadas e antinodos, áreas onde certas frequências são atenuadas, são configurados em toda a sala. O posicionamento do alto-falante em relação aos limites da sala pode ter um grande impacto nisso, assim como a posição de escuta. Obviamente, do ponto de vista da clareza sonora, isso não é o ideal. A quantidade que esses sinais são afetados pode ser significativa o suficiente para "colorir" o conteúdo musical percebido, e esse efeito é conhecido como "filtragem em pente".
Os estúdios de gravação sempre usaram uma combinação de tratamento de som e compensação de sala em suas salas de controle para minimizar o efeito da sala no som percebido. No entanto, os sistemas DRC visam otimizar a resposta do locutor a uma determinada sala, geralmente em três etapas. Primeiro, o sistema mede a resposta da sala a uma gama de frequências e um sinal de áudio contendo uma distribuição aleatória de frequências é reproduzido pelos alto-falantes (ruído rosa). Um microfone de referência é instalado na posição de escuta e uma análise da resposta da sala a essas frequências é feita (análise espectral). Esses dados são usados ??para gerar filtros, que então aumentam ou atenuam essas frequências de "problema" para efetivamente "nivelar" a resposta da sala. O filtro é então definido e aplicado ao programa de áudio. Muitos alto-falantes modernos incorporam um elemento de processamento de sinal digital em seu design, o que permite que essa opção faça parte de seu conjunto de recursos. Unidades DRC autônomas, com microfones de referência, também estão disponíveis. Essa técnica está se tornando um recurso mais comum em dispositivos de última geração.
Design de gabinete
O gabinete é, talvez surpreendentemente, o elemento de maior custo no design de alto-falantes. Um gabinete bem projetado e construído deve suportar as unidades do driver com firmeza e não responder às vibrações dos próprios drivers. A face frontal do gabinete, no qual as unidades de acionamento são montadas, é chamada de defletor. O material usado aqui é geralmente um pouco mais espesso do que o material usado no resto do gabinete. A ideia é manter tudo o mais rígido possível, para que o gabinete não seja "ouvido". A órtese é frequentemente usada, principalmente na área das unidades de baixo. Isso é importante, pois aumenta a frequência de ressonância do gabinete nessas áreas e diminui o risco de vibração simpática. Câmaras para as diferentes unidades de acionamento são frequentemente construídas. O som que vem da parte traseira do driver de graves está fora de fase e, portanto, se mixado, subtrairia (atenuaria) o sinal vindo da frente do alto-falante. Em alguns projetos, essa voz traseira é deslocada de fase, canalizada e adicionada ao sinal que emana da parte frontal do alto-falante por meio de uma porta ou caixa de correio. Algumas unidades de última geração apresentam formas de buzina invertidas, atrás dos drivers, para amortecer (atenuar) esses elementos indesejados do ouvinte. Tubos de extensão, montados no defletor, são frequentemente empregados. Seus comprimentos são calculados cuidadosamente para permitir ressonância na câmara em baixas frequências, aumentando a eficiência de graves do alto-falante. Dessa forma, um design menor pode produzir uma resposta de graves que desmente seu tamanho. Obviamente, no caso de um projeto ativo com processamento de sinal integral, a resposta das unidades de acionamento pode ser otimizada para um determinado projeto. É preciso dizer que o projeto de um gabinete sofisticado de sucesso é o resultado de tempo e esforço consideráveis ??(e pesquisa), cujo custo pode chegar a muitos milhares de dólares.
Unidades de acionamento
A unidade de acionamento mais comum encontrada como um transdutor para frequências médias / baixas é um alto-falante dinâmico (Figura 3). Isso utiliza um ímã permanente (geralmente neodímio), uma bobina de voz, uma estrutura ou cesta e um cone de alto-falante. A energia elétrica derivada do amplificador é convertida pela interação da bobina de voz e do ímã em movimento (excursão) do cone. Isso causa compressão (cone que se move para frente) e rarefação (cone que se move para trás) da massa de ar em contato com o cone, proporcionalmente ao sinal de entrada, e dessa forma, ondas sonoras são produzidas. Existem várias concessões feitas aqui. O cone deve ser bem leve, para não apresentar inércia (resistência ao movimento), e deve ser rígido (qualquer distorção na superfície do cone resultará na coloração do áudio produzido). Historicamente, uma grande variedade de materiais de cone tem sido usada, como papel tratado (muito leve), alumínio (rígido) e materiais cerâmicos. Recentemente, materiais aeroespaciais têm sido empregados, muitas vezes com uma textura de bola de golfe para permitir que o ar passe sobre eles com mais suavidade. Além disso, a bobina de voz representa uma carga indutiva. Ele apresentará impedâncias diferentes para o amplificador em frequências diferentes, apresentando considerações de design para o amplificador.
Transdutores de alta frequência (tweeters) podem ser de dois tipos principais. A variedade dinâmica, construída de maneira semelhante à sua contraparte baixa / média, mas usando materiais diferentes em sua construção, é otimizada para sua resposta de alta frequência. Os fabricantes às vezes podem usar diamantes sintéticos para o material da cúpula. Ele é extremamente rígido e também leve, por isso não deforma e pode empurrar o ar de maneira eficiente. Esses diamantes sintéticos são cultivados em fornos a 1500 ° C e são caros de produzir.
Outras variantes do tweeter incluem tipos de fita. Eles apresentam um diafragma de metal ultrafino (a fita) suspenso em um campo eletromagnético. Como esse diafragma é muito leve, ele é capaz de responder até a mais ínfima sutileza e, portanto, produz uma imagem muito detalhada do áudio de alta frequência recebido. A desvantagem desse tipo é sua impedância muito baixa, o que significa que pode ser necessário um transformador para combiná-lo com o amplificador. Eles são caros e também delicados. Outro tipo de alto-falante que merece destaque aqui é o design eletrostático. Ele usa um diafragma plano ultrafino, prensado entre duas grades eletricamente condutoras. Um diafragma é usado para reproduzir todas as frequências, pois é fino o suficiente para responder a frequências altas e a área de superfície é grande o suficiente para reproduzir frequências graves. Fazem isso com extrema fidelidade (ausência de distorção) e, desde que sejam posicionados com cuidado na sala, o som que produzem será menos afetado pelo layout da sala. Como as unidades eletrostáticas não possuem um gabinete, elas podem ser arquitetadas para coordenar com o design da sala. Eles são muito mais delicados do que seus equivalentes baseados em magnéticos, são propensos a danos por sobrecarga e, portanto, são menos populares em designs modernos.
Conclusão
Com a proliferação de ICs de áudio de alta qualidade, DSPs e SoCs, designs ativos, com streaming integrado e recursos de várias salas, estão se tornando mais comuns na esfera de áudio doméstica. A compensação digital da sala e o controle inovador do driver podem ajudar um pequeno alto-falante a obter um som realmente grande e um alto-falante padrão a soar incrível. A arquitetura ativa dá ao projetista controle sobre parâmetros importantes, como escolha da unidade de acionamento, proteção e colocação de recursos dentro do domínio digital / analógico, permitindo a otimização do circuito nessas áreas, com o benefício estético adicional de cabeamento reduzido.
Sobre o autor
Tony Ives é músico / engenheiro de estúdio freelance que estudou Engenharia Elétrica, Eletrônica e de Comunicações na Plymouth politécnica (agora Universidade de Plymouth). Os primeiros anos de sua carreira foram na esfera de TI e incluíram treinamento e credenciamento como engenheiro de configuração e serviço da Apple. Ao longo de sua vida adulta, uma paixão por todas as coisas musicais e de gravação o levou para a indústria de eletrônicos de áudio profissional, incluindo um tempo com um fabricante líder de mesa de mixagem, antes de trabalhar como músico / educador musical e engenheiro de estúdio. Ele continua ativo a esse respeito.
