Como Funciona os Alto-Falantes
Autor: Técnico de Áudio Mesas de Digitais e Analógicas | Publicado: 2011-06-28T12:37:00-07:00

Fundamentos do som

Para entender como funcionam os alto-falantes, primeiro você precisa entender como funciona o som.
Dentro de nossos ouvidos há uma pequena pele chamada de tímpano. Quando o tímpano vibra, o cérebro interpreta as vibrações como sons; é por isso que você ouve, e mudanças rápidas na pressão do ar, também faz o tímpano vibrar .

Um objeto produz som quando ele vibra no ar (o som também pode viajar por líquidos e sólidos, mas o ar é o meio de transmissão quando ouvimos os alto-falantes). Quando algo vibra, ele move as partículas de ar ao redor. Essas partículas de ar, por sua vez, movem as partículas de ar ao redor delas, carregando o pulso da vibração através do ar, de uma forma desordenada.

Para ver como isso funciona, vamos dar uma olhada em um objeto simples que vibra: o sino. Quando você toca um sino, o metal vibra, curvando-se para dentro e para fora, rapidamente. Quando ele se curva para fora para um lado, ele empurra para fora as partículas de ar ao redor daquele lado. Essas partículas então colidem com as partículas em frente a elas, que colidem com as partículas em frente a elas e assim por diante. Quando o sino se curva de volta, ele puxa para dentro essas partículas de ar ao redor, criando uma queda na pressão que puxa para dentro mais partículas ao redor, criando outra queda na pressão que puxa para dentro as partículas, mesmo que estejam afastadas, e assim por diante. Essa queda de pressão é chamada de refração.
Desse modo, um objeto que vibra envia uma onda de pressão oscilante através da atmosfera. Quando a onda oscilante alcança seu ouvido, ela faz com que o tímpano vibre para frente e para trás. Nosso cérebro interpreta esse movimento como som.

Diferenciando o som

Ouvimos sons de objetos que vibram de maneiras diferentes devido às variações de:
freqüência da onda sonora - uma freqüência de onda mais alta simplesmente significa que a pressão do ar oscila mais rápido. Ouvimos isso como um tom mais alto. Quando há menos oscilações em um espaço de tempo, o tom é mais baixo.
nível de pressão do ar - isso é a amplitude da onda, que determina o quão alto está o som. As ondas sonoras com amplitudes maiores movem mais nossos tímpanos, e registramos essa sensação como um volume mais alto.
Um microfone funciona mais ou menos como nossos ouvidos. Ele tem um diafragma que é o que vibra com as ondas sonoras nessa área. O sinal de um microfone fica codificado em uma fita ou CD como um sinal elétrico. Quando você reproduz esse sinal em seu aparelho de som, o amplificador o envia para os alto-falantes, que o reinterpretam em vibrações físicas. Bons alto-falantes são otimizados para produzir uma oscilação extremamente precisa, exatamente como as que são captadas pelo microfone. Na próxima seção, vamos ver como os alto-falantes realizam isso.


Fazendo som

Na última seção, vimos que o som viaja em ondas de oscilação de pressão do ar e que ouvimos os sons diferentemente, dependendo da freqüência e amplitude dessas ondas. Também aprendemos que os microfones convertem as ondas sonoras em sinais elétricos, que podem ser codificados em CDs, fitas, LPs, etc. Os reprodutores convertem essa informação de volta em uma corrente elétrica para ser usada nos aparelhos de som.
Um alto-falante é essencialmente a máquina da conversão final, o inverso do microfone. Ele leva o sinal elétrico e o converte de volta em vibrações físicas para criar as ondas sonoras. Quando tudo está funcionando como deve, o alto-falante produz aproximadamente as mesmas vibrações que o microfone originalmente gravou e codificou em uma fita, CD, LP, etc.
Os alto-falantes tradicionais fazem isso com um ou mais condutores

Fazendo som: diafragma
Um condutor produz ondas sonoras vibrando rapidamente um cone ou diafragma flexível.
O cone, geralmente feito de papel, plástico ou metal, é anexado na extremidade larga da suspensão.
A suspensão, ou envolvente, é uma aba de material flexível que permite que o cone se mova, e é anexada à estrutura de metal do condutor, chamado de cesta.
A extremidade estreita do cone é conectada ao espiral de voz.
O espiral é anexado à cesta pelo tripé, um anel de material flexível. O tripé mantém o espiral na posição, mas permite que se mova livremente para frente e para trás.
Alguns condutores têm uma cúpula em vez de um cone. Uma cúpula é exatamente um diafragma que se prolonga em vez de ser cônico.


Um condutor de alto-falante comum, com uma cesta de metal, ímã pesado permanente e diafragma de papel

Fazendo som: espiral de voz
O espiral de voz é um eletroímã básico


Fazendo som: ímãs

Então, como a oscilação faz o espiral do alto-falante se mover para frente e para trás? O eletroímã é posicionado em um campo magnético constante criado por um ímã permanente. Esses dois ímãs, o eletroímã e o ímã permanente, interagem entre eles. A extremidade positiva do eletroímã é atraída pelo pólo negativo do campo magnético permanente, e o pólo negativo do eletroímã é repelido pelo pólo negativo do ímã permanente. Quando a orientação polar do eletroímã muda, então a direção da repulsão e atração também mudam. Desse modo, a corrente alternada constatemente inverte as forças do ímã entre o espiral de voz e o ímã permanente. Isso empurra o espiral para frente e para trás rapidamente, como um pistão.
 
Quando uma corrente elétrica que está fluindo através do espiral de voz muda de direção, a orientação polar do espiral se inverte. Isso muda as forças magnéticas entre o espiral de voz e o ímã permanente, movendo o espiral e o diafragma anexo para frente e para trás.
Quando o espiral se move, ele puxa e empura o cone do alto-falante. Isso vibra o ar em frente ao alto-falante, criando as ondas sonoras. O sinal elétrico de áudio também pode ser interpretado como uma onda. A freqüência e a amplitude dessa onda, que representa a onda sonora original, ditam a taxa e a distância a que o espiral de voz se move. Isso, por sua vez, determina a freqüência e a amplitude das ondas sonoras produzidas pelo diafragma.
Os diferentes tamanhos de condutores são mais bem adequados para certas variações de freqüência. Por essa razão, as unidades de alto-falantes geralmente dividem uma grande variação de freqüência entre múltiplos condutores. Na próxima seção, vamos descobrir como os alto-falantes dividem a variação de freqüência e  vamos dar uma olhada nos tipos de condutores usados nos alto-falantes.

Tipos de condutores

Na seção anterior, vimos que os alto-falantes tradicionais produzem o som puxando e empurrando um eletroímã anexado a um cone flexível. Embora todos os condutores sigam o mesmo conceito, há uma grande variação em seus tamanhos e potência. Os tipos básicos de condutores são:
woofers (baixa freqüência)
tweeters (saída de agudos)
midrange

Woofer

Tweeter

Midrange
Woofers são os condutores maiores, projetados para produzir sons de baixa freqüência. Tweeters são unidades muito menores, projetadas para produzir freqüências mais altas. Os alto-falantes Midrange produzem uma variação de freqüência na metade do âmbito do som.

Se você pensar sobre isso, verá que faz muito sentido. Para criar ondas de freqüências mais altas, ondas nas quais os pontos de pressão alta e pressão baixa estão próximos, o diafragma do condutor deve vibrar mais rapidamente. Isso é difícil de fazer com um grande cone por causa da massa do cone. O oposto é mais difícil conseguir: um condutor pequeno que vibre suficientemente devagar para produzir sons de baixa freqüência. É mais adequado para movimentos rápidos


Amostras da variação de freqüência

Para produzir som de qualidade sobre uma grande variação de freqüência mais eficaz, você pode quebrar a variação completa em pequenos pedaços manuseados por condutores especializados. Os alto-falantes de qualidade comumente terão um condutor woofer, um tweeter e às vezes um midrange, todos incluídos em uma caixa acústica.
É claro que, para dedicar cada condutor a uma variação de freqüência particular, o sistema de alto-falantes primeiro precisa quebrar o sinal de áudio em partes diferentes, freqüência baixa, freqüência alta e, às vezes, freqüências médias. Esse é o trabalho do alto-falante de travessia.

O tipo mais comum de travessia é a passiva, o que significa que não precisa de uma fonte de força externa porque é ativada por um sinal de áudio que passa por ela. Esse tipo de travessia usa indutores, capacitores e, às vezes, outros componentes de circuito. Os capacitores e indutores somente se tornam bons condutores sob certas condições. Um capacitor de travessia conduzirá a corrente muito bem quando a freqüência exceder um certo nível, mas conduzirá insuficientemente quando a freqüência estiver abaixo daquele nível. Um indutor de travessia age de maneira inversa: é apenas um bom condutor quando a freqüência está abaixo de certo nível.





A unidade comum de travessia de um alto-falante: a freqüência é dividida por indutores e capacitores e depois enviada pelos condutores woofer, tweeter e midrange.
Quando o sinal elétrico de áudio viaja através do cabo do alto-falante para o alto-falante, ele passa através das unidades de travessia para cada condutor. Para fluir para o tweeter, a corrente terá de passar através de um capacitor. Então, para a maior parte, a parte de alta freqüência do sinal fluirá pela espiral de voz do tweeter. Para fluir para o woofer, a corrente passa através de um indutor, para que o condutor responda principalmente a baixas freqüências. Uma travessia para o condutor de midrange conduzirá a corrente através de um capacitor e um indutor, para ajustar o ponto de limite superior e inferior.

Também há as travessias ativas. As travessias ativas são aparelhos eletrônicos que distinguem as variações de freqüência em um sinal de áudio antes que ele continue até o amplificador (você usa um circuito de amplificador para cada condutor). Elas têm várias vantagens sobre as travessias passivas: a principal é que você pode ajustar facilmente as variações de freqüência. As variações de travessia passiva são determinadas pelos componentes individuais de circuitos; para alterá-los, você precisa instalar novos capacitores e indutores. As travessias ativas não são amplamente usadas como as passivas, contudo, porque o equipamento é muito mais caro e você precisa de saídas múltiplas do amplificador para seus alto-falantes.

As travessias e os condutores podem ser instalados como componentes separados em um sistema de som, mas a maioria das pessoas acaba comprando unidades de alto-falantes que abrigam travessias e condutores múltiplos em uma caixa. Na próxima seção, vamos descobrir o que essas caixas acústicas de alto-falantes fazem e como elas afetam a qualidade do som.


Caixas acústicas seladas de alto-falantes

Na maioria dos sistemas de alto-falante, os condutores e travessias são abrigados em algum tipo de caixas acústicas de alto-falante. Essas caixas acústicas têm inúmeras funções. Em seu nível mais básico, eles facilitam muito para ajustar os alto-falantes. Tudo está em uma unidade e os condutores são mantidos na posição correta, para que trabalhem juntos para produzir o melhor som. As caixas acústicas são geralmente construídas com madeira pesada ou outro material sólido que absorverá efetivamente a vibração do condutor. Se você colocasse um condutor em uma mesa, ela vibraria tanto que abafaria muito do som do alto-falante.
Além disso, a caixa acústica do alto-falante afeta como o som é produzido. Quando olhamos para os condutores do alto-falante, enfocamos em como o diafragma vibrante emite ondas sonoras em frente a um cone. Mas, como o diafragma está se movendo para frente e para trás, está na verdade produzindo ondas sonoras atrás dos cones também. Os diferentes tipos de caixas acústicas têm modos diferentes de lidar com essas ondas "inversas".



Uma caixa acústica selada de alto-falante comum mantém um condutor tweeter, um woofer e um midrange

O tipo mais comum de caixa acústica é a selada, também chamada de caixa de suspensão acústica. Essas caixas são completamente seladas; então o ar consegue escapar. Isso significa que a onda dianteira viaja para a sala, ao passo que as ondas inversas viajam apenas para dentro da caixa. É claro que, desde que não haja saída de ar, a pressão de ar interna está constantemente mudando: quando o condutor se move para dentro a pressão aumenta e quando o condutor se move para fora, diminui. Ambos os movimentos criam diferenças de pressão entre o ar dentro e fora da caixa. O ar se moverá sempre para equalizar os níveis de pressão; então, o condutor está constantemente sendo empurrado para seu estado de "descanso", a posição na qual a pressão do ar interna e a externa são as mesmas.



Em um ajuste de alto-falante selado, o diafragma do condutor comprime o ar na caixa acústica quando se move para dentro e rarefaz o ar quando se move para fora 

Essas caixas acústicas são menos eficientes do que outros projetos porque o amplificador tem de impulsionar o sinal elétrico para superar a força de pressão do ar. A força serve como uma função valiosa; entretanto, ela age como uma mola para manter o condutor na posição certa. Isso faz a produção de som mais precisa e mais firme.


Outras caixas acústicas

Outros projetos de caixas acústicas redirecionam a pressão interna para fora, usando isso para completar o envio da onda sonora. O modo mais comum de fazer isso é construir um pequeno pórtico no alto-falante. Nesses alto-falantes refletores de graves, o movimento inverso do diafragma empurra as ondas sonoras para o pórtico, impulsionando o nível total do som. A principal vantagem das caixas acústicas refletoras de graves é a eficiência. A potência que move o condutor é usada para emitir duas ondas sonoras em vez de uma. A desvantagem é que não há diferença de pressão de ar para empurrar o condutor de volta ao lugar, para que a produção de som não seja tão precisa.


Um alto-falante refletor de graves produz duas ondas de som movendo um condutor. Quando o condutor comprime o ar para a frente, ele o rarefaz para trás e vice-versa. A segunda onda sonora é emitida de um pórtico para a base da caixa acústica do alto-falante.

As caixas acústicas de radiador passivo são muito parecidas com as unidades refletoras de graves, mas nas caixas acústicas de radiador passivo as ondas invertidas movem um condutor passivo adicional, em vez de sair pelo pórtico. O condutor passivo é exatamente como o condutor ativo principal exceto por não ter um espiral de voz eletromagnético e por não ser conectado ao amplificador. É movido somente pelas ondas sonoras vindas de condutores ativos. Esse tipo de caixa acústica é mais eficiente do que os projetos selados e mais preciso do que os modelos refletores de graves.

Alguns projetos de caixas acústicas têm um condutor ativo enfrentando um modo e um condutor passivo, outro. Esse projeto bipolo difunde o som em todas as direções, fazendo uma boa escolha para os canais traseiros em um sistema de home theater.



A compressão do ar de trás e a rarefação causada pelo condutor ativo puxam e empurram o condutor passivo. Um alto-falante com um projeto bipolo emite ondas sonoras em ambas as direções.
Esses são apenas alguns dos muitos tipos de caixas acústicas disponíveis. Há uma grande variação de unidades de alto-falantes no mercado, com uma variação de estruturas únicas e arranjos de condutores


Projetos alternativos de alto-falantes

A maioria dos alto-falantes produz som com condutores tradicionais. Mas há algumas outras tecnologias no mercado. Esses projetos têm algumas vantagens sobre os tradicionais alto-falantes dinâmicos, mas são insuficientes em outras áreas. Por essa razão, geralmente eles são usados em conjunto com outras unidades de condutores.
A alternativa mais popular é o alto-falante eletrostático. Esses alto-falantes vibram o ar com um painel de diafragma condutivo grande e fino. Esse painel de diagrama é suspenso entre dois painéis condutivos fixos que estão carregados com corrente elétrica de uma tomada da parede. Esses painéis criam um campo elétrico com uma extremidade positiva e uma negativa. O sinal de áudio passa pela corrente através do painel suspenso e rapidamente muda entre uma carga positiva e uma negativa. Quando a carga é positiva, o painel é puxado para a extremidade negativa do campo; quando a carga é negativa, ele se move para a extremidade positiva no campo.



O diafragma é carregado alternadamente com uma corrente positiva e uma negativa, baseando-se na variação do sinal elétrico de áudio. Quando o diafragma está positivamente carregado, ele oscila para a placa frontal, e quando é carregado negativamente ele oscila para a placa traseira. Desse modo, ele reproduz precisamente o padrão gravado das oscilações do ar.
Desse modo, o diafragma vibra rapidamente o ar na frente dele. Como o painel tem uma massa baixa, ele responde muito rápida e precisamente a mudanças no sinal de áudio. Isso faz a reprodução do som clara e extremamente precisa. O painel não move uma grande distância; contudo, ele não é muito eficaz na produção de sons de baixa freqüência. Por essa razão, alto-falantes eletrostáticos são geralmente unidos com um woofer que impulsiona a variação de baixa freqüência. Outro problema com os alto-falantes eletrostáticos é que eles devem ser plugados na parede, sendo então mais difíceis de colocar em uma sala.

Outra alternativa é o alto-falante magnético plano. Essas unidades usam uma longa faixa de metal suspensa entre dois painéis magnéticos. Elas funcionam basicamente do mesmo modo que os alto-falantes eletrostáticos, exceto que a alternância das correntes positiva e negativa move o diafragma em um campo magnético em vez de em um campo elétrico. Como os alto-falantes eletrostáticos, eles produzem um som de alta freqüência com precisão extraordinária, mas os sons de baixa freqüência são menos definidos. Por essa razão, geralmente o alto-falante magnético plano é usado apenas como um tweeter.

Ambos os projetos estão se tornando mais populares entre os audioentusiastas, mas os condutores dinâmicos tradicionais ainda são a tecnologia predominante. Você vai encontrá-los em todos os lugares, não apenas em aparelhos de som, mas em despertadores, sistemas públicos, televisões, computadores, fones de ouvido e muitos outros aparelhos. É incrível como um conceito simples revolucionou o mundo moderno.