Cada alto-falante de um sistema de alta fidelidade só pode reproduzir apropriadamente uma faixa limitada de frequências do espectro audível. Para garantir então seu perfeito funcionamento é preciso separar o sinal do amplificador, que cobre toda a faixa, de modo que cada alto-falante receba apenas a energia das frequências em que ela possa converter perfeitamente em som.
São então intercalados entre os amplificadores a as caixas acústicas circuitos denominados "divisores de frequências" que têm por finalidade fazer a separação dos sinais de acordo com as características dos alto-falantes e com isso obter-se máximo rendimento sonoro tanto no referente à potência como à qualidade. Neste artigo fazemos considerações sobre o funcionamento desses divisores, analisando sua importância, seu funcionamento e ensinando os leitores como projetar a construir seus próprios divisores com características que não só estejam de acordo com o exigido pelos seus equipamentos como também com seu ouvido.
A faixa de frequências que um alto-falante pode reproduzir é limitada pela sua própria construção mecânica.
A inércia apresentada pelas suas partes móveis, a resistência do ar, a sua superfície de contacto com o mesmo determinam que cada alto-falante só pode converter em som sinais elétricos de determinada faixa de frequências. Infelizmente, por mais que os fabricantes se esforcem é muito difícil obter-se um alto-falante do tipo convencional de bobina móvel (figura 1) capaz de reproduzir todo o espectro audível.
Obs. O artigo é de 1980. Em nossos dias temos alto-falantes compactos de excelente qualidade que reproduzem toda a faixa audível.
É claro que existem alto-falantes que, com razoável qualidade podem reproduzir uma boa parte desse espectro, e esses alto-falantes podem ser usados sozinhos quando se pretende satisfazer um ouvido não muito exigente.
Para ouvidos mais exigentes, um bom sistema de som não pode ser composto de um único alto-falante, mas sim de diversos alto-falantes capazes de cada um cobrir da melhor maneira possível apenas uma parcela do espectro audível e com isso garantir uma distribuição de tarefas que melhora a qualidade do som e permite um melhor aproveitamento da potência do equipamento (figura 2).
Neste artigo falaremos dos circuitos que garantem o perfeito funcionamento de cada alto-falante num sistema desse tipo. Falaremos dos circuitos que são responsáveis pela separação do sinal do amplificador em partes que combinem com as características de cada alto-falante usado, ou seja, os FILTROS.
DIVISORES DE FREQUÊNCIAS.
Como para falar dos divisores de frequências temos obrigatoriamente que citar os alto-falantes e suas características; é muito importante iniciarmos nossas explicações pelos alto-falantes.
Com isso não só facilitaremos o entendimento de nossos leitores como também ajudaremos os mesmos a fazerem uma correta escolha desses transdutores no momento que desejarem realizar seus próprios projetos.
OS ALTO-FALANTES
Podemos definir um alto-falante como um transdutor eletroacústico. De maneira mais simples, dizemos que trata-se de um dispositivo que converte energia elétrica (vinda do amplificador) em energia acústica (som) que se propaga pelo ar. (figura 3)
Nos sons que podemos ouvir é importante observar duas características que serão com bastante frequência citadas nas nossas explicações e que de modo algum não devem ser confundidas.
A primeira é a ALTURA do som, que é a característica que nos permite diferenciar os sons graves dos agudos. Essa característica deve-se ao número de vibrações que o som contém, ou seja, o número de vibrações que se produz em cada segundo.
O número de vibrações em cada segundo que um corpo produz quando emite um som (o cone de um alto-falante, por exemplo) é medido em Hertz ou abreviadamente Hz,
O nosso ouvido pode ouvir sons na faixa de frequências que vai aproximadamente dos 15 Hz aos 15 000 Hz, e nesta faixa, fazemos divisões que correspondem justamente à altura dos sons, obtendo-se então 3 denominações especiais: os sons graves cujas frequências são compreendidas entre 15 e 600 Hz; os sons médios, cujas frequências estão entre 600 e 3 000 Hz e os sons agudos cujas frequências estão acima de 3 000 Hz.
Se bem que normalmente nos sistemas de 3 alto-falantes, cada um esteja destinado a reprodução de uma dessas faixas, os pontos exatos em que deixa de operar para começar o outro pode variar bastante, devendo-se para esta finalidade sempre realizar-se uma consulta ao manual de características fornecido pelo fabricante do alto-falante. (figura 4)
A segunda característica importante de um som é a sua INTENSIDADE, ou seja, a força com que o som é reproduzido, a qual é devida à potência do amplificador o qual fornecendo mais energia ao alto-falante pode provocar deslocamento maiores de seu cone.
Consequentemente, as ondas de compressão e descompressão do ar têm maior amplitude. Em suma, a potência de um amplificador determina a amplitude da onda sonora, o que está relacionado com a intensidade do som. Um som alto pode ter pequena intensidade, do mesmo modo que um som baixo pode ter grande intensidade! Uma coisa nada tem a ver com outra. (figura 5)
É importante observar que a potência total de um amplificador entregue a um sistema de alto-falantes não se distribui de maneira uniforme por toda a faixa de sons audíveis.
Existe sons de determinadas frequências que são reproduzidos com maior intensidade, enquanto que outros são reproduzidos com menor intensidade.
Como a sensibilidade de nosso ouvido para todas as frequências não é a mesma, normalmente procura-se na realização de uma gravação, no projeto das características de um amplificador, "adaptar" a maneira como o som é entregue ao equipamento e o mesmo o entrega aos alto-falantes à maneira como o ouvido o percebe.
Existem, portanto, as chamadas "curvas de equalização" que nada mais são do que uma representação gráfica de “como" a intensidade sonora de uma gravação, de um equipamento ou de um programa se adapta às características de nosso ouvido, em cada frequência. (figura 6)
As pesquisas mais recentes sobre a maneira como os sons de diferentes frequências se distribuem em relação à potência, mostram que no caso da música popular tem-se uma concentração muito maior da potência do amplificador nas frequências médias, o que já não ocorre no caso da música clássica.
Veja que isso por si só já é um argumento para se diferenciar um divisor de frequências que seja usado para audição de música clássica de um que seja usado para a audição de música popular!
Os alto-falantes de médios no primeiro caso devem ser dimensionados para suportar uma potência relativa maior que no segundo caso.
Voltando ao problema dos alto-falantes, vemos então que podemos fazer uma distinção dos mesmos em relação à faixa de frequências que eles podem reproduzir. Analisemos então os alto-falantes existentes:
a) Full-range - O full-range é um alto-falante que, da melhor maneira possível, procura reproduzir a maior parcela da faixa de sons audíveis de modo a poder ser sozinho usado num sistema de alta-fidelidade.
É claro que, este tipo de alto-falante é utilizado nos sistemas de som mais econômicos.
b) Extended range - Este alto-falante destina-se à reprodução dos sons graves e médias, devendo portanto ser utilizado em conjunto com um alto-falante de agudos para dar cobertura a toda faixa. Nos casos de sistemas econômicos, este alto-falante pode ser satisfatório também no caso da reprodução de agudos, sendo então eliminado o alto-falante adicional.
c) Woofers - Estes são os alto-falantes destinados à reprodução das frequências baixas, ou seja, os graves, normalmente operando entre os limite inferior da faixa audível e em torno de 1 000 Hz.
d) Mid-ranges - os mid-ranges são os alto-falantes de médios, sendo também chamado de squawkers. Destinam-se portanto à reprodução da faixa intermediária de frequências do espectro audível, ou seja, os sons entre 1 000 Hz ou pouco menos até em torno de 3 000 Hz.
e) Tweeters - os alto-falantes destina dos a reprodução dos sons de altas frequências são os tweeters, operando normalmente com sinais acima de 3 000 Hz.
Estes três últimos alto-falantes, os woofers, mid-ranges e tweeters normalmente são utilizados em conjunto, ou seja, em sistemas de 3 alto-falantes cobrindo com isso toda a faixa audível do espectro sonoro (figura 7).
Nos alto-falantes além da faixa de frequências que pode ser reproduzida duas outras características adicionais devem ser observadas na sua utilização.
A primeira refere-se à sua impedância, ou seja, à maneira segundo a qual o sinal do amplificador deve ser entregue ao mesmo para haver uma perfeita conversão de energia elétrica em energia acústica.
Mesmo que a impedância de um alto-falante não possa ser considerada constante em toda faixa audível, o valor expresso normalmente para uma frequência de 1 000 Hz é suficiente para ser possível prever se ele poderá ou não ser usado em conjunto com determinado amplificador. (figura 8)
A impedância de um alto-falante é expressa em ohms.
A segunda refere-se à potência do alto-falante que deve ser sempre igual ou superior a fornecida pelo amplificador.
Um amplificador entrega a um alto-falante um sinal elétrico o qual deve ser convertido em energia acústica.
Esse sinal possuí determinada intensidade a qual deve ser suportada pelo alto-falante. Se o alto-falante receber um sinal de intensidade maior do que a que puder suportar ocorrem danos à sua estrutura.
Lembramos é claro que, quando num sistema de som são usados diversos alto-falantes reproduzindo diferentes parcelas do espectro audível, a potência fica dividida, de modo que os alto-falantes usados não precisam necessariamente ser capazes de suportar a potência nominal do amplificador (figura 9).
OS FILTROS DIVISORES
Conforme vimos, a função dos filtros divisores de frequências intercalados entre os amplificadores e os alto-falantes é separar os sinais de determinadas faixas de frequências de modo que, cada alto-falante, segundo suas próprias características recebam os sinais somente das frequências para os quais são mais aptos a reprodução (figura 10).
Os filtros divisores de frequências utilizados em equipamentos de áudio normalmente são projetados aproveitando as propriedades elétricas dos componentes conhecidos como indutores (bobinas) e capacitores (condensadores).
Esses componentes cujos símbolos e aspectos são mostrados na figura 11 apresentam um comportamento "seletivo" em relação à corrente alternada que lhes é aplicada, ou seja, a corrente que normalmente deve converter-se em som quando aplicada a um alto-falante.
Enquanto os capacitores caracterizam-se por não impedir a passagem dos sinais de altas frequências (agudos) e dificultar a passagem dos sinais de baixas frequências (graves) os indutores facilitam a passagem dos sinais de baixas frequências e dificultam a passagem dos sinais de altas frequências. (figura 12)
Combinando esses dois componentes podem ser construídos filtros seletivos, ou seja, circuitos que podem separar um sinal composto de diversas frequências em faixas as quais são lançadas em alto-falantes determinados.
É importante observar que a separação dos sinais a serem aplicados a um sistema de alto-falantes pode ser feita antes ou depois do amplificador, e que os circuitos que realizam esta função podem ser tanto do tipo ativo como passivo.
Neste artigo tratamos especificamente dos filtros passivos (que utilizam indutores, capacitores e eventualmente resistores) e que são ligados entre os amplificadores e os alto-falantes.
Na prática o filtro mais utilizado é do tipo de rede de resistência constante o qual apresenta a propriedade de manter constante a impedância do conjunto em toda a faixa de frequências de operação.
Veja que esta característica é em especial é muito importante se considerarmos que os capacitores e os indutores que normalmente seriam utilizados num filtro convencional do tipo passa-baixas ou passa-altas têm uma impedância que depende da frequência do sinal, segundo os gráficos que já vimos na figura 12.
A utilização conjunta desses dois componentes num filtro de resistência constante permite que a impedância seja a mesma em boa parte da faixa de frequências em que ele é utilizado, não oferecendo problemas de sobrecarga ao amplificador e permitindo uma distribuição uniforme de potência pela faixa, a qual dependerá somente das características para o qual o circuito foi projetado.
Na figura 13 temos duas configurações possíveis para um filtro deste tipo: em série e em paralelo.
Observe que os capacitores no filtro em paralelo são ligados em paralelo com o alto-falante de graves e no filtro em série são ligados em série com o alto-falante de agudos.
O indutor no filtro em paralelo é ligado em paralelo com o tweeter e no filtro em série, em série com o woofer.
No projeto de um filtro deve-se considerar a atenuação que o mesmo oferece para sinais que não correspondam ao alto-falante ligado e o número de canais no qual deve ser feita a divisão de frequências.
Normalmente são utilizados filtros de dois e de três canais, sendo os primeiros usados no acaso de dois alto-falantes, um extended range ou squawker e um tweeter, e os segundos usados no caso de três alto-falantes: um woofer, um mid-range e um tweeter (figura 14).
A atenuação dos filtros expressa a maneira como cada secção do mesmo rejeita os sinais que não correspondam ao alto-falante ligado.
Num filtro em que um woofer deva receber sinais abaixo de 600 Hz, por exemplo, o corte das frequências acima de 600 Hz nem é total e nem constante.
O que ocorre é que a partir dos 600 Hz as frequências que aparecem no woofer tem sua intensidade reduzida gradativa- mente até o ponto de não poderem ser percebidas.
Traçando então um gráfico que nos mostre a maneira como o sinal é entregue ao alto-falante com um filtro desse tipo, vemos que a partir dos 600 Hz há uma redução gradativa do mesmo indicada por uma curva suave para baixo da resposta do mesmo (figura 15).
A inclinação desta curva para baixo indica a atenuação do filtro, e esta grandeza normalmente é expressa em dB por oitava.
Explicamos o que isto significa:
A intensidade de um sinal sonoro é medida em dB (decibéis) que é uma indicação logarítmica de nível, justamente adaptada à curva de sensibilidade do ouvido humano.
Por exemplo, um sinal que seja atenuado de 20 dB tem uma intensidade 100 vezes menor que a original.
Nos filtros a atenuação é expressa em termos de dB por oitava, ou seja de quantos dB fica reduzida a intensidade do sinal a partir do momento em que o filtro entra em ação até 1/8 do dobro da frequência do mesmo.
Por exemplo, um filtro de 3 dB por oitava que opere a partir de 800 Hz, permite que seja obtida uma redução de 3 dB na intensidade do sinal entre 800 Hz e 880 Hz, ou seja, o sinal de 880 Hz é 3 dB ou 2 vezes mais fraco que o sinal de 800 Hz.
Os filtros normalmente utilizados em aparelhos de som tem atenuações de 6 ou 12 dB por oitava. Esses valores indicam a eficiência na separação dos canais.
Vemos ainda que, no momento em que os sinais de determinada faixa de frequências começam a encontrar dificuldade em atingir um determinada alto-falante, o filtro deve permitir que estes sinais possam chegar a outro falante do conjunto.
As composições de filtros permitem a cobertura de todo o faixa audível.
Este outro ramo do filtro deve então apresentar uma curva ascendente que cruze com a curva descendente do primeiro alto-falante de modo que toda a faixa de frequências seja coberta. (figura 16)
O ponto de cruzamento (crossover) é de grande importância no projeto de um divisor de frequências já que é em sua função que são determinados os valores dos componentes usados.
Num sistema de três alto-falantes em que seja usado um filtro de 3 canais, portanto, temos três faixas de frequências que se cruzam em dois pontos.
O primeiro ponto de crossover corresponde à transição entre os graves e os médios, sendo um valor típico para sua colocação 600 Hz, e o segundo ponto corresponde a transição entre os médios e os agudos sendo seu valor típico de 3000 Hz. (figura 17)
Um sistema de dois alto-falantes temos apenas um ponto de crossover, sendo este escolhido em função das características dos alto-falantes usados.
Na verdade, nos dois casos, a escolha dos pontos de crossover está intimamente ligada às características dos alto-falantes usados.
Continua em Conheça e Construa Divisores de Frequência (Parte Final) (ART2626)
