Caixa, gabinete ou enclosure: chame como quiser, onde você instala seu alto-falante ou subwoofer é criticamente importante para o desempenho resultante. Neste artigo, focamos no tipo de enclosure mais simples e tolerante para projetar e construir – a suspensão acústica ou caixa selada.
Existem algumas características a ter em mente sobre todo alto-falante. A primeira é que, à medida que a frequência diminui, a excursão do cone aumenta. Na verdade, para produzir a mesma saída acústica, um alto-falante deve se mover quatro vezes mais longe para cada redução pela metade da frequência. Como exemplo, se seu subwoofer se move 1 mm a 80 Hz, ele teria que se mover 4 mm para produzir a mesma saída a 40 Hz. Para produzir a mesma saída a 20 Hz, teria que se mover 16 mm.
Um alto-falante inclui um elemento chamado aranha (spider). A aranha armazena energia quando a bobina móvel move o cone para frente ou para trás de sua posição de repouso. Quando o cone atinge o fim de seu curso e para, a energia potencial armazenada na aranha quer ser liberada. Essa energia armazenada puxa o cone na direção oposta. Cada transferência de energia inclui algumas perdas, e eventualmente o cone para.
Pense no movimento do cone como um balanço no parque. Você exerce uma força no balanço para iniciá-lo, e ele continua balançando para frente e para trás com amplitude decrescente até parar. Felizmente, um alto-falante para de se mover muito mais rápido que o balanço no parque.
Em um alto-falante, essa transferência de energia do cone para a aranha e vice-versa é mais eficiente em uma frequência específica. Chamamos isso de frequência de ressonância do alto-falante. Na frequência de ressonância, há um aumento dramático na impedância porque a aranha armazena muita energia. Esse armazenamento de energia faz com que o cone queira continuar se movendo. O movimento da bobina móvel movendo-se através do campo magnético gera uma tensão. Essa tensão gera um fluxo de corrente na direção oposta à corrente que flui do amplificador. Representamos essa oposição ao fluxo de corrente como um aumento na impedância.
Também devemos considerar que todo alto-falante é limitado em quão longe o cone pode se mover. Uma vez que excedemos as limitações de excursão do alto-falante, coisas ruins acontecem. O suporte da bobina móvel pode atingir a placa traseira. Os componentes da suspensão podem ser comprometidos e começar a falhar. Como subproduto da geometria do cone, tampa de poeira, borda, aranha e motor, a distorção harmônica também aumenta à medida que a excursão aumenta.
Nosso objetivo ao projetar qualquer sistema de áudio deve ser manter a distorção o mais baixa possível. A maior parte da distorção em baixas frequências é ressonância. Essas ressonâncias diminuem à medida que nos movemos acima da frequência de ressonância do alto-falante. A aranha e a força do motor variável, à medida que a bobina passa pela borda do entreferro, são os maiores contribuintes para a distorção.
Vamos considerar algumas características adicionais. A roll-off de baixa frequência de um alto-falante é um filtro passa-alta. A aranha no alto-falante é como um capacitor – uma mola armazena energia e um capacitor também. O ar dentro da caixa também é uma mola, e está em paralelo com a aranha. A mola de ar e a aranha trabalham juntas ao mesmo tempo para fazer a mesma coisa. A combinação da mola de ar e da aranha aumenta a frequência do filtro passa-alta. Sim: Contrariando nossos esforços para produzir o máximo de informação de baixa frequência possível, uma caixa limita a reprodução de baixas frequências.
Se for esse o caso, por que queremos limitar o movimento do cone? Considere o que dissemos sobre quanta excursão é necessária para reproduzir baixas frequências e sobre distorção. Limitar a saída de baixa frequência do nosso alto-falante não é um objetivo ideal, mas limitar algumas das frequências realmente baixas para obter a quantidade certa de graves em frequências mais altas vale a pena.
Há um benefício em aumentar a frequência de ressonância do sistema alto-falante/caixa. Digamos que temos um subwoofer com Q de 0.5 e nosso objetivo é ter um Q total do sistema de 0.707. Escolhemos um volume de ar da caixa que aumenta o Q, o que então aumenta a saída do sistema na nova frequência de ressonância. Sim, sacrificamos saída em frequências mais baixas, mas ganhamos saída em torno da nova frequência de ressonância do sistema.
Os designs modernos de alto-falantes continuam a reduzir a distorção através de simulação computacional e modelagem do comportamento dos materiais. Projetistas de alto-falantes qualificados e devidamente equipados podem simular o comportamento da aranha, cone e borda para analisar ressonâncias individuais e comportamentos de distorção. Eles também podem modelar a interação entre a bobina móvel e a estrutura do motor para prever mudanças na força do campo magnético e indutância que podem afetar ainda mais como um alto-falante soará em níveis moderados a altos de excursão.
Esses avanços resultaram em alto-falantes que produzem menos distorção em níveis mais altos de excursão. Essa melhoria no desempenho permite que projetistas de caixas construam sistemas de alto-falantes que tocam mais baixo e mais alto.
Alguns princípios básicos regem a reprodução de som de baixa frequência. A área do cone é crítica. Um artigo antigo publicado pela Audio Engineering Society chamado "The Problem with Low-Frequency Reproduction", de Saul J. White, incluía um gráfico que comparava excursão do cone vs. frequência vs. saída do sistema para alto-falantes de 12 e 15 polegadas. No gráfico, mostra que o cone de um driver de 15 polegadas só precisa se mover metade do que um driver de 12 polegadas para produzir a mesma saída.
Para produzir som, precisamos deslocar ar. O deslocamento é calculado pelo produto da área do cone do alto-falante vezes a distância que o cone pode percorrer. Em outras palavras, diâmetro vezes curso. Para o mesmo deslocamento, mais diâmetro requer menos curso.
Qual é a conclusão? Se você quer mais volume, compre mais alto-falantes ou subwoofers.
O aumento no Q do sistema causado pela adição da rigidez do ar na caixa pode causar distorção se o Q for aumentado excessivamente. Esse aumento no Q trabalha contra nosso desejo de um sistema de baixa distorção. Fazer a caixa muito pequena aumenta o Q demais, e acabamos com um sistema que produz uma grande quantidade de saída em uma faixa de frequência estreita. Essas caixas subdimensionadas são frequentemente chamadas de "maravilhas de uma nota só" (one-note-wonders).
O que causa esse comportamento? A qualidade de "uma nota só" é resultado do aumento no armazenamento e transferência de energia no sistema ressonante. O grave continua indo e vindo – como nosso balanço no parque.
Em uma caixa de suspensão acústica, a excursão do cone aumenta à medida que a frequência diminui. Esse aumento na excursão continua até a frequência em que a força da aranha e da caixa excede a força do motor. Nesse ponto, o nível de excursão é limitado, e não veremos o aumento na excursão. O resultado: Protegemos o alto-falante de danos físicos devido à excursão do cone além das características de projeto do alto-falante.
Prever os limites de excursão do cone relativos à frequência e potência é relativamente simples para uma caixa selada. O volume da caixa é inversamente proporcional à quantidade de potência que o alto-falante pode manusear quando visto do ponto de vista da excursão. Uma caixa pequena limita muito a excursão do cone em frequências muito baixas, mas o sistema não produz muitos graves profundos. Uma caixa grande permite que o alto-falante se mova mais e produza mais saída de baixa frequência, mas não podemos alimentar o alto-falante com tanta potência por medo de danificá-lo.
À medida que aumentamos o volume da caixa do subwoofer, o ar dentro tem menos "efeito mola" no movimento do subwoofer. Este gráfico mostra o aumento na excursão do driver à medida que o volume de ar aumenta em quatro caixas diferentes.
Uma caixa de alto-falante de suspensão acústica reduz a saída de graves a uma taxa de -12 dB por oitava abaixo da frequência de ressonância. Quando você combina essa roll-off com o ganho de cabine associado à maioria dos veículos, pode obter uma extensão de baixa frequência excelente e linear bem na região infrassônica. Caixas de suspensão acústica são fáceis de calcular e construir. São muito tolerantes a pequenos erros no cálculo do volume.
Finalmente, vale lembrar que caixas de suspensão acústica não são os designs de enclosure com menor distorção disponíveis.
Quando chegar a hora de projetar uma caixa de subwoofer para seu carro ou caminhão, visite seu revendedor de eletrônica móvel local e discuta seus requisitos. Eles podem ajudá-lo a escolher um subwoofer e design de caixa que lhe darão uma base sólida para construir seu sistema de áudio.
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