Escrevemos vários artigos sobre classificações de potência de alto-falantes ao longo dos anos, mas o tema parece ser um que poucas pessoas entendem completamente. Este artigo servirá como guia de referência para como fabricantes premium e respeitáveis classificam as capacidades de manuseio de potência de seus alto-falantes. Começaremos olhando para a física do design de alto-falantes em relação a como eles lidam com o calor criado pela potência do seu amplificador, então explicaremos como o ruído rosa é usado para criar classificações de potência.
Infelizmente, alto-falantes são notoriamente ineficientes. Um driver de médio de 8 polegadas de alta eficiência usado em um alto-falante de sonorização pública pode transformar apenas cerca de 1,3% da potência do amplificador em energia acústica. O restante é convertido em calor na bobina de voz e, subsequentemente, nas peças ao redor da bobina, como o ímã, T-yoke e cone.
Alto-falantes projetados para aplicações de áudio automotivo são frequentemente significativamente menos eficientes porque precisam operar em uma faixa de frequência mais ampla. Para um driver de médio com uma classificação de sensibilidade de 90 dB 1W/1M, a eficiência é de apenas 0,63 por cento.
Pense em quanto calor uma lâmpada incandescente de 100 watts gera. Abaixo está uma imagem térmica de uma lâmpada de 100 watts que foi ligada por apenas 60 segundos. A base de vidro da lâmpada já atingiu uma temperatura de mais de 90 graus Celsius ou 195 graus F. Está claramente quente demais para tocar e só vai continuar a esquentar. Pesquisa rápida mostra que lâmpadas incandescentes têm uma eficiência de cerca de 2,2. Essa falta de eficiência as torna uma ótima analogia em termos de comparação de geração de calor com a de um alto-falante. Entraremos na logística e realidade de alimentar tanta potência em qualquer coisa que não seja um subwoofer em breve.
O calor em um alto-falante é gerado no enrolamento da bobina de voz. Seja cobre, alumínio ou uma combinação de ambos, todo esse calor é focado nessa bobina de fio relativamente minúscula. O único componente que entra em contato direto com a bobina de voz é, não surpreendentemente, o suporte da bobina de voz. Em alto-falantes de áudio automotivo, os suportes de bobina de voz são feitos de materiais como papel kraft, papéis isolantes sintéticos como 3M TufQUIN, fibras de aramida como Nomex e Bondex, e alumínio. Cada um desses materiais tem diferentes propriedades de isolamento e condutividade térmica.
O próximo componente do alto-falante que tem que lidar com o calor da bobina de voz é a placa superior. Na maioria dos casos, a placa superior é um pedaço de aço que é afixado ao ímã (ou ímãs) para focar o campo magnético na bobina de voz. Embora a placa superior não entre em contato com a bobina de voz, os dois componentes estão muito próximos um do outro. A maior parte do resfriamento da bobina de voz do alto-falante pode ser atribuída à transferência de calor para a placa superior e, subsequentemente, para a estrutura do motor. Muitos fabricantes de alto-falantes fazem grandes esforços para garantir que haja fluxo de ar significativo ao redor da placa superior para melhorar ainda mais o resfriamento, especialmente em subwoofers.
O T-yoke, a parte da estrutura do motor que completa o loop do campo magnético, também é importante para ajudar a dissipar o calor da bobina de voz e do suporte. O T-yoke reside dentro do suporte da bobina de voz na maioria dos designs.
A capacidade de qualquer dispositivo de lidar com calor é determinada pelo seu tamanho. Um resistor de 1/8 watt é muito menor que um resistor de 1 watt. Geralmente, o tamanho de um componente determina a quantidade de área de superfície e a capacidade de transferir calor para o ar. Em alto-falantes, o diâmetro e o comprimento do enrolamento da bobina de voz em um subwoofer são um bom indicador de quanto calor e, subsequentemente, quanta potência o alto-falante pode lidar.
Como exemplo, olhando a linha de produtos de um fabricante popular de subwoofers, vemos que seus subwoofers com bobina de voz de 2 polegadas de diâmetro são classificados para 250 watts; subindo para uma bobina de 2,5 polegadas aumenta a classificação de potência para 500 watts. Seus subwoofers com bobinas de 3 polegadas são classificados em 600 watts, e seus woofers de nível de competição têm bobinas maciças de 4 e 5 polegadas de diâmetro classificadas para 2.500 e 3.000 watts, respectivamente.
Lembre-se, a altura física de cada uma dessas bobinas de voz não foi fornecida, então é seguro assumir que o salto para mais de 2.500 watts de capacidade de potência vem com um aumento significativo na altura do enrolamento da bobina e área de superfície associada.
Falar sobre capacidade de potência em qualquer coisa que não seja um subwoofer vai exigir algum bom senso. Pense cuidadosamente sobre as classificações de capacidade de potência em um alto-falante de médio. Olharemos através de outra marca popular e veremos como os diâmetros de suas bobinas de voz se relacionam com as especificações de capacidade de potência de vários de seus alto-falantes de médio de 6,5 polegadas. Esta marca tem um driver com bobina de 1 polegada classificado para 70 watts, e uma bobina de 1,25 polegadas classificada em 80 watts em uma série e 100 watts em uma solução de ponta. As diferentes classificações de potência nas bobinas de 1,25 polegadas demonstram como a altura total do enrolamento afeta a capacidade térmica.
Agora, vamos falar sobre tweeters. Tweeters em aplicações de áudio automotivo são extremamente pequenos e, francamente, bastante frágeis. Os enrolamentos da bobina de voz em tweeters são feitos de fio muito fino, frequentemente menor que 24 AWG. Mesmo com um diâmetro de 1 polegada em um tweeter de cúpula macia, eles não podem lidar com muita potência. Então, como os fabricantes chegam a classificações de 100 watts ou mais para seus tweeters quando sabemos que um driver de médio com um enrolamento de bobina de voz que é pelo menos cinco vezes mais alto só pode lidar com 100 watts? A resposta está em como os fabricantes testam seus alto-falantes.
Antes de entrarmos na explicação de como a capacidade de potência do alto-falante é classificada, precisamos dar uma olhada atenta em algo chamado ruído rosa. Ruído rosa é um sinal de áudio composto por frequências aleatórias de pouco acima de 0Hz até o limite superior do formato de arquivo de áudio ou computador. Para um arquivo .wav de qualidade de CD convencional, isso seria 22,05 kHz.
No ruído rosa, cada oitava contém uma quantidade igual de energia de ruído. Isso significa que a oitava de 100 Hz a 200 Hz contém a mesma quantidade de energia de ruído que a oitava de 1 kHz a 2 kHz. A potência em cada oitava também é inversamente proporcional à frequência do sinal. Embora esta seja uma aproximação aproximada de como a matemática funciona, há 100 Hz entre 100 Hz e 200 Hz, enquanto há 1.000 hertz entre 1 kHz e 2 kHz. Em um sinal de ruído rosa, a banda de 1 a 2 kHz é espalhada por 10 vezes mais espaço.
Aqui está a aparência da análise espectral de um sinal de áudio de ruído rosa:
Você pode ver que acima de 20 Hz, o nível do sinal diminui a uma taxa de -10 dB por década à medida que a frequência aumenta. Isso significa que há 10dB menos energia de sinal a 1 kHz do que a 100 Hz. Quando relacionamos essa redução na força do sinal à potência de nossos amplificadores, a proporção também é um fator de 10.
Se estivermos tocando ruído rosa através de um sistema de áudio, e os controles de sensibilidade do amplificador estão definidos para produzir 100 watts de potência a 20 Hz, a 200Hz, o amplificador estará produzindo 10 watts. A 2 kHz, o amplificador estará produzindo 1 watt, e a 20 kHz, o amplificador entrega 0,1 watt de potência aos nossos alto-falantes.
Outro tópico que devemos discutir antes de chegar às classificações de potência do alto-falante é como a energia de áudio é distribuída na música que ouvimos. Olhamos para seis faixas de áudio e analisamos seu conteúdo espectral no Adobe Audition da mesma forma que a forma de onda de ruído rosa acima. Os resultados são mostrados abaixo:
Como você pode ver desta seleção moderadamente diversa de faixas musicais, a energia de áudio é distribuída de forma semelhante à nossa faixa de ruído rosa. Por essa razão, muitos fabricantes usam sinais de ruído rosa para testar as capacidades de manuseio de potência de seus alto-falantes.
Dependendo da marca, diferentes empresas usam diferentes processos para testar as capacidades de manuseio de potência de seus alto-falantes. Deve-se notar que algumas empresas têm especificações detalhadas para seus procedimentos de teste, enquanto outras confiam simplesmente em dados fornecidos por seus fornecedores, e outras adivinham com base no tamanho da bobina de voz usada no design. Esta é uma das principais diferenças entre empresas que colocam esforço significativo no design e desenvolvimento de seus produtos e aquelas que escolhem soluções de um catálogo e têm seu nome carimbado na cesta e tampa de poeira.
Um processo de teste de alto-falante devidamente projetado envolve várias etapas. Usaremos um subwoofer para o primeiro exemplo. O técnico que realiza o teste definiria a saída do amplificador usando uma faixa de áudio de onda senoidal para representar um nível de tensão que equivale ao nível de potência que eles querem testar. Para um subwoofer de 4 ohms que deve ser testado em um nível de potência de 200 watts, a tensão da onda senoidal deve ser 28,28 volts rms ou 40 volts pico a pico. Uma vez que esta amplitude é definida, ruído rosa que equivale a uma amplitude igual a 20 Hz é reproduzido para testar o driver.
Uma vez que os níveis são definidos e o alto-falante é montado no dispositivo de teste, esta faixa de ruído rosa é reproduzida em um nível contínuo até que o alto-falante falhe, ou um tempo adequado tenha passado. Muitas empresas usam oito a 10 horas como tempo mínimo de teste e alguns estendem isso para 100 horas. Após a temperatura estabilizar no alto-falante, o teste de tempo estendido pode ajudar a confirmar a adequação e confiabilidade dos adesivos e materiais escolhidos para construir o alto-falante. Em essência, torna-se um teste físico, bem como um teste de capacidade de potência.
Embora varie de marca para marca, para que o alto-falante passe no teste, os parâmetros Thiele/Small do driver não devem ter mudado mais do que uma quantidade predeterminada daqueles antes do início do teste. Uma mudança significativa nas propriedades eletromecânicas indica que algo pode ter sido danificado durante o teste e que muito calor foi gerado.
Como drivers de médio e tweeters não podem lidar com níveis altos de excursão, eles são testados da mesma forma que um woofer, mas o sinal de teste passa por um filtro passa-alta. Aqui está um exemplo:
Digamos que queremos testar um tweeter de 4 ohms, e queremos usar o padrão acima para testá-lo para 100 watts de capacidade de potência. Isso equivale a um nível de onda senoidal de 20 volts rms ou 28,28 volts pico a pico. O teste começa com o amplificador calibrado para produzir 20 Vrms usando uma onda senoidal enquanto não conectado ao alto-falante. Uma vez que o nível foi definido, ruído rosa é reproduzido através de qualquer filtro passa-alta que o fabricante especifica. Para o propósito deste exemplo, digamos que o filtro esteja definido em 2 kHz.
É assim que a análise espectral do sinal de teste será.
O nível médio de pico do sinal de teste agora é cerca de 20 dB menor do que era a 20 Hz com um sinal de banda completa. Em termos de potência de sinal de áudio, temos 1/100 da potência. Ou 1 watt.
Estamos dizendo que um tweeter classificado para lidar com 100 watts de potência de ruído rosa, testado acima de 2 kHz, é testado apenas com 1 watt de potência? Absolutamente! É exatamente assim que funciona. Pense na física da música. Queremos que o áudio produzido pelos tweeters seja equilibrado com o dos drivers de médio e woofers ou subwoofers.
No mundo real, esse tweeter provavelmente pode lidar com muito mais do que apenas 1 watt de potência. Pode ser capaz de lidar com 10 watts. Isso significa que seria uma boa ideia classificar o driver como capaz de lidar com 1.000 watts de ruído rosa? Provavelmente não. Você sabe que alguém que não entende como o ruído rosa funciona vai usar uma faixa de onda senoidal para definir os ganhos no amplificador do tweeter e tentar alimentar 63 volts (1.000 watts) no tweeter. Claro, essas mesmas pessoas também ligarão para o fabricante do alto-falante e reclamarão que o tweeter está "quebrado" e tudo o que estavam fazendo era definir controles de ganho.
Classificações de capacidade de potência de alto-falantes que usam ruído rosa são baseadas em critérios estabelecidos para alto-falantes de faixa completa para casa. Os testes imitam o que os alto-falantes experimentariam quando ouvidos em níveis de volume altos e destinam-se a indicar qual classificação de potência do amplificador seria adequada para obter o máximo dos alto-falantes sem danificá-los. Esta especificação não leva em conta o que acontece quando um amplificador é levado ao clipping – abordaremos isso outra hora.
Por enquanto, a conclusão de tudo isso é que configurar um sistema de áudio deve começar com a definição dos controles de sensibilidade no amplificador do subwoofer, depois subir os níveis dos canais de médio e tweeter para criar um sistema equilibrado. As chances são de que você não chegará nem perto da potência máxima dos amplificadores de médio e tweeter. Ah, e você não precisa de um amplificador de 150 watts para acionar seus tweeters.
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