Escrevemos vários artigos sobre as classificações de potência dos alto-falantes ao longo dos anos, mas o tópico parece ser um que muito poucas pessoas entender completamente. Este artigo servirá como guia de referência sobre como os fabricantes premium e respeitáveis classificam os recursos de manuseio de energia de seus alto-falantes. Começaremos analisando a física do design dos alto-falantes sobre como eles lidam com o calor criado pela potência do seu amplificador e, em seguida, explicaremos como o ruído rosa é usado para criar classificações de potência.
Eficiência e potência do alto-falante
Infelizmente, os alto-falantes são notoriamente ineficientes. Um driver de médio porte de 8 polegadas de alta eficiência usado em um alto-falante público só pode transformar cerca de 1,3% da potência do amplificador em energia acústica. O restante é convertido em calor na bobina de voz e, posteriormente, nas partes ao redor da bobina, como o ímã, o T-yoke e o cone.
Os alto-falantes projetados para aplicações de áudio automotivo costumam ser significativamente menos eficientes porque precisam operar em uma faixa de frequência mais ampla. Para um driver de médio porte com uma classificação de sensibilidade de 90 dB 1W/1M, a eficiência é de apenas 0,63%.
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 muito quente para tocar e só continuará a ficar mais quente. Uma pesquisa rápida mostra que as lâmpadas incandescentes têm uma eficiência de cerca de 2,2. Essa falta de eficiência os torna uma ótima analogia em termos de comparação da geração de calor com a de um alto-falante. Entraremos na logística e na realidade de alimentar tanto poder em qualquer coisa, menos em um subwoofer em breve.
Como os alto-falantes lidam com o calor
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 está concentrado naquela bobina de fio relativamente pequena. O único componente que entra em contato direto com a bobina de voz é, não surpreendentemente, o formador da bobina de voz. Nos alto-falantes de áudio do carro, os formadores 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 propriedades isolantes e de condutividade térmica diferentes.
O próximo componente do alto-falante que precisa 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 ao calor sendo transferido para a placa superior e, posteriormente, para a estrutura do motor. Muitos fabricantes de alto-falantes se esforçam para garantir que haja um 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 circuito do campo magnético, também é importante para ajudar a retirar o calor da bobina de voz e da primeira. O T-yoke reside dentro da bobina de voz na maioria dos projetos.
Diâmetro da bobina de voz do subwoofer e manuseio de energia
A capacidade de qualquer dispositivo de lidar com o 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. Nos alto-falantes, o diâmetro e o comprimento do enrolamento da bobina de voz em um subwoofer são um bom indicador de quanto calor e, posteriormente, quanta potência o alto-falante pode suportar.
A título de exemplo, examinando a linha de produtos de um fabricante de subwoofer popular, vemos que seus subwoofers com uma bobina de voz de 2 polegadas de diâmetro são classificados para 250 watts; aumentar para uma bobina de 2,5 polegadas de diâmetro aumenta a 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 de que o tamanho físico (altura) de cada uma dessas bobinas de voz não foi fornecido, portanto, é seguro assumir que o salto para mais de 2.500 watts de manuseio de energia vem com um aumento significativo na altura do enrolamento da bobina e na área de superfície associada.
Tamanhos da bobina de voz do alto-falante de alta frequência
Falar sobre manuseio de energia em qualquer coisa que não seja um subwoofer exigirá algum bom senso. Pense cuidadosamente sobre as classificações de manuseio de energia em um alto-falante de médio porte. Analisaremos outra marca popular e veremos como seus diâmetros de bobina de voz se relacionam com as especificações de manuseio de energia de vários de seus alto-falantes de médio porte de 6,5 polegadas. Esta marca possui um driver com uma bobina de 1 polegada classificada para 70 watts e uma bobina de 1,25 polegadas é classificada como 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 geral do enrolamento afeta a capacidade térmica.
Agora, vamos falar sobre tweeters. Os tweeters em aplicativos de áudio automotivo são extremamente pequenos e, francamente, bastante frágeis. Os enrolamentos da bobina de voz nos tweeters são feitos de fios muito finos, geralmente menores que o calibre 24. Mesmo com um diâmetro de 1 polegada em um tweeter de cúpula macia, eles não podem lidar com muita energia. Então, como os fabricantes chegam a classificações de 100 watts ou mais para seus tweeters quando sabemos que um driver de médio porte 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.
O que é Ruído Rosa?
Antes de entrarmos na explicação de como o manuseio da potência do alto-falante é classificado, precisamos dar uma olhada em algo chamado ruído rosa. O ruído rosa é um sinal de áudio composto por frequências aleatórias de um pouco acima de 0Hz até o limite superior do formato de arquivo de áudio ou áudio do computador. Para um arquivo .wav convencional com qualidade de CD, 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 grosseira de como a matemática funciona, existem 100 Hz entre 100 Hz e 200 Hz, enquanto existem 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.
Veja como é a 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 10 dB menos energia de sinal em 1 kHz do que em 100 Hz. Quando relacionamos essa redução na força do sinal com a potência de nossos amplificadores, a relação também é um fator de 10.
Se estivermos tocando ruído rosa em um sistema de áudio e os controles de sensibilidade do amplificador estiverem configurados para produzir 100 watts de potência a 20 Hz, a 200 Hz, o amplificador produzirá 10 watts. A 2 kHz, o amplificador produzirá 1 watt e, a 20 kHz, o amplificador fornece 0,1 watt de potência aos nossos alto-falantes.
Densidade de potência na música
Outro tópico que devemos discutir antes de chegar às classificações de potência dos alto-falantes é como a energia do áudio é distribuída na música que ouvimos. Analisamos 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 nesta seleção moderadamente diversificada de faixas de música, a energia do áudio é distribuída de forma semelhante à nossa faixa de ruído rosa. Por esse motivo, muitos fabricantes usam sinais de ruído rosa para testar os recursos de manuseio de energia de seus alto-falantes.
Como o manuseio de energia do alto-falante é testado
Dependendo da marca, diferentes empresas usam processos diferentes para testar as capacidades de potência de seus alto-falantes. Deve-se notar que algumas empresas têm especificações detalhadas para seus procedimentos de teste, enquanto outras confiam simplesmente nos dados fornecidos por seus fornecedores e outras supõem com base no tamanho da bobina de voz usada no projeto. Essa é uma das principais diferenças entre as empresas que se esforçam significativamente no design e desenvolvimento de seus produtos e aquelas que escolhem soluções de um catálogo e têm seu nome estampado na cesta e na tampa protetora.
Um processo de teste de alto-falante adequadamente 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 deseja 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 de 28,28 volts rms ou 40 volts pico a pico. Uma vez que esta amplitude é definida, o 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 equipamento de teste, essa 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 de oito a 10 horas como tempo mínimo de teste e algumas estendem isso para 100 horas. Depois que a temperatura se estabiliza no alto-falante, o teste de tempo estendido pode ajudar a confirmar a adequação e a confiabilidade dos adesivos e materiais escolhidos usados para construir o alto-falante. Em essência, torna-se um teste físico, bem como um teste de manuseio de energia.
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 os alto-falantes de médio e alta frequência são testados
Como os drivers e tweeters de médio porte não podem lidar com altos níveis de excursão, eles são testados da mesma maneira que um woofer, mas o sinal de teste passa por um filtro passa-altas. 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 manuseio de energia. 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 estiver conectado ao alto-falante. Uma vez que o nível foi definido, o ruído rosa é reproduzido através de qualquer filtro passa-alta especificado pelo fabricante. Para o propósito deste exemplo, digamos que o filtro esteja definido em 2 kHz.
Esta é a aparência da análise espectral do sinal de teste.
O nível de pico médio do sinal de teste é agora cerca de 20 dB mais baixo do que era em 20 Hz com um sinal de largura de banda total. Em termos de potência do sinal de áudio, temos 1/100 dessa 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 porte e dos 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? Não é provável. Você sabe que alguém que não entende como o ruído rosa funciona vai usar uma faixa de onda senoidal para definir os ganhos em seu amplificador de 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 eles estavam fazendo era definir controles de ganho.
Qual é o ponto das especificações de manuseio de energia?
As classificações de manuseio de potência dos alto-falantes que usam ruído rosa são baseadas em critérios estabelecidos para alto-falantes domésticos de faixa completa. Os testes imitam o que os alto-falantes experimentariam quando ouvidos em altos níveis de volume 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 acionado em clipping – falaremos sobre isso em outro momento.
Por enquanto, a conclusão de tudo isso é que a configuração de um sistema de áudio deve começar com a configuração dos controles de sensibilidade no amplificador do subwoofer e, em seguida, aumentar os níveis dos canais de médio e tweeter para criar um sistema balanceado. As probabilidades são de que você não chegará nem perto da potência máxima dos amplificadores médios e tweeter. Ah, e você não precisa de um amplificador de 150 watts para acionar seus tweeters.
