Crossovers são extremamente importantes para sistemas de alto-falantes e uma grande razão pela qual conseguimos qualidade sonora que amamos.
Por outro lado, coisas como frequência de crossover (Fc), inclinações (dB por oitava) e como tudo funciona podem ser um pouco complicadas se não entender como tudo funciona. Adoraria ajudar!
Neste artigo explico:
Este diagrama mostra exemplos dos 3 principais tipos de filtro usados em crossovers. Também mostradas as inclinações mais comuns, que é a "inclinação" do filtro (quão efetivamente bloqueiam frequências além da frequência de crossover).
Uma frequência de crossover, comumente escrita como Fc, é o ponto de frequência de áudio em Hertz (Hz) no qual o crossover entrega -3dB (1/2) de potência de saída ao alto-falante. Fc é o ponto de marcação após o qual as frequências sonoras serão grandemente reduzidas para impedir que cheguem ao alto-falante.
Após o ponto de frequência de crossover (Fc), a potência de saída do cairá cada vez mais, com cada vez menos potência enviada ao alto-falante. Acontece que em Fc a tensão de saída para a carga (alto-falante) é 0,707 x a tensão de entrada, o que significa que pode calcular a queda em decibéis baseada na tensão de saída versus tensão de entrada.
Ao projetar crossovers de alto-falantes, a frequência de crossover (fc) é usada como uma linha que marca onde queremos começar a bloquear frequências sonoras enviadas ao alto-falante. Geralmente baseia-se nas especificações do fabricante do alto-falante que lista as frequências sonoras que o alto-falante pode reproduzir com boa resposta e sem distorção.
Por exemplo, tweeters não tocam notas de graves da música e podem até ser danificados por elas. Sabendo disso, queremos escolher frequência de crossover alta o suficiente para bloquear notas de graves enviadas aos tweeters, evitando distorção ou dano. (Tipicamente tweeters têm frequência de crossover na casa dos milhares de Hertz [escrito como KiloHertz ou kHz] como 3,5kHz, 5kHz, etc. — bem acima da faixa de graves e médios da música).
Frequência de crossover também é chamada às vezes de frequência de canto ou frequência de corte já que pensamos em como sons são "cortados" após aquele ponto.
Crossovers de alto-falante (também chamados "passivos" pois não usam energia elétrica para operar) usam capacitores e indutores selecionados baseados em valores de peças disponíveis e custo. Um crossover é projetado baseado em frequência Fc inicial e ajustado conforme necessário para objetivos do projeto.
Usar a frequência de crossover Fc como ponto de partida permite que projetistas de sistemas de alto-falantes calculem valores de peças necessários (capacitores e indutores) dependendo da impedância do alto-falante. Como não se compra peças em qualquer valor, a Fc que obtemos baseada no que queremos é bom ponto de partida para trabalhar e ajustar conforme necessário para trabalhar com peças baseadas em disponibilidade, preço e outros fatores.
Amplificadores operacionais, também chamados op-amps, são o bloco construtivo mais importante para crossovers eletrônicos. Crossovers eletrônicos realizam exatamente o mesmo trabalho (e têm mesmo comportamento básico) que crossovers passivos (de alto-falante). A diferença é que trabalham com sinais de baixo nível antes de serem amplificados, enquanto crossovers passivos trabalham com sinais amplificados após a saída do amplificador.
NOTA: Neste artigo, enquanto descrevo como crossovers passivos (não eletrônicos, não alimentados) e Fc funcionam, os princípios são exatamente os mesmos para filtros eletrônicos.
Assim como seus equivalentes passivos maiores baseados em capacitor ou indutor, crossovers baseados em amplificadores operacionais têm as mesmas inclinações e comportamento de frequência de crossover. Eles simplesmente fazem isso com o sinal antes de ser amplificado em vez de depois.
Todas as frequências sonoras após a frequência de crossover são cortadas cada vez mais após ela com redução cada vez mais íngreme — a ponto de serem quase completamente bloqueadas.
Em outras palavras, um crossover filtra uma faixa de sons que você gostaria de impedir de chegar aos alto-falantes, começando na frequência de crossover.
No mundo da engenharia elétrica, tradicionalmente usamos decibéis (dB) quando falamos de medições de potência pois são frequentemente não-lineares. Isso significa que matematicamente, potência é frequentemente medida, grafada e rastreada usando matemática exponencial como logaritmos ("10 elevado a x", por exemplo).
Como crossovers reduzem potência em sua saída, é comum medir redução de saída em decibéis. Uma razão é que têm uma "inclinação" suave (curva descendente) em vez de linha reta se graficadas pela faixa completa de frequências de áudio.
Por essa e outras razões, podemos medir redução de potência de saída em dB. Para isso, precisará saber (1) potência antes e depois do alto-falante/vinda do amplificador, ou (2) tensão no alto-falante e vinda do amplificador.
Sabendo isso, pode calcular facilmente a saída em dB de um crossover com calculadora científica no computador ou smartphone.
Pode calcular dB para crossover usando estas fórmulas:
Tensão de saída do crossover (chamada aqui de "Vout", tensão para alto-falante entregue do crossover) nunca pode ser maior que a entrada — isso não é possível. Crossovers só podem reduzir a entrada direcionada ao alto-falante — não podem amplificar. Alguns crossovers eletrônicos fazem, mas intencionalmente têm ganho proposital e não é comum na maioria dos casos.
Por isso, sempre obterá resposta negativa em dB se fizer a matemática para saída de crossover.
Para registro, valor dB negativo mostra redução na matemática de engenharia enquanto positivo geralmente significa ganho ou aumento de sinal. Amplificadores têm saída dB positiva (ganho) enquanto crossovers e outros componentes como resistores têm ganho negativo (efeito dB negativo no sinal).
Atenuação é outra forma de descrever ganho negativo.
Nota: controle de ganho do amplificador serve para compensar nível de sinal de entrada alto ou baixo e é seção separada da circuitaria do crossover.
Exemplo de crossover passa-alta muito comum e simples. Capacitor em série com alto-falante permite frequências mais altas (acima de Fc) passarem com quase nenhuma queda de volume ou potência ao alto-falante. Age como resistor de zero Ohm (curto-circuito) em série com ele. Porém, para frequências de áudio abaixo de Fc, a "resistência" (impedância, chamada reatância capacitiva) do capacitor aumentará, permitindo cada vez menos tensão e potência chegar ao alto-falante. Age como resistor de valor muito alto em série e portanto bloqueará a maior parte do sinal do amplificador enviado ao alto-falante. Em outras palavras, filtro passa-alta!
Um dos problemas que encontrei ao falar deste tópico é visualizar na mente. Por exemplo, pode ser difícil entender o que realmente acontece na vida real ao tocar música no mundo real vs apenas explicação encontrada na internet.
Nota importante: os princípios são os mesmos independentemente do número de "ordens", ou estágios, que um crossover tem. Por exemplo, crossover simples de 1ª ordem com capacitor em linha com tweeter funciona no exatamente mesmo princípio que crossover 2ª ordem 2 vias mais sofisticado.
É só que os detalhes são um pouco mais complicados — não como funciona. Essa parte nunca muda.
Existem crossovers com recursos e designs mais sofisticados que não entrarei aqui, mas na maioria, a maior parte são todos iguais e fazem a mesma coisa em graus variados. A grande coisa é que uma vez que entende o básico muito bem, já entendeu a maior parte!
A coisa mais importante a saber é que crossovers funcionam "absorvendo", ou impedindo, tensão e potência de irem aos alto-falantes conectados para as frequências sonoras que não queremos que toquem.
No exemplo do meu diagrama acima, você vê que:
Como vê em outro lugar no artigo, a "inclinação" da queda de potência e nível de sinal ao alto-falante depende da inclinação do crossover (slope). A inclinação de crossover é basicamente resultado de quantos "estágios", ou seções de crossover, são usados conforme necessário para o sistema ou alto-falantes específicos.
Crossovers como vê aqui são sempre em incrementos de 6 decibéis (dB) Por Oitava:
...e assim por diante, com -12dB sendo uma das inclinações mais comuns para crossovers automotivos e domésticos.
Uma oitava é apenas metade ou dobro de uma frequência de áudio. Por exemplo, 200Hz é uma oitava de 100Hz, 400Hz é uma oitava de 200Hz, depois 800Hz, etc. Equalizadores e outros eletrônicos de áudio podem usar outras variações com números mais finos como 1/3 de oitava, por exemplo.
Mostradas aqui as fórmulas básicas para crossovers simples de 1ª ordem usando capacitores e indutores. Capacitores têm valor de impedância (Ohms) que depende da frequência igual aos indutores.
Capacitores e indutores têm uma "resistência" chamada reatância (em Ohms igual à resistência) que depende da frequência. Aqui estão alguns pontos básicos:
Nota: "Micro" unidades são 1 x 10E-6 casas decimais (ex: 0,000001) enquanto "nano" representa 1 x 10E-9 (ex: 0,000000001).
Em ambos casos, é apenas forma de impedância muito como bobina de voz de alto-falante que tem certa indutância devido à bobina de fio interna. Ambos medidos em Ohms (Ω).
Porém, se complementam e se comportam praticamente como opostos. Por exemplo:
Este gráfico mostra exemplo de filtro passa-alta simples com capacitor de 3,98 microFarad com alto-falante de 8Ω com frequência de crossover (Fc) de 5kHz. No valor Fc, a impedância é igual à carga do alto-falante (8Ω) o que significa que a potência do alto-falante caiu à metade. Mais abaixo de Fc a impedância cresce cada vez mais, bloqueando frequências de graves cada vez mais.
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