segunda-feira, 24 de maio de 2021

Um pouco sobre "Caixas Acústicas"


Na reprodução da voz, música, sons, etc., um dos itens que deve merecer muita atenção é o que trata das "Caixas Acústicas".

Sonofletores Baffles


Generalidades

É no alto falante que ocorre a transformação de sinais elétricos oriundos dos amplificadores, em vibrações mecânicas que criam as ondas sonoras.

As vibrações que ocorrem no cone do alto falante são as responsáveis pela criação destas ondas sonoras, que atingindo os ouvidos criam a sensação sonora.

O alto falante é um componente de grande responsabilidade e baixo rendimento. Ao receber os sinais elétricos e transformá-los em ondas sonoras, seu rendimento não alcança na maioria dos casos sequer 17%.

Sendo tão baixo o rendimento, é importante que se faça algo para que essa energia seja toda aproveitada pelo ouvinte.

É nessa hora que entra em ação a caixa acústica, onde o alto falante está geralmente instalado.

Um alto falante sem nenhum outro recurso, quando recebe sinais equivalentes à voz e música, tem uma reprodução que deixa muito a desejar. Na figura 1 temos um alto falante comum. Se conectado à saída de um amplificador, assim como se apresenta, a qualidade musical do mesmo não estaria tendo o "brilho" adequado.

Figura 1


Um pouco de técnica

Quando o alto falante recebe um sinal elétrico em sua bobina móvel (figura 2) o cone adquire um movimento de vai-e-vem para frente e para trás, em função da atração ou repulsão que sofre a "bobina móvel" e que está solidária com o cone. Este movimento de vai-e-vem é suficiente para criar no meio ambiente, uma vibração que produz uma onda sonora de frequência idêntica à movimentação do cone, que por sua vez, estava reproduzindo em vibrações, o equivalente ao sinal elétrico que havia recebido do amplificador.

Figura 2

Se o alto falante estiver sem nenhum implemento ou complemento, a onda sonora criada pelo movimento do cone, quando se projeta para a frente, sofre uma certa restrição, quando o cone voltando à posição normal, cria na parte traseira do cone uma ondulação idêntica à primeira, mas com uma defasagem de 180º. É dizer que a onda traseira tende a diminuir a amplitude da onda frontal porque é oposta à mesma (figura 3).

Figura 3

Isto reduz ainda mais o rendimento do alto falante que já dissemos não exceder de 17%. Porém, se o alto falante for colocado em um "baffle" simples, constituído de uma tábua, onde exista um orifício para a saída das vibrações frontais do alto falante, a qualidade de reprodução melhora sensivelmente. O que ocorre é que o "baffle" aumentou a distância entre a frente e a parte posterior do cone e com isto diminuiu a interferência que reduzia a eficiência (figura 4).

Figura 4

Quanto maior for a dimensão deste "baffle", melhor a qualidade de reprodução. Isso naturalmente dentro de limites práticos. O ideal seria possuir 21 x 21 metros, mas nem sempre é possível instalar um "baffle" de tais dimensões em um aposento. Para acomodar a situação, surgiram as caixas acústicas que certos autores preferem denominar de sonofletores ou de gabinetes acústicos. As caixas acústicas ou anulam as vibrações posteriores ou procuram utilizá-las depois de haverem modificado sua fase para que em lugar de atenuar as ondas frontais, reforce e assim melhorem a reprodução sonora.

A mais simples das caixas acústicas é a denominada de "baffle infinito" e constitui-se de uma caixa fechada totalmente, salvo pelo orifício destinado ao alto falante (figura 5). Nesta caixa as vibrações posteriores do cone não são aproveitadas, nem podem também interferir com as vibrações frontais do cone.

Figura 5

Caixa "Bass Reflex" ou inversor acústico de fase

Porém, o "baffle infinito" deixa muito a desejar e logo os projetistas descobriram outras soluções, que além de aproveitar as vibrações posteriores do cone, reforçando o rendimento, permitiam reforçar os sons graves, o que sempre foi uma das metas mais almejadas de todo audiófilo.

A solução foi construir uma caixa acústica em que as ondas sonoras produzidas pela parte posterior viessem a se somar às ondas da parte frontal, sem que isso implicasse em diminuição do rendimento, antes pelo contrário. O dimensionamento das caixas acústicas tipo "bass reflex", é muito exato e bastante complexo para ser calculado, mas os resultados são muito satisfatórios. Um desenho de caixa acústica "bass reflex" pode ser apreciado na figura 6.

Figura 6

Existe o orifício para o cone do alto falante e uma outra abertura que pode ser retangular ou circular, denominada "duto" e que permite a saída das vibrações sonoras da parte posterior do cone, porém em fase com as vibrações frontais. Este duto, como a caixa em um todo. é bastante complicado de ser calculado. Seu dimensionamento depende do tamanho global da caixa, que por sua vez, tem suas dimensões governadas pelo alto falante que irá ser utilizado.

Quando surgiu a caixa "bass reflex", ocorreu uma verdadeira corrida de inventores de caixas e gabinetes acústicos, alguns sofisticadíssimos, que utilizavam caixas de concreto armado em lugar da madeira e de tal dimensões que mais pareciam eles a própria residência do ouvinte, do que uma peça do conjunto amplificador...

Caixas complexas como a Lowther (figura 7) ou a de labirinto (figura 8) foram lançadas com muita publicidade e vários autores técnicos exaltaram as qualidades das mesmas.

Figura 7

Figura 8

Porém, dentro da simplicidade de construção e eficiência, é ainda a "bass reflex" que melhores resultados apresenta.

Alto Falantes

Dissemos acima que as caixas acústicas tinham seus dimensionamentos dependentes do alto falante. Isso é verdade e dois são os fatores determinantes: dimensões do alto falante e sua frequência de ressonância. As dimensões a que nos referimos nos alto falantes são do cone (figura 9) e a frequência de ressonância é normalmente indicada pelo fabricante, se bem que a mesma deveria ser indicada no próprio componente, como acontece com a impedância da bobina móvel. Frequência de ressonância é aquela situada na faixa de frequências baixas, entre 20 e 200 Hz, em que o cone do alto falante apresenta maior amplitude de movimento. Quando se aplica um gerador de sinais diretamente à bobina móvel, a mesma efetua um movimento de vai-e-vem. Se variarmos a frequência do sinal aplicado pelo gerador, entre 20 e 200 Hz, começando pelas frequências mais baixas, notaremos que o movimento de vai-e-vem do cone se acentua nitidamente em determinada frequência. Esta é a frequência de ressonância do cone. Os valores habituais de ressonância para alto falantes de 8, 12 e 15 polegadas é de 35, 40, 50 e até 80 Hz. A frequência de ressonância não é desejável em amplificação de áudio, pois se a mesma não for corrigida, o alto falante terá uma tendência de fazer o som quando coincidir com a frequência de ressonância, de parecer um barril vazio, rolando ladeira abaixo. A caixa acústica deve ser construída para que a resposta dos sons graves seja suave sem picos e portanto, a frequência de ressonância deve ser atenuada por projeto adequado da caixa.

Figura 9

As caixas acústicas destinam-se aos alto falantes de graves e médios. Os sons agudos utilizam alto falantes especiais (tweeters), que possuem difusor próprio (figura 10).

Figura 10

Como já dissemos, os cálculos matemáticos para determinação da cubagem das caixas acústicas (volume cúbico interior da mesma em relação ao alto falante utilizado), são muito complexos. 

Dimensionamento de caixas acústicas


Baffle infinito

O baffle infinito ou caixa acústica fechada (figura 11), é o dispositivo mais simples que se conhece para melhorar o rendimento de um alto falante. Observando-se a curva da figura 12, ver-se-á na linha pontilhada (B), o pico que ocorre quando a tampa posterior da caixa é removida. Isto mostra que a caixa fechada é melhor no desempenho, como se pode observar na curva (A) da mesma figura.

Figura 11

Figura 12

Na tabela 1 temos as dimensões recomendadas para baffles infinitos, utilizando alto falantes de diversos diâmetros.

Tabela 1

Inversor acústico de fase ou "Bass Reflex"

Como já dissemos, a caixa "bass reflex" é de mais fácil construção e proporcionalmente é a que melhores resultados apresenta. Na figura 13 temos os detalhes básicos de caixas "bass reflex" para alto falantes diversos.

Figura 13
Anexo à Figura 13

Caixa de labirinto acústico

Um outro tipo de caixa que pode atuar como inversora da onda posterior ou anuladora da mesma é a denominada "labirinto acústico". Na figura 14 (A) temos um tubo onde é colocado o alto falante. Quando este tubo tem o comprimento de 1/2 onda de frequência de ressonância do alto falante, ocorre uma reversão de fase (180º) que é útil, pois reforça o sinal. Se o comprimento do tubo é de apenas 1/4 de onda da frequência de ressonância do alto falante, aumenta a impedância e ocorre uma atenuação da onda posterior, evitando que interfira na onda frontal. Assim, pelo comprimento do tubo poderá obter-se um reforço do som ou atenuação de interferência indesejável.

Porém, utilizar um tubo linear constitui um certo transtorno quando a aparelhagem está instalada em ambiente familiar. A solução encontrada foi "dobrar" o tubo e transformá-lo em labirinto, como se vê na figura 14 (B). Esta disposição permite que a caixa do labirinto seja utilizada em ambientes domésticos.

Figura 14

Anexo à figura 14

Dados construcionais

A madeira utilizada geralmente para construção de caixas acústicas é denominada de "chapa compensada". Estas chapas podem ser de lâminas finas de madeira coladas em diversos sentidos da fibra ou então placas exteriores de madeira e no interior um aglomerado constituído inclusive de serragem de madeira. As espessuras vão de 12 a 20 milímetros. A madeira maciça poderia ser recomendada, porém é cara e deve ser seca para não empenar ou rachar.

A qualidade da madeira tem sido motivo de várias controvérsias entre os audiófilos e profissionais. Porém, quando se trata de compensados, não há por onde escolher. A parte exterior pode ser de canela, jacarandá, etc., e o interior será de conglomerado, pinho, ipê, arueira, etc. Em madeira maciça caberia a argumentação, se fosse válido pensar que a madeira da caixa acústica "vibra" como se fosse o corpo de um violino.

Porém, uma caixa acústica destina-se a lidar com o volume cúbico da massa de ar vibrada pelo cone do alto falante". A caixa acústica não deve contribuir com nenhuma vibração. Se tal fizer estará produzindo sons espúrios, distorções, etc. Madeira sólida, sem nós, juntas bem feitas, herméticas, é o que se necessita em uma caixa acústica.

Juntas

As juntas, das várias faces da caixa acústica podem ser de vários estilos, como se vê na figura 15. Naturalmente as mais fáceis são as do tipo (a) e (b). As outras só poderão ser efetuadas com ferramentas especiais. Mas as juntas (a) e (b) quando bem feitas, utilizando-se como fixação parafusos e cola, são perfeitamente satisfatórias.

Figura 15

Revestimento

A parte interna das caixas acústicas devem ser revestidas de um material absorvente acústico. A lã de vidro, que pode ser a opção mais prática, tem alguns inconvenientes, sendo o mais sério o risco de aspiração dos finos filamentos da lã, que vão produzir no mínimo irritação no aparelho respiratório de quem lida com a mesma.

Recomendável é o uso de feltro não calandrado. Este feltro é aquele que não sofreu a operação final de compressão. Parece um manto felpudo. Uma espessura de dois centímetros é suficiente. O feltro deve ser colado na parte interna das caixas acústicas, utilizando cola plástica.

Colocação do alto falante

O orifício para instalação do alto falante deve ter uma dimensão que permita o livre movimento do cone do alto falante, mas com margem suficiente para que possa ser aparafusado na madeira (figura 16). Isto é importante. Se o orifício é pequeno, o cone do alto falante, na parte corrugada da periferia, pode tocar as bordas de madeira e produzir sons distorcidos ou provocar defeito no alto falante. Se o orifício é grande demais, o alto falante ao ser colocado não vedará a borda, permitindo um "caminho" entre a parte posterior e frontal, nada desejável.

Figura 16

Terminais de ligação

Os terminais de ligação do alto falante devem ser em uma barra, com indicação clara de qual deles corresponde ao começo do enrolamento da bobina móvel ou pelo menos, indicação da cor de código utilizado pelo fabricante para poder permitir a ligação de outras caixas, em série ou paralelo, sem que ocorra a ligação em contra fase que reduziria o volume acústico.

Caixas para vários alto falantes

Até agora só nos referimos a caixas acústicas para um só alto falante. Porém, os conjuntos atualmente existentes, não raro comportam 2, 3 e às vezes mais, alto falantes. O princípio de construção é o mesmo, porém, as caixas sofrem certas restrições de caráter prático, porque não poderiam duplicar, triplicar ou multiplicar muitas vezes o volume acústico destinado a um só alto falante, por 2, 3 ou mais vezes. Deste modo, do ponto de vista estritamente técnico, uma caixa acústica para uso em ambiente familiar de um só alto falante (não estamos levando em conta o "tweeter" porque não entra em consideração para este caso) tem mais rendimento que uma caixa, também para ambiente familiar, contendo 3 alto falantes de graves e médios. É só comparar as dimensões das caixas e a qualidade.

Caixas acústicas inusitadas

Por esta denominação desejamos nos referir a alguns processos de enclausurar o alto falante para obter o efeito de baffle infinito, sem recorrer às clássicas caixas de madeira. É o caso da figura 17, onde foi utilizada uma manilha de barro com diâmetro interno de 12,70 ou 15,24 centímetros para conter respectivamente, alto falante de 5 ou 6 polegadas. Uma manilha com a extensão de 30 centímetros oferece a cubagem adequada para um alto falante de 6 polegadas. A construção é simples. Uma tampa de madeira é recortada para tapar a parte inferior. O alto falante é fixado em um anel de madeira que por sua vez entra justo no outro extremo da manilha, no lado que não tem rebordo. A fixação da madeira á cerâmica da manilha é efetuada com cola "epoxi". A curvatura da manilha dá uma distribuição de 45º de inclinação em relação a vertical. O revestimento interno da cerâmica é também de feltro não calandrado e a cola a ser utilizada é a base de "epoxi".

Figura 17

Colunas sonoras

As colunas sonoras foram utilizadas pela primeira vez no Brasil durante o Congresso Eucarístico realizado no Rio de Janeiro, no local onde hoje se ergue o Museu de Arte Moderna. A exigência da Cúria Metropolitana é que os previstos quinhentos mil fiéis que iriam comparecer, deveriam em cada fileira de bancos, receber a voz do sacerdote em nível coloquial sem excesso de volume, com absoluta clareza. O autor, membro da "APAE" (Association of Public Address Engineers, Inglaterra) fez a instalação de cerca de 400 colunas sonoras para distribuir 4.000 watts de som, tendo sido o êxito completo, não só para a transmissão de voz, como de música dos hinos sacros. Daí por diante, a coluna sonora incorporou-se ao cotidiano das instalações sonoras e se damos aqui detalhes é porque ao longo dos anos, os detalhes originais foram sendo alterados e hoje existem caixas acústicas, contendo alto falantes empilhados, porém com dimensionamento que afasta toda e qualquer semelhança com as colunas sonoras a que nos referimos. Daí, a inserção dos detalhes construtivos. Os alto falantes utilizados são do tipo oval, apropriados para voz e música. Observe os detalhes na figura 18.

Figura 18

Tecidos

As frentes das caixas acústicas quase sempre estão recobertas de tecidos decorativos, mas que devem ter um mínimo de condições técnicas, para não afetar o desempenho da caixa. Quando a caixa acústica contém também os alto falantes para agudos, estes necessitam ter passagem praticamente livre para que os sons agudos não sejam atenuados. Neste caso, o tecido que cobre a frente da caixa deve ter uma trama (espaço entre fios verticais e horizontais que formam o tecido) bem larga. O tecido conhecido como "saco de aniagem" ou pano de saco, é o ideal para frente de caixas acústicas, inclusive o custo. Porém, por razões estéticas, às vezes são preferidos outros tecidos, como talagarsa, crepe da china, etc. Um tecido que pareça incorpado, mas que permita ver através dele com facilidade, é um bom tecido para a frente dos baffles e caixas acústicas.

Conclusão

Na construção de caixas acústicas, o acabamento das mesmas é importante. Não deve existir fresta alguma que permita que a massa de ar dentro de um baffle infinito escape para fora. Em dúvida, cobrir as juntas com uma cola elástica, tipo "Silastic" e a tampa traseira deve ser também colocada com um produto elástico, que permita a remoção quando necessário, mas que atue como gaxeta vedante. O orifício do alto falante deve ser exato e entre a face do alto falante e a madeira não deve existir nenhuma fresta. A caixa deve ser firmemente construída, bem aparafusada e colada. Estes detalhes, que parecem insignificantes podem representar a diferença entre o êxito ou o fracasso para aquele que faz uma caixa acústica. E às vezes certas caixas acústicas adquiridas no comércio precisam ser revisadas, porque a produção apressada, não raro deixa o interior das mesmas com vários defeitos de acabamento.

Bibliografia

  • How to Design, Build & Test Complete Speakers Systems - David B. Weems, Tab Books.
  • Audio Fequency Engineering - E. Haydn Jones, Chatto & Windus.
  • High Quality Sound Reproduction - James Moir, Chapman and Hall.
  • Sound Reproduction - G. A. Briggs, Wharfedale Wireless Works.
  • Loudspeakers and Loudspeaker cabinets - P.W. Van Dew Wall, life Books Ltd.

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