Texto original por Murilo Alvares - 18 de novembro de 2015
fonte: http://www.mayasounds.com/#!Extraindo-o-máximo-do-seu-equipamento/c21aw/564c59d90cf2141230055728

Os amantes do som automotivo podem concordar que houve uma grande mudança técnica na maneira como vemos os sistemas instalados. Das instalações simples e “limpas” do som interno dos anos 90 até os paredões de hoje em dia, o que mais chama atenção é a potência instalada: milhares de Watts. Já que, aparentemente, este é o caminho da maioria – montar o sistema que forneça a maior pressão sonora possível, iremos verificar como extrair o máximo dos equipamentos sem cometer a “barbeiragem” de queimar tudo no final do dia. Os conceitos podem e devem ser aplicados em competições onde busca-se exatamente isto: o máximo.

Menos perdas

Inicialmente criaremos uma base de conhecimento formada por analogias e com esta base fundamentada partiremos para os aspectos técnicos. Somente assim poderemos chegar a algum lugar com pouco tempo e material limitado. Utilizando o gráfico abaixo, é possível estimar rapidamente como as grandezas relacionam-se entre si. Basicamente a Lei de Ohm nos diz que a Tensão é a grandeza que “força” a corrente (carga movida por elétrons passando por uma área) em um circuito. O que limita esta corrente é a resistência.

 

A bateria é um conversor de energia (química->elétrica) e a sua capacidade é especificada com as grandezas Ampére e tempo [A.h]. Desta forma podemos inferir que, por exemplo, uma bateria de 12V e 50Ah é capaz de fornecer o aproximado de 50A por 1 hora, ou, 25A por 2h horas, e assim por diante. No exemplo anterior, se sob carga de 50A sua tensão caiu para 10V, a bateria forneceu 500W médios por uma hora, ou seja, 0.5kWh. Um banco de baterias de 1000Ah (10x 100Ah) pode levar dias para carregar completamente, a depender da capacidade do carregador.

O consumo dos amplificadores não é estático, depende principalmente da taxa de transferência de energia ditada pelo chamado Fator de Crista do sinal. É suficiente ressaltar que músicas comprimidas e de alta energia podem resultar em 6-8 decibéis de FC mediana, fazendo com que seja transferido para a carga (alto-falantes) cerca de 1/3 da potência máxima especificada no amplificador. Se, por exemplo, instalarmos um amplificador de 1000W que com nossa música no máximo está transferindo um terço desta potência para nossos alto-falantes e temos uma bateria de 60Ah instalada, com o carro desligado, podemos estimar que o som vai tocar por cerca de 2 horas, não é mesmo?

Qualquer corrente circulando por um caminho gera calor devido a perdas por efeito Joule, na medida I^2.R (corrente ao quadrado vezes resistência), portanto devemos minimizar a resistência de todos os condutores no sistema. Na internet existem tabelas com corrente máxima para condutores, por exemplo, um cabo de cobre de 25mm^2 conduz de forma segura 162A com 50% de ciclo (lembra o Fator de Crista?), aquecendo a 70 graus Celsius. Se quisermos evitar aquecimento, devemos aumentar a bitola dos cabos, ou reduzir a distância do cabo, ambos os métodos reduzem a Resistência do condutor.

Bancos de bateria montados em sistemas de alta-tensão devem fornecer via de regra a mesma potência que um banco comparativo formado pelas mesmas baterias em paralelo (12V). A diferença é que as perdas são muito menores (lembra do I^2xR?). Amplificadores HV – High-Voltage na sua maioria não possuem a fonte conversora que eleva a tensão de bateria (12V) para a etapa de saída (100V ou mais) eliminando todas as perdas no chaveamento, quedas de tensão nos enrolamentos e trilhas e possível saturação dos transformadores. Comparando um banco de 10 baterias de 100Ah em paralelo (1000Ah em 12V) com um banco de 10 baterias de 100Ah em série (100Ah em 120V) a corrente para fornecer a mesma potência no banco HV é muito menor, fazendo com que as perdas nos cabos sejam também muito menores (lembra I^2... ah, entendeu, não é mesmo?).

Mais SPL 

 

Partindo agora para o caso do alto-falante em uma caixa acústica ligado ao amplificador, lembro da importância de exigir dados concretos das especificações dos produtos aos seus fabricantes. Da mesma forma que tratamos a parte de alimentação, formaremos uma base de conhecimento com analogias e partiremos para conceitos técnicos mais aprofundados.
O amplificador aplica a tensão gerada internamente (ou suprida pelo banco de baterias no caso HV) nos alto-falantes, que formam a carga do amplificador. Esta transferência depende da resistência (ou melhor, impedância pois estamos tratando de corrente alternada) da ligação. Para transferir mais potência para uma mesma carga (impedância) é necessário maior tensão, por isto amplificadores mais potentes tem fontes com maior tensão, ou suportam fornecer maior corrente, no caso de impedância menor. Como potência é corrente X tensão, as grandezas variam proporcionalmente. Iremos tratar do alto-falante em detalhes para estudar como melhorar a transferência de potência do amplificador para a carga.

Basicamente, um alto-falante é mecanicamente uma massa ligada a uma mola e amortecedor. Este sistema tem uma frequência de ressonância (Fs) e perdas determinadas pelo amortecimento (Qms) Esta massa/mola é alimentada pelo sistema formado pelo conjunto magnético e bobina, que quando conectada a uma fonte de energia “controla” este sistema mecânico (Qes) que com o cone (VAS) acoplado ao ar gera pressão sonora. Um alto-falante pode ser considerado “duro” se tiver baixo valor de VAS, que significa volume equivalente de ar da suspensão. É importante notar que este volume equivalente depende da área de cone (Sd). Uma analogia seria comprimir determinado volume de ar com um pistão (cone). Se o pistão é maior, precisamos fazer mais força para comprimir. Se segurarmos um alto-falante alimentado na mão notaremos que ele não consegue reproduzir os graves, isto porque quando o cone move-se por exemplo para a frente ele comprime as moléculas de ar à sua frente e rarefaz as moléculas na parte de traz. Esta compressão logo é compensada pela rarefação anulando o trabalho do cone. Antigamente este problema foi solucionado colocando o alto-falante em um chamado “baffle”, uma barreira em redor do alto-falante estendendo-se por determinada distância fazendo com que a distância percorrida pelas compressões e rarefações seja maior, deste modo estendendo a resposta aos graves (a onda cancela ao percorrer 1 comprimento de onda no entorno do baffle). Com o baffle ficando cada vez maior, a solução era ir dobrando as laterais em volta do alto-falante, até que alguém resolveu fechar a parte de trás resultando em uma caixa selada (closed box).

A caixa selada além de eliminar a irradiação da parte de trás do cone, contém certa quantidade de ar que mecanicamente é análogo a uma mola adicional, quando acoplada a um alto-falante eleva a frequência de ressonância e valores de perdas (Q). A proporção em que a caixa elevará a ressonância depende da razão entre volume da caixa e VAS do alfto-falante. Supondo um alto-falante “mole” – VAS elevado, caso instalado em uma caixa “dura” – Volume pequeno ocasionará em elevação da Fs (Fc em caixa selada) em demasia.

Agora que entendemos algumas analogias podemos partir para a caixa dutada (ou refletora de graves, ou bass-reflex). De maneira similar ao alto-falante, é mecanicamente uma massa-mola. O ar interno é a mola e o montante de ar estacionado dentro do duto é a massa. Pensando desta maneira, a caixa é um ressonador Helmholtz (já soprou no gargalo de uma garrafa vazia? O tom gerado é exatamente a massa de ar contida no gargalo comprimindo e descomprimindo a mola criada pelo ar interno da garrafa).

Quando adicionamos o alto-falante a esta caixa com duto acontece algo interessante: O alto-falante comprime o ar dentro da caixa que atua na massa de ar dentro do duto, inicialmente, nas frequências muito baixas, esta massa de ar move-se de maneira inversa ao cone do alto-falante, como era de se esperar, ou seja, cone para fora, massa de ar para dentro, mas a partir de determinada frequência existe um atraso nesta ação (já ouviram falar que o “delay” de uma caixa bass-reflex é superior ao de uma caixa selada?) que faz com que ambas massas trabalhem de forma complementar, em fase relativa. O “ganho” de uma caixa-dutada vem justamente do fato de que o duto (ou melhor, a massa de ar contida no duto) atua como um alto-falante, e na faixa de frequência em que é ativo, contribui construtivamente na pressão sonora gerada. Pode-se também afirmar que fora desta região, abaixo da frequência de sintonia da caixa, a massa contida no duto contribui destrutivamente resultando na maior atenuação, ou roll-off, abaixo da sintonia quando comparado a uma caixa selada (24dB/oitava versus 12dB/oitava).

Como queremos extrair o máximo do nosso sistema, a escolha da caixa é fácil, escolheremos a bass-reflex e dedicaremos grande atenção ao duto pois aprendemos que pelo menos em uma faixa de frequência ele auxilia o alto-falante a gerar pressão sonora.

Na faixa de frequência centralizada na sintonia da caixa, temos o range de atuação do duto. Ele oferece uma carga mecânica ao cone, reduzindo bastante o deslocamento e consequentemente a contribuição do alto-falante na resposta acústica da caixa. Para extrair o máximo de rendimento do conjunto caixa+alto-falante esta é a região que utilizamos quando em regime de competição de som. O deslocamento reduzido de cone resulta em maior potência admissível. A massa de ar contida no duto está em aceleração máxima, o que causa um grande problema: Perdas!

Para que o duto atue da maneira descrita acima, com comportamento reativo (armazenando e entregando energia proveniente do alto-falante) ele deve operar de maneira linear, ou seja, as moléculas de ar devem deslocar-se com chamado fluxo laminar. Quando a massa de ar move-se com grande velocidade o fluxo torna-se turbulento, causando compressão do duto e mudando o comportamento de reativo para resistivo, fazendo com que a massa de ar atue novamente 180 graus defasada do cone (como nas frequências abaixo da sintonia), reduzindo muito a pressão sonora gerada. Algumas soluções para a compressão do duto podem resultar em enormes ganhos, como por exemplo a implementação de arredondamento em ambas aberturas do duto (raio de 0,2 x Diâmetro é considerado muito bom) e a utilização da maior área de duto possível para a caixa acústica.

Alto-falantes destinados a competição são muito “duros”, com bastante controle magnético (Qes baixo) e baixíssimo VAS. O principal motivo disto é a necessidade de suportar altíssimos “bursts” de potência e o advento da caixas acústicas otimizadas para competição, como veremos a seguir. Para balancear a grande rigidez da suspensão é necessário uma grande massa de ar no duto, o que significa grande área e consequentemente comprimento para manter a sintonia correta, e como já vimos, maior área de duto resulta em menor compressão do duto, justamente na faixa de frequência que será utilizada para gerar mais SPL. A frequência ideal depende de cada sistema, é um balanço entre grau de compressão do duto (aumentando conforme se aproximamos da frequência de sintonia) e excursão (e consequentemente contribuição ao SPL) do do alto-falante. Compressão é inevitável, nosso objetivo é reduzi-la ao máximo. Mas existe outro tipo de compressão? Veremos... Conforme aumentamos o deslocamento de cone, criamos vários efeitos indesejados que geram compressão e perdas. Cobriremos este assunto em um futuro artigo.

Referências:

http://www.rmcybernetics.com/science/cybernetics/electronics_volts_amps_watts.htm
http://br.prysmiangroup.com/br/files/flexosolda.pdf
http://www.neumann-kh-line.com/neumann-kh/home_en.nsf/root/prof-monitoring_knowledge
AES Paper - Maximizing Performance from Loudspeaker Ports