Como funcionam os altifalantes: o seu guia para a tecnologia de altifalantes
Os altifalantes convertem sinais de áudio elétricos em ondas sonoras através de princípios eletromagnéticos. Uma corrente elétrica flui através de uma bobina de voz posicionada num campo magnético, fazendo com que um diafragma vibre e mova o ar, criando os sons que ouvimos.
Compreender a tecnologia dos altifalantes ajuda-o a tomar decisões informadas ao selecionar equipamentos de áudio para produção musical ou audição. Apesar dos avanços tecnológicos em materiais e fabricação desde a década de 1920, o princípio fundamental de funcionamento permanece inalterado em todos os tipos de altifalantes — desde altifalantes de smartphones até monitores de estúdio profissionais.
Neste guia, irá aprender:
- Os princípios eletromagnéticos por trás do funcionamento dos altifalantes
- Os componentes internos e as suas funções específicas
- Como os altifalantes reproduzem diferentes gamas de frequências
- Especificações técnicas: impedância, sensibilidade, resposta de frequência
- A história e o futuro da tecnologia dos altifalantes
O princípio básico do funcionamento dos altifalantes
O driver do altifalante (também chamado de transdutor) desempenha uma função essencial: converter energia elétrica em movimento mecânico que cria ondas sonoras.
Quando um sinal de áudio de um amplificador chega aos terminais do altifalante, ele passa por uma bobina de voz — um fio enrolado em torno de um formador cilíndrico. Essa bobina fica no espaço entre os pólos de um íman permanente. À medida que a corrente alternada passa pela bobina, as forças eletromagnéticas fazem com que ela se mova para frente e para trás.
A bobina de voz está ligada a um diafragma. Quando a bobina se move, o diafragma move-se com ela, empurrando e puxando o ar para criar ondas de pressão. Estas ondas de pressão são o som. A amplitude do movimento do diafragma determina o volume; a frequência do movimento determina o tom.
Uma borda flexível permite que o diafragma se mova livremente, mantendo a sua posição. Um movimento maior do diafragma produz níveis de volume mais altos.
Componentes internos de um altifalante
Cada componente dentro de um altifalante desempenha uma função específica no processo de produção de som.
Componentes do sistema magnético
Polo, placa traseira e placa superior
O polo fica no centro e direciona o campo magnético. A placa traseira está localizada atrás do polo, enquanto a placa superior está posicionada acima dele. Esses três componentes concentram o campo magnético no espaço onde a bobina de voz opera.
Íman permanente
O íman permanente fornece energia magnética constante. Mantém as suas propriedades magnéticas sem energia externa. A bobina de voz só se torna magnética quando a corrente elétrica passa por ela.
Bobina de voz
A bobina de voz é um fio enrolado em torno de um formador cilíndrico (também chamado de bobina). Quando o sinal elétrico passa pela bobina, ela se torna um eletroímã. As forças magnéticas entre a bobina de voz e o íman permanente fazem com que a bobina se mova. Assim como os pólos magnéticos se repelem, os pólos opostos se atraem. Essa interação cria o movimento de vaivém que produz o som.
Componentes estruturais
Aranha
A aranha é um material ondulado que suporta a bobina de voz, permitindo o movimento vertical. Ela impede o movimento lateral, mantendo o movimento estável ao longo de um único eixo.
Borda
O surround mantém o diafragma na parte superior da cesta do altifalante, permitindo um movimento suave enquanto produz som.
Diafragma
O diafragma (também chamado de cone em alguns modelos) é a superfície móvel visível do altifalante. Ele se move em resposta ao movimento da bobina de voz, criando ondas de pressão no ar. Essas ondas de pressão produzem os sons que ouvimos.
Tampa protetora
A tampa protetora protege os componentes internos contra poeira e detritos, evitando danos.
Cesto
A cesta é a estrutura que mantém todos os componentes do altifalante nas suas posições corretas.
Componentes elétricos
Os terminais do altifalante são os pontos de conexão metálicos onde os cabos de áudio se conectam ao altifalante. Esses terminais se conectam ao fio que liga à bobina de voz, fornecendo o sinal elétrico necessário para o funcionamento.
Caixa do altifalante
A caixa (também chamada de gabinete) tem três funções importantes:
Primeiro, protege os componentes internos contra poeira, sujeira e elementos externos.
Segundo, reduz o cancelamento de fase. Quando o diafragma se move, produz ondas sonoras em ambas as direções. Sem um invólucro, essas ondas podem cancelar-se mutuamente, resultando em qualidade de som reduzida, particularmente em baixas frequências.
Terceiro, o invólucro afeta a direção do som e a resposta dos graves. O design do gabinete influencia a forma como os ouvintes percebem as baixas frequências.
Os invólucros são feitos de materiais densos e rígidos para evitar ressonância e vibração indesejadas. Os materiais comuns incluem madeira, MDF (painel de fibra de densidade média) e plástico.
Como os altifalantes reproduzem diferentes frequências
Um único driver não consegue reproduzir eficientemente todas as frequências de áudio. Limitações físicas impedem o desempenho ideal em toda a gama de frequências.
Em concertos, você verá sistemas de altifalantes separados para diferentes gamas de frequências: subwoofers e woofers para baixas frequências, drivers de médio alcance para frequências médias e tweeters para altas frequências. Cada tipo de driver é projetado especificamente para sua gama de frequências.
Para uso doméstico e em estúdios, os altifalantes com vários drivers resolvem esse problema de forma compacta.
Sistemas de altifalantes com vários drivers
Os altifalantes com vários drivers utilizam dois, três ou quatro drivers de tamanhos diferentes para lidar com frequências diferentes. A configuração mais comum é o sistema de duas vias, que utiliza dois drivers.
Um componente crossover divide o sinal de áudio em diferentes faixas de frequência. As frequências altas são enviadas para o tweeter, enquanto as frequências baixas e médias são direcionadas para o driver maior. O crossover usa filtros para dividir as frequências corretamente.
Esta configuração permite que o altifalante reproduza toda a gama de frequências com uma qualidade superior à que um único driver poderia alcançar.
Por que são necessários drivers de tamanhos diferentes
A maioria dos altifalantes tem vários drivers de tamanhos diferentes no painel frontal. Este design resolve limitações físicas específicas.
Os drivers pequenos não conseguem mover ar suficiente para produzir baixas frequências em níveis de volume adequados. Os drivers grandes lidam bem com os graves, mas têm limitações mecânicas que impedem a reprodução eficiente de altas frequências.
A diretividade do driver também depende do tamanho. A diretividade refere-se ao ângulo dentro do qual o som é devidamente equilibrado. Drivers grandes têm diretividade estreita em altas frequências, enquanto drivers pequenos têm diretividade limitada em baixas frequências.
Compreender a impedância do altifalante
A impedância do altifalante é a resistência total ao fluxo de corrente elétrica num altifalante, medida em ohms. A impedância inclui tanto a resistência do fio da bobina de voz quanto a indutância causada pelo enrolamento da bobina.
Ao contrário da resistência padrão, a indutância muda com a frequência do sinal. Essa variação é chamada de reatância indutiva.
É importante combinar a impedância do altifalante com a impedância do amplificador para obter um desempenho ideal. Uma impedância incompatível pode resultar em redução da qualidade do som, sobreaquecimento e danos no equipamento.
Verifique sempre se a impedância do altifalante é compatível com as especificações do seu amplificador.
Potência e sensibilidade do altifalante
Muitas pessoas assumem que uma potência mais elevada significa um som mais alto. Esta suposição é incompleta.
Uma métrica de comparação melhor é a sensibilidade. A sensibilidade, medida em decibéis (dB), indica a eficiência com que um altifalante converte energia elétrica em som. Uma sensibilidade mais elevada significa que o altifalante produz mais som com uma determinada quantidade de potência.
As classificações de sensibilidade fornecem uma comparação justa entre diferentes altifalantes. No entanto, ao usar um amplificador externo, você também deve considerar a potência suportada — a potência elétrica máxima que um altifalante pode receber sem danos. Combine a saída do amplificador com a potência nominal do altifalante.
Escolha alta sensibilidade para aplicações em que a eficiência energética é importante (altifalantes portáteis, sistemas de áudio automotivo). Escolha maior capacidade de potência para aplicações de áudio profissional.
Resposta de frequência
A resposta de frequência descreve a capacidade de um altifalante reproduzir som em diferentes gamas de frequência. Um gráfico de resposta de frequência mostra as frequências em que o altifalante pode enfatizar ou ter um desempenho inferior.
A resposta de frequência é importante por duas razões. Primeiro, é necessária ao projetar sistemas com vários drivers e configurar crossovers. Segundo, ajuda a selecionar os alto-falantes corretos para suas necessidades específicas, seja para trabalho profissional em estúdio ou para ouvir música em casa.
Muitos altifalantes de consumo são sintonizados com um ligeiro aumento nas frequências baixas e altas para melhorar a experiência auditiva. No entanto, a produção musical requer altifalantes com resposta de frequência plana. A resposta plana garante que nenhum instrumento ou amostra seja mascarado por quedas de frequência ou artificialmente aumentado por picos de frequência.
Os altifalantes com resposta de frequência plana fornecem um som preciso que reflete fielmente a fonte de áudio original, o que é necessário para uma mistura e masterização precisas.
Auscultadores
Os auscultadores utilizam a mesma tecnologia que os drivers dos altifalantes, mas em menor escala. São pequenos altifalantes que se colocam sobre ou dentro dos ouvidos, transmitindo o som diretamente ao ouvinte.
Como funcionam os altifalantes estéreo
Um único altifalante reproduz som em mono. Para criar um palco sonoro estéreo completo, são necessários dois altifalantes, cada um transmitindo sinais de áudio esquerdo e direito e posicionados para criar um ambiente sonoro amplo.
As barras de som criam uma saída estéreo utilizando vários drivers dispostos ao longo do gabinete. O sinal estéreo é dividido em canais esquerdo e direito, e cada driver recebe a sua parte designada para criar uma imagem estéreo mais ampla. Estes sistemas incluem frequentemente um subwoofer separado para reprodução de baixas frequências.
A história do desenvolvimento dos altifalantes
Tal como muitas invenções do início do século XX, o altifalante foi desenvolvido por vários inventores ao longo do tempo, à medida que a compreensão das ondas sonoras e das correntes elétricas melhorava.
Alexander Graham Bell, inventor do telefone, fez contribuições significativas para a tecnologia de áudio, desenvolvendo uma versão inicial de um altifalante no final do século XIX. Oliver Lodge criou o primeiro altifalante de bobina móvel. Em 1915, os engenheiros dinamarqueses Peter L. Jensen e Edwin Pridham patentearam o altifalante eletrodinâmico, no qual uma bobina de fio ligada a um diafragma era colocada num campo magnético.
Em 1925, Edward W. Kellogg e Chester W. Rice desenvolveram o altifalante dinâmico com um diafragma, que mais tarde foi licenciado pela RCA. O seu design incluía muitos elementos que constituem a base da tecnologia moderna de altifalantes.
Vários engenheiros contribuíram para o desenvolvimento da tecnologia que permite a reprodução de áudio de alta qualidade atualmente.
O futuro da tecnologia de altifalantes
A tecnologia central dos altifalantes permaneceu praticamente inalterada desde a sua invenção. Os altifalantes são conversores ineficientes de energia — mais de 99% da energia de entrada é convertida em calor em vez de som.
No entanto, a tecnologia futura dos altifalantes pode mudar com o grafeno, um material descoberto em 2004. O grafeno é leve, exigindo menos energia para se mover e criar ondas sonoras. Esta propriedade é particularmente benéfica para drivers de alta frequência, que requerem materiais leves para um funcionamento eficiente em altas frequências.
Se a produção de grafeno puder ser dimensionada para produtos comerciais, os futuros altifalantes poderão ser mais leves e significativamente mais eficientes em termos energéticos.
Principais conclusões
- Os altifalantes convertem sinais elétricos em som através da interação eletromagnética entre uma bobina de voz e um íman permanente
- O diafragma move-se em resposta ao movimento da bobina de voz, criando ondas de pressão que percebemos como som
- São necessários vários drivers de tamanhos diferentes para reproduzir toda a gama de frequências de forma eficiente
- A correspondência de impedância entre os altifalantes e os amplificadores é necessária para um desempenho ideal e a segurança do equipamento
- A sensibilidade indica a eficiência com que um altifalante converte energia elétrica em saída de som
- A resposta de frequência plana é necessária para uma produção e mistura musical precisas
- A tecnologia dos altifalantes permaneceu fundamentalmente inalterada desde a década de 1920, embora os materiais continuem a melhorar
FAQ
Um woofer é um driver grande projetado para reproduzir baixas frequências (graves). Um tweeter é um driver pequeno projetado para reproduzir altas frequências (agudos). Cada tamanho de driver é otimizado para sua faixa de frequência específica devido a limitações físicas — drivers pequenos não conseguem mover ar suficiente para graves, e drivers grandes não conseguem se mover rápido o suficiente para altas frequências.
A impedância do altifalante deve corresponder às especificações do amplificador para garantir o funcionamento adequado, a qualidade de som ideal e a segurança do equipamento. Uma impedância incompatível pode causar redução da qualidade de áudio, sobreaquecimento do amplificador e danos permanentes ao equipamento.
A sensibilidade do altifalante, medida em decibéis (dB), indica a eficiência com que um altifalante converte energia elétrica em saída de som. Uma sensibilidade mais elevada significa que o altifalante produz mais volume com a mesma quantidade de energia de entrada. A sensibilidade é mais útil do que a potência nominal ao comparar o potencial de volume dos altifalantes.
Resposta de frequência plana significa que o altifalante reproduz todas as frequências em níveis iguais, sem enfatizar ou reduzir faixas específicas. Isso é necessário para a produção musical, pois garante uma representação precisa da fonte de áudio, permitindo que os produtores tomem decisões corretas de mixagem e masterização.
Um crossover divide o sinal de áudio em diferentes gamas de frequência e direciona cada gama para o driver apropriado. Por exemplo, num altifalante de duas vias, o crossover envia as frequências altas para o tweeter e as frequências baixas para o woofer, garantindo que cada driver reproduz apenas as frequências para as quais foi concebido para funcionar de forma eficiente.
