Como funcionam os alto-falantes

Embora os alto-falantes Hi-Fi já existam há mais de 70 anos, para muitos recém-chegados ao mundo do áudio, essas caixas de madeira com vários componentes e aberturas podem parecer misteriosas. É por isso que elaboramos este artigo para quem está começando sua jornada no mundo do som de alta qualidade.

É importante compreender que, apesar de décadas de avanços tecnológicos em design e fabricação, o princípio fundamental por trás de como os alto-falantes - ou transdutores acústicos - funcionam quase não mudou desde que Edward Kellogg e Chester Rice os introduziram pela primeira vez em 1925. Quer estejamos falando sobre o pequenos alto-falantes em seu smartphone, a barra de som sob sua TV ou os enormes alto-falantes em um show, todos compartilham o mesmo design básico.

A evolução dos sistemas Hi-Fi trouxe-nos uma qualidade de som incrível, mas compreender os princípios básicos por detrás da tecnologia de colunas irá ajudá-lo a tomar decisões mais informadas ao construir o seu próprio sistema de áudio.

Como funciona um alto-falante?

Antes de mergulhar nos detalhes de como funcionam os componentes dos alto-falantes, vamos entender como os alto-falantes criam som em geral. O sinal de áudio amplificado é enviado para uma bobina metálica feita de fio. À medida que a corrente elétrica flui através da bobina, ela interage com um ímã dentro do alto-falante, fazendo o diafragma vibrar.

Essas vibrações movem o ar, criando ondas sonoras que são uma réplica exata do sinal de áudio original. E assim você ouve o som – seja música ou a voz de alguém. Claro, esta é uma explicação simplificada, mas agora que temos um entendimento básico, vamos detalhá-la ainda mais.

O alto-falante, ou transdutor de som, é o componente principal de qualquer sistema de alto-falantes, permitindo-nos ouvir o áudio. Sua função é converter o sinal elétrico do amplificador em ondas sonoras acústicas que viajam pelo ar e chegam aos nossos ouvidos.

Para conectar ao amplificador, o alto-falante possui dois terminais ligados a uma bobina de voz escondida dentro do alto-falante. Esta bobina fica em um espaço estreito entre os pólos de um ímã permanente localizado na parte traseira do alto-falante. Quando a corrente alternada (o sinal elétrico de áudio) flui através da bobina, ela se move para frente e para trás – seguindo os princípios do eletromagnetismo que todos aprendemos na escola.

Como a bobina está presa ao diafragma, que é a parte que você pode ver na frente do alto-falante, o diafragma (ou cone) também se move para frente e para trás. Esses movimentos geram as ondas sonoras que percebemos como som. Para permitir que o diafragma se mova livremente, ele é montado em uma moldura flexível. Quanto maior a amplitude do movimento do diafragma, mais alto será o som que ouvimos.

O que há dentro de um alto-falante?

Vamos dar uma olhada no interior de um alto-falante e analisar como cada parte desempenha um papel na criação do som.

Palestrante

A principal função de um alto-falante é converter um sinal elétrico em ondas sonoras. É essencialmente o “motor” que impulsiona a produção sonora.

Os principais componentes de um alto-falante incluem:

• Pólo;
• Placa traseira;
• Ímã;
• Placa superior;
• Bobina de voz;
• Cesta;
• Aranha;
• Cone e surround;
• Tampa contra poeira.

Pólo, placa traseira e placa superior

O pólo atua como um condutor, coordenando todo o sistema magnético do alto-falante. Ele fica no centro e direciona o campo magnético. A placa traseira está localizada atrás do poste, enquanto a placa superior está posicionada diretamente acima dele.

Ímã

O ímã fornece uma fonte constante de energia magnética no alto-falante, rodeado pelo pólo e placas que ajudam a focar o campo magnético. Ele é fixado na cesta do alto-falante e é chamado de ímã permanente porque mantém suas propriedades magnéticas indefinidamente. Por outro lado, a bobina móvel, que interage com o ímã, só se torna magnética quando uma corrente elétrica passa por ela.

Bobina de voz

A bobina de voz é um fio enrolado firmemente em torno de um pequeno cilindro, às vezes chamado de bobina. Pense nisso como um ioiô. Quando um sinal elétrico passa pela bobina, ele se torna um eletroímã, interagindo com o ímã permanente do alto-falante. Se você se lembrar das aulas de física, saberá que cargas semelhantes se repelem e cargas opostas se atraem. Essa interação magnética faz com que a bobina se mova para frente e para trás, criando ondas sonoras.

Aranha e Surround

A aranha é um material corrugado que sustenta a bobina de voz, mantendo-a no lugar e permitindo que ela se mova estritamente para frente e para trás. Embora possa parecer contra-intuitivo, a aranha garante que a bobina não se desloque lateralmente, mantendo um movimento estável.

A bordadura tem um propósito semelhante para o cone. Ele mantém o cone no lugar na parte superior da cesta do alto-falante, permitindo que ele se mova suavemente enquanto produz som.

Cone

O cone, também conhecido como diafragma, é uma das poucas partes visíveis do alto-falante. Ele se move para frente e para trás em resposta aos impulsos magnéticos da bobina de voz. Este movimento cria ondas de pressão no ar circundante, produzindo os sons que ouvimos.

Tampa contra poeira

A tampa contra poeira é um pequeno componente que protege as partes internas do alto-falante contra poeira e detritos, evitando possíveis danos.

Cesta

A cesta é a estrutura que mantém todos os componentes do alto-falante juntos. Como o nome sugere, funciona como uma cesta, reunindo todas as peças em uma estrutura unificada.

É assim que funciona um alto-falante. No entanto, quando falamos em “alto-falantes”, geralmente nos referimos ao sistema inteiro, não apenas aos componentes internos. Mas o que mais é necessário para garantir que os alto-falantes funcionem de forma eficaz?

Componentes Elétricos

Para que a bobina de voz produza som, ela precisa de um sinal elétrico. É aqui que os terminais dos alto-falantes e os fios trançados entram em ação. Os terminais são os pontos de conexão metálicos ou portas onde o cabo de áudio se conecta ao alto-falante.

Esses terminais se ligam ao fio trançado que alimenta a bobina de voz, fornecendo o “combustível” necessário para alimentá-la. Este fio é responsável pela transmissão do sinal elétrico que é convertido em som.

Gabinete

O gabinete, ou “gabinete” do alto-falante, desempenha um papel crucial no funcionamento do alto-falante. Primeiro, ele fornece um invólucro selado que protege os componentes internos contra poeira, sujeira e elementos externos, como pelos de animais de estimação.

Em segundo lugar, o gabinete ajuda a reduzir a distorção de fase. Quando o diafragma do alto-falante se move, ele produz ondas sonoras em ambas as direções. Sem o gabinete, essas ondas poderiam se anular, resultando em baixa qualidade de som.

Finalmente, o gabinete afeta a direção do som e a afinação dos graves. Um gabinete bem projetado pode ajudar a direcionar o som para onde ele é necessário e melhorar a percepção das baixas frequências.

O invólucro é normalmente feito de material denso e rígido para evitar ressonâncias e vibrações indesejadas. Os materiais mais comuns são madeira ou MDF (placa de fibra de média densidade), embora às vezes também seja usado plástico.

Como os alto-falantes reproduzem frequências diferentes?

Já abordamos como os alto-falantes convertem energia elétrica em ondas sonoras. No entanto, nem todas as frequências sonoras são iguais e se um único alto-falante tentar lidar com todo o espectro do som, a qualidade será prejudicada.

É por isso que nos shows você verá frequentemente pilhas enormes de sistemas de áudio. Cada alto-falante é projetado para lidar com uma faixa de frequência específica: subwoofers e woofers gerenciam as frequências baixas, drivers de médio porte cobrem os médios e tweeters pequenos cuidam das frequências altas. Esses alto-falantes são construídos de maneira diferente para lidar com essas faixas distintas.

É claro que a maioria das pessoas não quer encher seu estúdio ou sala de estar com uma grande pilha de alto-falantes e drivers separados para cada frequência. É aqui que entram os alto-falantes multi-driver.

Alto-falantes com vários drivers

Os alto-falantes com vários drivers usam dois, três ou até quatro drivers de tamanhos diferentes para lidar com várias frequências. O tipo mais comum é o alto-falante de dois drivers, geralmente chamado de sistema bidirecional.

Dentro de um alto-falante bidirecional, há um crossover – um componente especial que divide o sinal de áudio em diferentes faixas de frequência. As frequências altas são enviadas para o tweeter, enquanto as frequências médias e baixas são direcionadas para o woofer, utilizando filtros para dividir as frequências de forma adequada.

Ao usar um crossover, o alto-falante pode reproduzir toda a gama de som com um nível de qualidade que seria impossível com apenas um único driver.

Tweeters e woofers

Se você notou, a maioria dos alto-falantes Hi-Fi possui vários drivers de tamanhos diferentes no painel frontal. Mas por que isso acontece? Embora, em teoria, um único driver possa reproduzir toda a gama de frequências de áudio, existem limitações práticas para esta abordagem.

Tweeters e woofers

Um driver pequeno não consegue mover ar suficiente para produzir baixas frequências em um volume adequado. Por outro lado, drivers maiores, que lidam bem com os graves, têm limitações mecânicas que os impedem de reproduzir altas frequências com eficiência. Outra característica importante dos drivers é a diretividade, que se refere ao ângulo dentro do qual o som está devidamente balanceado. A diretividade de um driver depende do seu tamanho: drivers maiores têm diretividade mais estreita em altas frequências, enquanto os menores têm dificuldade com baixas frequências.

Alto-falante de alta frequência

Para obter um som equilibrado e de alta qualidade em todas as frequências, os alto-falantes usam vários drivers de tamanhos diferentes. Cada driver é projetado especificamente para lidar com uma faixa de frequência específica – baixa, média ou alta. Para garantir que cada driver receba apenas as frequências para as quais foi projetado, é usado um componente especial conhecido como crossover, que divide o sinal de áudio em diferentes bandas de frequência. Mas falaremos sobre isso na próxima vez.

O que é impedância do alto-falante?

A impedância do alto-falante refere-se à resistência geral ao fluxo de corrente elétrica em um alto-falante. É medido em ohms e inclui a resistência do fio da bobina de voz e a indutância causada pelo fio enrolado em uma bobina. Ao contrário da resistência padrão, a indutância muda com a frequência do sinal, um fenômeno conhecido como reatância indutiva.

Devido a esta variável, a impedância difere da resistência “normal” e é calculada através de fórmulas complexas, que você não precisa memorizar, a menos que seja engenheiro. O que é importante lembrar é que combinar a impedância dos alto-falantes e do amplificador é crucial para um desempenho ideal. Impedância incompatível pode resultar em qualidade de som inferior, superaquecimento e até mesmo danos ao equipamento.

Portanto, certifique-se sempre de que seus alto-falantes sejam compatíveis com seu amplificador para evitar problemas e desfrutar de um som de alta qualidade sem arriscar seu equipamento!

Potência do alto-falante vs. sensibilidade do alto-falante

“Quanto maior, melhor”, certo?

Nem sempre. Muitas pessoas pensam que uma potência mais alta nos alto-falantes significa automaticamente um som mais alto. Mas, na realidade, você conseguirá usar totalmente todo esse poder?

A melhor maneira de comparar alto-falantes é observar sua sensibilidade. A sensibilidade, medida em decibéis (dB), informa a eficiência com que um alto-falante converte energia elétrica em som. Quanto maior a classificação de sensibilidade, mais som o alto-falante pode produzir com uma determinada quantidade de potência. Em outras palavras, ele transforma melhor a eletricidade em ondas sonoras.

As classificações de sensibilidade nivelam o campo de jogo ao comparar o desempenho e a potência dos alto-falantes. No entanto, se estiver usando um amplificador externo, você ainda precisará considerar quanta potência os alto-falantes podem suportar. O manuseio de energia indica quanta energia elétrica um alto-falante pode suportar sem ser danificado, por isso é importante combinar a saída do seu amplificador com a potência nominal do alto-falante.

A escolha entre sensibilidade alta ou baixa depende das necessidades do seu sistema. Se a eficiência energética for importante (como em alto-falantes portáteis ou sistemas de áudio automotivo), você desejará alto-falantes com maior sensibilidade. Por outro lado, em uma configuração de áudio profissional, você pode precisar de alto-falantes com maior capacidade de potência.

Resposta de frequência

Quando falamos sobre a resposta de frequência de um alto-falante, estamos discutindo sua capacidade de reproduzir som em diferentes faixas de frequência. Como nenhum alto-falante é perfeito, um gráfico de resposta de frequência ajuda a revelar as frequências em que o alto-falante pode enfatizar demais ou ter desempenho inferior.

A resposta de frequência é importante por vários motivos. Primeiro, é fundamental ao projetar sistemas multi-driver e configurar crossovers, que dividem frequências entre diferentes drivers. Em segundo lugar, ajuda você a escolher os alto-falantes certos para suas necessidades específicas de áudio, seja para trabalho em estúdio profissional ou para ouvir música em casa.

Muitos alto-falantes de consumo são intencionalmente sintonizados com uma ligeira curva de “sorriso” em sua resposta de frequência para melhorar a experiência sonora. No entanto, se você trabalha com produção musical, precisa de alto-falantes com resposta de frequência plana. Isso garante que nenhum instrumento ou amostra seja mascarado por quedas na faixa de frequência ou aumentado artificialmente por picos.

Essencialmente, os alto-falantes com resposta de frequência plana fornecem um som preciso e limpo, refletindo de perto a fonte de áudio original, o que é crucial para mixagem e masterização precisas.

E quanto aos fones de ouvido?

Os fones de ouvido usam a mesma tecnologia dos drivers de alto-falante, mas em menor escala. Essencialmente, são pequenos alto-falantes que ficam sobre ou dentro dos ouvidos, proporcionando um som personalizado.

Como funcionam os alto-falantes estéreo?

Um único alto-falante normalmente reproduz som em mono. Para obter um palco sonoro totalmente estéreo, você precisa de dois alto-falantes, cada um transmitindo os sinais de áudio esquerdo e direito e posicionados para criar um ambiente sonoro espaçoso.

Mas e as barras de som? Como eles criam um efeito estéreo?

Soundbars projetadas para saída estéreo possuem vários drivers dispostos em todo o gabinete. O sinal estéreo é dividido nos canais esquerdo e direito, e cada driver recebe sua parte para criar uma imagem estéreo mais ampla. Esses sistemas geralmente vêm com um subwoofer adicional para graves profundos – perfeito para reproduzir baixas frequências ou a voz rouca do Batman.

Quem inventou o alto-falante?

Como muitas outras invenções do início do século 20, é difícil atribuir o crédito a apenas uma pessoa pela invenção do alto-falante. A tecnologia evoluiu ao longo do tempo à medida que cientistas e engenheiros adquiriram uma melhor compreensão das ondas sonoras e das correntes elétricas.

Alexander Graham Bell, o famoso inventor do telefone, fez contribuições significativas à tecnologia de áudio, desenvolvendo uma das primeiras versões de alto-falante no final do século XIX. Não muito tempo depois, Oliver Lodge criou o primeiro alto-falante de bobina móvel. Em 1915, os engenheiros dinamarqueses Peter L. Jensen e Edwin Pridham patentearam o alto-falante eletrodinâmico, onde uma bobina de fio presa a um diafragma era colocada em um campo magnético.

Do outro lado do Atlântico, em 1925, Edward W. Kellogg e Chester W. Rice desenvolveram o alto-falante dinâmico com diafragma, que mais tarde foi licenciado pela RCA. Seu design incluiu muitos elementos que formam a base da moderna tecnologia de alto-falantes.

Portanto, é seguro dizer que muitas pessoas contribuíram para o desenvolvimento da tecnologia que hoje permite desfrutar de música e filmes com som de alta qualidade. Tal como acontece com muitas grandes invenções, foi preciso muito esforço para dar vida ao alto-falante moderno!

O futuro dos sistemas acústicos

A tecnologia está ficando menor e mais barata – isso é um fato. Mas quando se trata de alto-falantes, a tecnologia central permaneceu praticamente inalterada desde a sua invenção.

Na realidade, os alto-falantes são uma das tecnologias mais ineficientes que usamos hoje. Mais de 99% da energia que entra em um alto-falante não é convertida em som. A maior parte é desperdiçada como calor. É surpreendente que a Agência de Proteção Ambiental (EPA) ainda não tenha banido os alto-falantes devido à sua baixa eficiência energética.

No entanto, o futuro dos alto-falantes pode mudar graças a um novo material descoberto em 2004 – o grafeno. Este material é incrivelmente leve, o que significa que requer muito menos energia para se mover para frente e para trás e criar ondas sonoras. Isso é uma ótima notícia, especialmente para os tweeters, que precisam de materiais tão leves para funcionar eficientemente em altas frequências.

Se os cientistas conseguirem aumentar a produção de grafeno e integrá-lo em produtos comerciais, os alto-falantes do futuro poderão ser mais leves e muito mais eficientes em termos energéticos.

Até então, teremos que nos contentar com o que temos agora – miniaquecedores que convertem sinais elétricos em mudanças na pressão do ar, também conhecidos como alto-falantes.