Alto-falante - Loudspeaker

Sistema de alto-falantes de alta fidelidade para uso doméstico com três tipos de drivers dinâmicos
  1. Motorista de médio alcance
  2. Tweeter
  3. Woofers
O orifício abaixo do woofer mais baixo é uma porta para um sistema bass reflex .

Um alto-falante (ou driver de alto - falante , ou mais frequentemente apenas alto-falante ) é um transdutor eletroacústico , ou seja, um dispositivo que converte um sinal elétrico de áudio em um som correspondente . Um sistema de alto-falantes , também muitas vezes referido simplesmente como "alto-falante" ou "alto-falante", compreende um ou mais drivers de alto-falante (definição acima), um gabinete e conexões elétricas possivelmente incluindo uma rede cruzada . O driver do alto-falante pode ser visto como um motor linear conectado a um diafragma que acopla o movimento desse motor ao movimento do ar, ou seja, do som . Um sinal de áudio, normalmente de um microfone, gravação ou transmissão de rádio, é amplificado eletronicamente para um nível de potência capaz de acionar aquele motor a fim de reproduzir o som correspondente ao sinal eletrônico não amplificado original. Esta é, portanto, a função oposta ao microfone e, de fato, o driver do alto-falante dinâmico , de longe o tipo mais comum, é um motor linear na mesma configuração básica do microfone dinâmico que usa esse motor ao contrário, como um gerador

O alto-falante dinâmico foi inventado em 1925 por Edward W. Kellogg e Chester W. Rice, emitido como Patente dos EUA 1.707.570. 2 de abril de 1929. Quando a corrente elétrica de um sinal de áudio passa por sua bobina de voz - uma bobina de fio capaz de se mover axialmente em uma lacuna cilíndrica contendo um campo magnético concentrado produzido por um ímã permanente - a bobina é forçada a se mover rapidamente para trás e adiante devido à lei de indução de Faraday ; ele se conecta a um diafragma ou cone de alto - falante (já que geralmente tem formato cônico para maior robustez) em contato com o ar, criando assim ondas sonoras . Além dos alto-falantes dinâmicos, várias outras tecnologias são possíveis para criar som a partir de um sinal elétrico, algumas das quais estão em uso comercial.

Para que um alto-falante produza som de forma eficiente, especialmente em frequências mais baixas, o driver do alto-falante deve ser confundido para que o som que emana de sua parte traseira não cancele o som (pretendido) da parte frontal; isso geralmente assume a forma de um gabinete de alto - falante ou gabinete de alto-falante , uma caixa geralmente retangular feita de madeira, mas às vezes de metal ou plástico. O design do gabinete desempenha um papel acústico importante, determinando assim a qualidade do som resultante. A maioria dos sistemas de alto-falantes de alta fidelidade (imagem à direita) incluem dois ou mais tipos de drivers de alto-falante, cada um especializado em uma parte da faixa de frequência audível. Os drivers menores, capazes de reproduzir as frequências de áudio mais altas, são chamados de tweeters , os de frequências médias são chamados de drivers de gama média e os de frequências baixas são chamados de woofers . Às vezes, a reprodução das frequências mais baixas (20Hz- ~ 50Hz) é aumentada por um subwoofer, muitas vezes em seu próprio gabinete (grande). Em um sistema de alto-falantes de duas ou três vias (um com drivers cobrindo duas ou três faixas de frequência diferentes), há uma pequena quantidade de componentes eletrônicos passivos chamados de rede cruzada que ajuda a direcionar os componentes do sinal eletrônico para os drivers de alto-falante mais capazes de reproduzir essas frequências. Em um chamado sistema de alto - falante amplificado, o amplificador de potência que realmente alimenta os drivers do alto-falante está embutido no próprio gabinete; estes se tornaram cada vez mais comuns, especialmente como alto-falantes de computador.

Alto-falantes menores são encontrados em dispositivos como rádios , televisores , reprodutores de áudio portáteis e computadores . Sistemas de alto-falantes maiores são usados ​​para sistemas domésticos de alta fidelidade ("aparelhos de som"), instrumentos musicais eletrônicos , reforço de som em teatros e salas de concerto e em sistemas de endereçamento público .

Terminologia

O termo alto - falante pode se referir a transdutores individuais (também conhecidos como drivers ) ou a sistemas completos de alto-falantes que consistem em um gabinete e um ou mais drivers.

Para reproduzir de forma adequada e precisa uma ampla faixa de frequências com cobertura uniforme, a maioria dos sistemas de alto-falantes emprega mais de um driver, principalmente para níveis mais altos de pressão sonora ou precisão máxima. Drivers individuais são usados ​​para reproduzir diferentes faixas de frequência. Os drivers são chamados de subwoofers (para frequências muito baixas); woofers (baixas frequências); alto-falantes de gama média (frequências médias); tweeters (altas frequências); e às vezes superweeters , para as frequências audíveis mais altas e além . Os termos para diferentes drivers de alto-falante variam, dependendo do aplicativo. Em sistemas bidirecionais, não há driver de médio alcance, então a tarefa de reproduzir os sons de médio alcance é dividida entre o woofer e o tweeter. Os aparelhos de som domésticos usam a designação de tweeter para o driver de alta frequência, enquanto os sistemas de concerto profissionais podem designá-los como "HF" ou "agudos". Quando vários drivers são usados ​​em um sistema, uma rede de filtros, chamada de crossover de áudio , separa o sinal de entrada em diferentes faixas de frequência e os encaminha para o driver apropriado. Um sistema de alto-falantes com n bandas de frequência separadas é descrito como " alto-falantes de n vias": um sistema de duas vias terá um woofer e um tweeter; um sistema de três vias emprega um woofer, um mid-range e um tweeter. Os drivers de alto-falante do tipo ilustrado são chamados de dinâmicos (abreviação de eletrodinâmica) para distingui-los de outros tipos, incluindo alto-falantes de ferro em movimento e alto-falantes que usam sistemas piezoelétricos ou eletrostáticos .

História

Johann Philipp Reis instalou um alto-falante elétrico em seu telefone em 1861; era capaz de reproduzir tons claros, mas as revisões posteriores também podiam reproduzir a fala abafada . Alexander Graham Bell patenteou seu primeiro alto-falante elétrico (capaz de reproduzir a fala inteligível) como parte de seu telefone em 1876, que foi seguido em 1877 por uma versão aprimorada de Ernst Siemens . Durante esse tempo, Thomas Edison recebeu uma patente britânica para um sistema que usava ar comprimido como mecanismo de amplificação para seus primeiros fonógrafos cilíndricos, mas acabou optando pelo conhecido chifre de metal acionado por uma membrana ligada ao estilete. Em 1898, Horace Short patenteou um projeto para um alto-falante movido a ar comprimido; ele então vendeu os direitos para Charles Parsons , que recebeu várias patentes britânicas adicionais antes de 1910. Algumas empresas, incluindo a Victor Talking Machine Company e a Pathé , produziam toca-discos usando alto-falantes de ar comprimido. Projetos de ar comprimido são significativamente limitados por sua má qualidade de som e sua incapacidade de reproduzir som em volume baixo. Variantes do projeto foram usadas para aplicações de endereço público e, mais recentemente, outras variações foram usadas para testar a resistência dos equipamentos espaciais aos níveis de som e vibração muito altos que o lançamento de foguetes produz.

Bobina móvel

O primeiro alto-falante experimental de bobina móvel (também chamado dinâmico ) foi inventado por Oliver Lodge em 1898. Os primeiros alto-falantes de bobina móvel práticos foram fabricados pelo engenheiro dinamarquês Peter L. Jensen e Edwin Pridham em 1915, em Napa, Califórnia . Como as caixas acústicas anteriores, essas buzinas usavam buzinas para amplificar o som produzido por um pequeno diafragma. Jensen teve suas patentes negadas. Não tendo sucesso em vender seu produto para companhias telefônicas, em 1915 eles mudaram seu mercado-alvo para rádios e sistemas de endereço público , e batizaram seu produto de Magnavox . Jensen foi, durante anos após a invenção do alto-falante, co-proprietário da The Magnavox Company.

Kellogg e Rice em 1925 segurando o grande driver do primeiro alto-falante de cone de bobina móvel
Protótipo de alto-falante de cone de bobina móvel da Kellogg e Rice em 1925, com eletroímã puxado para trás, mostrando bobina de voz presa ao cone
A primeira versão comercial do alto-falante, vendida com o receptor RCA Radiola, tinha apenas um cone de 6 polegadas. Em 1926, foi vendido por US $ 250, o equivalente a cerca de US $ 3.000 hoje.

O princípio da bobina móvel comumente usado hoje em alto-falantes foi patenteado em 1925 por Edward W. Kellogg e Chester W. Rice, emitido como Patente dos EUA 1.707.570. 2 de abril de 1929. A principal diferença entre as tentativas anteriores e a patente de Rice e Kellogg é o ajuste dos parâmetros mecânicos para fornecer uma resposta de frequência razoavelmente plana .

Esses primeiros alto-falantes usavam eletroímãs , porque ímãs permanentes grandes e poderosos geralmente não estavam disponíveis a um preço razoável. A bobina de um eletroímã, chamada de bobina de campo, era energizada por uma corrente por meio de um segundo par de conexões com o driver. Esse enrolamento normalmente tinha uma função dupla, agindo também como uma bobina de estrangulamento , filtrando a fonte de alimentação do amplificador ao qual o alto-falante estava conectado. A ondulação CA na corrente foi atenuada pela ação de passar pela bobina de estrangulamento. No entanto, as frequências de linha CA tendiam a modular o sinal de áudio que ia para a bobina de voz e adicionado ao zumbido audível. Em 1930, Jensen lançou o primeiro alto-falante comercial de ímã fixo; entretanto, os grandes e pesados ​​ímãs de ferro da época eram impraticáveis ​​e os alto-falantes de bobina de campo permaneceram predominantes até a ampla disponibilidade de ímãs de alnico leves após a Segunda Guerra Mundial.

Primeiros sistemas de alto-falantes

Na década de 1930, os fabricantes de alto-falantes começaram a combinar dois e três drivers ou conjuntos de drivers, cada um otimizado para uma faixa de frequência diferente, a fim de melhorar a resposta de frequência e aumentar o nível de pressão sonora . Em 1937, o primeiro sistema de alto-falantes padrão da indústria cinematográfica, "The Shearer Horn System for Theatres", um sistema bidirecional, foi lançado pela Metro-Goldwyn-Mayer . Ele usava quatro drivers de baixa frequência de 15 ″, uma rede crossover ajustada para 375 Hz e uma única buzina multicelular com dois drivers de compressão fornecendo as altas frequências. John Kenneth Hilliard , James Bullough Lansing e Douglas Shearer desempenharam papéis na criação do sistema. Na Feira Mundial de Nova York de 1939 , um grande sistema de som público bidirecional foi montado em uma torre em Flushing Meadows . Os oito drivers de baixa frequência de 27 ″ foram projetados por Rudy Bozak em seu papel como engenheiro-chefe da Cinaudagraph. Os drivers de alta frequência provavelmente foram feitos pela Western Electric .

A Altec Lansing apresentou o 604 , que se tornou seu driver coaxial Duplex mais famoso , em 1943. Ele incorporou uma buzina de alta frequência que enviava o som por um orifício na peça polar de um woofer de 15 polegadas para desempenho próximo ao ponto-fonte. O sistema de alto-falantes "Voice of the Theatre" da Altec foi vendido pela primeira vez em 1945, oferecendo melhor coerência e clareza nos altos níveis de saída necessários nas salas de cinema. A Academia de Artes e Ciências Cinematográficas imediatamente começou a testar suas características sonoras; eles a tornaram o padrão da indústria de cinema em 1955.

Em 1954, Edgar Villchur desenvolveu o princípio de suspensão acústica do design de alto-falantes. Isso permitiu uma melhor resposta de graves do que a obtida anteriormente com drivers montados em gabinetes maiores. Ele e seu sócio Henry Kloss formaram a empresa Acoustic Research para fabricar e comercializar sistemas de alto-falantes usando este princípio. Posteriormente, os desenvolvimentos contínuos no design e nos materiais do gabinete levaram a melhorias audíveis significativas.

As melhorias mais notáveis ​​até hoje nos drivers dinâmicos modernos e nos alto-falantes que os empregam são melhorias nos materiais do cone, a introdução de adesivos de alta temperatura, materiais de ímã permanente aprimorados, técnicas de medição aprimoradas, design auxiliado por computador e análise de elementos finitos . Em baixas frequências, a aplicação da teoria da rede elétrica ao desempenho acústico permitido por vários projetos de gabinetes (inicialmente por Thiele e, posteriormente, por Small) foi muito importante no nível de projeto.

Design do driver: alto-falantes dinâmicos

Vista em corte de um alto-falante dinâmico para o registro de graves.
  1. Magnético
  2. Bobina de voz
  3. Suspensão
  4. Diafragma
Vista em corte de um alto-falante dinâmico de médio porte.
  1. Magnético
  2. Refrigerador (às vezes presente)
  3. Bobina de voz
  4. Suspensão
  5. Diafragma
Vista em corte de um tweeter dinâmico com lente acústica e uma membrana em forma de cúpula.
  1. Magnético
  2. Bobina de voz
  3. Diafragma
  4. Suspensão

O tipo mais comum de driver, comumente chamado de alto-falante dinâmico , usa um diafragma leve , ou cone , conectado a uma cesta rígida , ou estrutura , por meio de uma suspensão flexível, comumente chamada de aranha , que restringe uma bobina de voz para se mover axialmente através de um gap magnético cilíndrico. Uma tampa protetora colada no centro do cone evita que poeira, mais importante detritos ferromagnéticos , entre na abertura.

Quando um sinal elétrico é aplicado à bobina de voz , um campo magnético é criado pela corrente elétrica na bobina de voz, tornando-a um eletroímã variável. A bobina e o sistema magnético do acionador interagem de maneira semelhante a um solenóide , gerando uma força mecânica que move a bobina (e, portanto, o cone conectado). A aplicação de corrente alternada move o código para frente e para trás, acelerando e reproduzindo o som sob o controle do sinal elétrico aplicado vindo do amplificador .

O que se segue é uma descrição dos componentes individuais deste tipo de altifalante.

Diafragma

O diafragma é geralmente fabricado com um perfil em forma de cone ou cúpula. Uma variedade de materiais diferentes podem ser usados, mas os mais comuns são papel, plástico e metal. O material ideal seria 1) rígido, para evitar movimentos descontrolados do cone; 2) ter baixa massa, para minimizar os requisitos de força inicial e problemas de armazenamento de energia; 3) ser bem amortecido , para reduzir as vibrações contínuas após o sinal ter parado com pouco ou nenhum toque audível devido à sua frequência de ressonância, conforme determinado pelo seu uso. Na prática, todos os três critérios não podem ser atendidos simultaneamente usando materiais existentes; portanto, o design do driver envolve compensações . Por exemplo, o papel é leve e normalmente bem umedecido, mas não é rígido; o metal pode ser rígido e leve, mas geralmente tem um amortecimento insuficiente; o plástico pode ser leve, mas, normalmente, quanto mais rígido for, pior será o amortecimento. Como resultado, muitos cones são feitos de algum tipo de material composto. Por exemplo, um cone pode ser feito de papel de celulose, ao qual foram adicionadas algumas fibras de carbono , Kevlar , vidro , cânhamo ou fibras de bambu ; ou pode usar uma construção de sanduíche em forma de favo de mel; ou um revestimento pode ser aplicado a ele de modo a fornecer reforço ou amortecimento adicional.

Cesta

O chassi, estrutura ou cesta são projetados para serem rígidos, evitando a deformação que pode alterar os alinhamentos críticos com o intervalo do ímã, talvez permitindo que a bobina de voz esfregue contra o ímã ao redor do intervalo. Os chassis são normalmente fundidos em liga de alumínio, em alto-falantes de estrutura magnética mais pesados; ou estampado em chapa de aço fina em drivers de estrutura mais leve. Outros materiais, como plástico moldado e cestas de compostos de plástico umedecido, estão se tornando comuns, especialmente para drivers de baixo custo e de baixo peso. O chassi metálico pode desempenhar um papel importante na condução do calor para longe da bobina de voz; o aquecimento durante a operação altera a resistência, causa alterações dimensionais físicas e, se extremo, grelhe o verniz da bobina de voz; pode até desmagnetizar ímãs permanentes.

O sistema de suspensão mantém a bobina centralizada na lacuna e fornece uma força de restauração (centralização) que retorna o cone a uma posição neutra após o movimento. Um sistema de suspensão típico consiste em duas partes: a aranha , que conecta o diafragma ou bobina de voz à estrutura inferior e fornece a maior parte da força de restauração, e a envolvente , que ajuda a centralizar o conjunto bobina / cone e permite o movimento pistônico livre alinhado com a lacuna magnética. A aranha é geralmente feita de um disco de tecido ondulado , impregnado com uma resina endurecedora. O nome vem da forma das primeiras suspensões, que eram dois anéis concêntricos de baquelite , unidos por seis ou oito "pernas" curvas. Variações dessa topologia incluíam a adição de um disco de feltro para fornecer uma barreira às partículas que poderiam causar o atrito da bobina de voz. A empresa alemã Rulik ainda oferece motoristas com aranhas incomuns feitas de madeira.

Materiais de cone

O contorno do cone pode ser de borracha ou espuma de poliéster , papel tratado ou um anel de tecido ondulado revestido com resina; ele é conectado à circunferência do cone externo e à estrutura superior. Esses diversos materiais circundantes, sua forma e tratamento podem afetar drasticamente a saída acústica de um driver; cada implementação tem vantagens e desvantagens. A espuma de poliéster, por exemplo, é leve e econômica, embora geralmente vaze ar em algum grau, mas é degradada pelo tempo, exposição ao ozônio, luz ultravioleta, umidade e temperaturas elevadas, limitando a vida útil antes da falha. As bordas do papel tratado acabarão por falhar.

O fio em uma bobina de voz geralmente é feito de cobre , embora alumínio - e, raramente, prata - possa ser usado. A vantagem do alumínio é seu peso leve, o que reduz a massa móvel em relação ao cobre. Isso aumenta a frequência de ressonância do alto-falante e aumenta sua eficiência. Uma desvantagem do alumínio é que ele não é facilmente soldado e, portanto, as conexões costumam ser comprimidas e seladas. Essas conexões devem ser bem feitas ou podem falhar em um ambiente de intensa vibração mecânica. As seções transversais do fio da bobina de voz podem ser circulares, retangulares ou hexagonais, fornecendo quantidades variáveis ​​de cobertura de volume do fio no espaço de lacuna magnética. A bobina é orientada coaxialmente dentro da lacuna; ele se move para frente e para trás dentro de um pequeno volume circular (um orifício, fenda ou ranhura) na estrutura magnética. A lacuna estabelece um campo magnético concentrado entre os dois pólos de um ímã permanente; o anel externo da lacuna é um pólo, e o poste central (chamado de peça polar) é o outro. A peça polar e a placa traseira são freqüentemente feitas como uma única peça, chamada de placa polar ou jugo.

Os ímãs acionadores modernos são quase sempre permanentes e feitos de ferrita , alnico ou, mais recentemente, terra rara , como neodímio e samário-cobalto . Os drivers eletrodinâmicos eram frequentemente usados ​​em amplificadores / gabinetes de alto-falantes de instrumentos musicais até a década de 1950; havia uma economia econômica para aqueles que usavam amplificadores valvulados, já que a bobina de campo podia, e geralmente fazia, uma função dupla como um bloqueador de fonte de alimentação. Uma tendência no design - devido aos aumentos nos custos de transporte e um desejo por dispositivos menores e mais leves (como em muitas instalações de home theater com vários alto-falantes) - é o uso do último em vez de tipos de ferrite mais pesados. Muito poucos fabricantes ainda produzem alto-falantes eletrodinâmicos com bobinas de campo alimentadas eletricamente , como era comum nos primeiros projetos; uma das últimas é uma empresa francesa. Quando os ímãs permanentes de alta intensidade de campo tornaram-se disponíveis após a Segunda Guerra Mundial, o alnico, uma liga de alumínio, níquel e cobalto, tornou-se popular, uma vez que dispensou os problemas dos acionadores de bobinas de campo. Alnico foi usado quase exclusivamente até cerca de 1980, apesar do problema embaraçoso de ímãs de alnico serem parcialmente desmagnetizados (ou seja, desmagnetizados) por 'estalos' ou 'cliques' acidentais causados ​​por conexões soltas, especialmente se usados ​​com um amplificador de alta potência. O dano pode ser revertido "recarregando" o ímã, mas isso requer equipamento e conhecimento especializado incomuns.

Depois de 1980, a maioria (mas não todos) dos fabricantes de drivers mudaram de ímãs de alnico para ferrite, que são feitos de uma mistura de argila cerâmica e partículas finas de bário ou ferrita de estrôncio. Embora a energia por quilograma desses ímãs de cerâmica seja menor do que o alnico, é substancialmente mais barato, permitindo que os projetistas usem ímãs maiores, mas mais econômicos, para obter um determinado desempenho.

O tamanho e o tipo de ímã e os detalhes do circuito magnético diferem, dependendo dos objetivos do projeto. Por exemplo, a forma da peça polar afeta a interação magnética entre a bobina de voz e o campo magnético e às vezes é usada para modificar o comportamento de um driver. Um "anel de curto", ou laço de Faraday, pode ser incluído como uma capa de cobre fina encaixada sobre a ponta do pólo ou como um anel pesado situado dentro da cavidade do pólo magnético. Os benefícios dessa complicação são a impedância reduzida em altas frequências, fornecendo saída de agudos estendida, distorção harmônica reduzida e uma redução na modulação de indutância que normalmente acompanha grandes excursões da bobina de voz. Por outro lado, a capa de cobre requer um gap maior da bobina de voz, com maior relutância magnética; isso reduz o fluxo disponível, exigindo um ímã maior para desempenho equivalente.

O design do driver - incluindo a maneira particular como dois ou mais drivers são combinados em um gabinete para fazer um sistema de alto-falantes - é uma arte, envolvendo percepções subjetivas de timbre e qualidade de som e uma ciência, envolvendo medições e experimentos. O ajuste de um projeto para melhorar o desempenho é feito usando uma combinação de teoria da ciência magnética, acústica, mecânica, elétrica e material, e monitorado com medições de alta precisão e as observações de ouvintes experientes. Alguns dos problemas que os designers de alto-falante e driver devem enfrentar são distorção, lobing de radiação, efeitos de fase, resposta fora do eixo e artefatos de crossover. Os projetistas podem usar uma câmara anecóica para garantir que o alto-falante possa ser medido independentemente dos efeitos da sala ou de qualquer uma das várias técnicas eletrônicas que, até certo ponto, substituem essas câmaras. Alguns desenvolvedores evitam as câmaras anecóicas em favor de configurações de sala padronizadas específicas destinadas a simular condições de audição da vida real.

A fabricação de sistemas de alto-falantes acabados tornou-se segmentada, dependendo principalmente do preço, custos de envio e limitações de peso. Os sistemas de alto-falantes de última geração, que normalmente são mais pesados ​​(e geralmente maiores) do que o transporte econômico permite fora das regiões locais, geralmente são feitos na região do mercado-alvo e podem custar US $ 140.000 ou mais por par.

Um sistema de alto-falantes de alta fidelidade de quatro vias . Cada um dos quatro drivers gera uma faixa de frequência diferente; a quinta abertura na parte inferior é uma porta de reflexo de graves .

Os drivers eletrodinâmicos individuais fornecem seu melhor desempenho dentro de uma faixa de frequência limitada. Múltiplos drivers (por exemplo, subwoofers, woofers, drivers de médio alcance e tweeters) são geralmente combinados em um sistema de alto-falantes completo para fornecer desempenho além dessa restrição. Os três sistemas de radiação sonora mais comumente usados ​​são os drivers do tipo cone, cúpula e buzina.

Drivers full-range

Um driver de faixa completa é um alto-falante projetado para ser usado sozinho para reproduzir um canal de áudio sem a ajuda de outros drivers e, portanto, deve cobrir toda a faixa de frequência de áudio. Esses drivers são pequenos, normalmente de 3 a 8 polegadas (7,6 a 20,3 cm) de diâmetro para permitir uma resposta de alta frequência razoável e cuidadosamente projetados para fornecer saída de baixa distorção em baixas frequências, embora com nível de saída máximo reduzido. Os drivers de alcance total (ou mais precisamente, alcance amplo) são mais comumente ouvidos em sistemas de som público, em televisões (embora alguns modelos sejam adequados para escuta de alta fidelidade), pequenos rádios, interfones, alguns alto-falantes de computador , etc. Em hi sistemas de alto-falante -fi , o uso de unidades de acionamento de amplo alcance pode evitar interações indesejáveis ​​entre vários drivers causadas por localização não coincidente do driver ou problemas de rede de crossover. Os fãs de sistemas de alto-falantes de alta fidelidade com driver de amplo alcance reivindicam uma coerência de som devido à fonte única e à falta de interferência resultante, e provavelmente também à falta de componentes de crossover. Os detratores costumam citar a resposta de frequência limitada dos drivers de amplo alcance e as habilidades modestas de saída (mais especialmente em baixas frequências), juntamente com sua necessidade de caixas grandes, elaboradas e caras - como linhas de transmissão, ressonadores de quarto de onda ou chifres - para atingir o desempenho ideal . Com o advento dos drivers de neodímio, linhas de transmissão de um quarto de onda de baixo custo tornaram-se possíveis e estão cada vez mais disponíveis comercialmente.

Os drivers de alcance total geralmente empregam um cone adicional chamado whizzer : um pequeno cone de luz conectado à junta entre a bobina de voz e o cone principal. O cone whizzer estende a resposta de alta frequência do driver e amplia sua diretividade de alta frequência, que de outra forma seria muito estreitada devido ao material do cone de diâmetro externo não conseguir acompanhar a bobina de voz central em frequências mais altas. O cone principal em um design whizzer é fabricado de forma a flexionar mais no diâmetro externo do que no centro. O resultado é que o cone principal fornece baixas frequências e o cone whizzer contribui com a maioria das frequências mais altas. Como o cone do whizzer é menor que o diafragma principal, a dispersão de saída em altas frequências é melhorada em relação a um diafragma maior único equivalente.

Drivers de alcance limitado, também usados ​​isoladamente, são normalmente encontrados em computadores, brinquedos e rádios-relógios . Esses drivers são menos elaborados e menos caros do que os drivers de ampla gama e podem ser severamente comprometidos para caber em locais de montagem muito pequenos. Nessas aplicações, a qualidade do som é uma prioridade baixa. O ouvido humano é notavelmente tolerante com a má qualidade do som, e a distorção inerente aos drivers de alcance limitado pode melhorar sua saída em altas frequências, aumentando a clareza ao ouvir o material falado.

Subwoofer

Um subwoofer é um driver de woofer usado apenas para a parte mais grave do espectro de áudio: normalmente abaixo de 200 Hz para sistemas de consumidor, abaixo de 100 Hz para som profissional ao vivo e abaixo de 80 Hz em sistemas aprovados pela THX . Como a faixa de frequências pretendida é limitada, o design do sistema de subwoofer é geralmente mais simples em muitos aspectos do que os alto-falantes convencionais, geralmente consistindo de um único driver dentro de uma caixa ou gabinete adequado. Uma vez que o som nesta faixa de frequência pode facilmente dobrar nos cantos por difração , a abertura do alto-falante não precisa ficar de frente para o público e os subwoofers podem ser montados na parte inferior do gabinete, voltados para o chão. Isso é facilitado pelas limitações da audição humana em baixas frequências; tais sons não podem ser localizados no espaço, devido aos seus grandes comprimentos de onda em comparação com frequências mais altas que produzem efeitos diferenciais nos ouvidos devido ao sombreamento pela cabeça e difração ao redor dela, ambos nos quais contamos para pistas de localização.

Para reproduzir com precisão notas de baixo muito baixas sem ressonâncias indesejadas (normalmente de painéis de gabinete), os sistemas de subwoofer devem ser solidamente construídos e devidamente reforçados para evitar sons indesejados de vibrações do gabinete. Como resultado, bons subwoofers são normalmente bastante pesados. Muitos sistemas de subwoofer incluem amplificadores de potência integrados e (sub) filtros eletrônicos subsônicos , com controles adicionais relevantes para a reprodução de baixa frequência (por exemplo, um botão de crossover e uma chave de fase). Essas variantes são conhecidas como subwoofers "ativos" ou "amplificados", com o primeiro incluindo um amplificador de potência. Em contraste, os subwoofers "passivos" requerem amplificação externa.

Em instalações típicas, os subwoofers são fisicamente separados do resto dos gabinetes de alto-falantes. Por causa do atraso de propagação, sua saída pode estar um pouco fora de fase de outro subwoofer (em outro canal) ou ligeiramente fora de fase com o resto do som. Consequentemente, o amplificador de potência de um subwoofer muitas vezes tem um ajuste de atraso de fase (aproximadamente 1 ms de atraso é necessário para cada pé adicional de separação do ouvinte) que pode melhorar o desempenho do sistema como um todo nas frequências do subwoofer (e talvez uma oitava ou acima do ponto de cruzamento). No entanto, a influência das ressonâncias da sala (às vezes chamadas de ondas estacionárias ) é normalmente tão grande que esses problemas são secundários na prática. Os subwoofers são amplamente usados ​​em sistemas de reforço de som para concertos grandes e locais de médio porte . Os gabinetes de subwoofer geralmente são construídos com uma porta bass reflex (ou seja, um orifício no gabinete com um tubo conectado a ele), um recurso de design que, se projetado corretamente, melhora o desempenho dos graves e aumenta a eficiência.

Woofer

Um woofer é um driver que reproduz baixas frequências. O driver trabalha com as características do gabinete para produzir baixas frequências adequadas (consulte o gabinete do alto-falante para algumas das opções de design disponíveis). Na verdade, ambos estão tão intimamente ligados que devem ser considerados juntos no uso. Somente no momento do projeto as propriedades separadas do invólucro e do woofer são importantes individualmente. Alguns sistemas de alto-falantes usam um woofer para as frequências mais baixas, às vezes bem o suficiente para que um subwoofer não seja necessário. Além disso, alguns alto-falantes usam o woofer para lidar com frequências médias, eliminando o driver de gama média. Isso pode ser feito com a seleção de um tweeter que pode funcionar baixo o suficiente para que, combinado com um woofer que responde alto o suficiente, os dois drivers adicionam coerentemente nas frequências médias.

Motorista de médio alcance

Um alto-falante de faixa média é um driver de alto-falante que reproduz uma banda de frequências geralmente entre 1–6 kHz, também conhecida como frequências 'médias' (entre o woofer e o tweeter). Diafragmas de driver de médio alcance podem ser feitos de papel ou materiais compostos e podem ser drivers de radiação direta (como woofers menores) ou podem ser drivers de compressão (como alguns designs de tweeter). Se o driver de médio alcance for um radiador direto, ele pode ser montado no defletor frontal de um gabinete de alto-falante ou, se for um driver de compressão, montado na garganta de uma buzina para nível de saída adicional e controle do padrão de radiação.

Tweeter

Visão explodida de um tweeter de cúpula

Um tweeter é um driver de alta frequência que reproduz as frequências mais altas em um sistema de alto-falantes. Um grande problema no projeto do tweeter é conseguir uma ampla cobertura de som angular (resposta fora do eixo), uma vez que o som de alta frequência tende a deixar o alto-falante em feixes estreitos. Os tweeters de cúpula suave são amplamente encontrados em sistemas estéreo domésticos, e os drivers de compressão carregados com buzina são comuns no reforço de som profissional. Os tweeters de fita ganharam popularidade nos últimos anos, à medida que a potência de saída de alguns designs foi aumentada para níveis úteis para reforço de som profissional e seu padrão de saída é amplo no plano horizontal, um padrão que tem aplicações convenientes em som de concerto.

Drivers coaxiais

Um driver coaxial é um driver de alto-falante com dois ou vários drivers concêntricos combinados. Os drivers coaxiais têm sido produzidos por muitas empresas, como Altec , Tannoy , Pioneer , KEF , SEAS, B & C Speakers, BMS, Cabasse e Genelec .

Projeto de sistema

Símbolo eletrônico para um alto-falante

Crossover

Um crossover passivo
Um sistema biamplificado com um crossover ativo

Usado em sistemas de alto-falantes multi-driver , o crossover é um conjunto de filtros que separa o sinal de entrada em diferentes faixas de frequência (ou seja, "bandas"), de acordo com os requisitos de cada driver. Conseqüentemente, os drivers recebem energia apenas em sua frequência de operação (a faixa de frequência de som para a qual foram projetados), reduzindo assim a distorção nos drivers e a interferência entre eles. As características ideais de um crossover podem incluir atenuação perfeita fora de banda na saída de cada filtro, nenhuma variação de amplitude ("ondulação") dentro de cada banda passante, nenhum atraso de fase entre as bandas de frequência sobrepostas, para citar apenas alguns.

Os crossovers podem ser passivos ou ativos . Um crossover passivo é um circuito eletrônico que usa uma combinação de um ou mais resistores , indutores ou capacitores não polares . Esses componentes são combinados para formar uma rede de filtros e, na maioria das vezes, são colocados entre o amplificador de potência de faixa de frequência total e os drivers do alto-falante para dividir o sinal do amplificador nas bandas de frequência necessárias antes de ser entregue aos drivers individuais. Os circuitos de crossover passivos não precisam de alimentação externa além do sinal de áudio em si, mas têm algumas desvantagens: eles podem exigir indutores e capacitores maiores devido aos requisitos de manuseio de energia (sendo acionados pelo amplificador), disponibilidade limitada de componentes para otimizar as características do crossover em tais níveis de potência , etc. Ao contrário dos crossovers ativos que incluem um amplificador embutido, os crossovers passivos têm uma atenuação inerente dentro da banda passante, normalmente levando a uma redução no fator de amortecimento antes da bobina de voz. Um crossover ativo é um circuito de filtro eletrônico que divide o sinal em indivíduos bandas de frequência antes da amplificação de potência, exigindo, assim, pelo menos um amplificador de potência para cada passa-banda. A filtragem passiva também pode ser usada desta forma antes da amplificação de potência, mas é uma solução incomum, sendo menos flexível do que a filtragem ativa. Qualquer técnica que use filtragem cruzada seguida de amplificação é comumente conhecida como bi-amping, tri-amping, quad-amping e assim por diante, dependendo do número mínimo de canais do amplificador.

Alguns designs de alto-falantes usam uma combinação de filtragem passiva e ativa de crossover, como um crossover passivo entre os drivers de frequência média e alta e um crossover ativo entre o driver de baixa frequência e as frequências médias e altas combinadas.

Os crossovers passivos são comumente instalados dentro das caixas de som e são de longe o tipo mais comum de crossover para uso doméstico e de baixo consumo de energia. Em sistemas de áudio automotivos, os crossovers passivos podem estar em uma caixa separada, necessária para acomodar o tamanho dos componentes usados. Os crossovers passivos podem ser simples para filtragem de ordem inferior ou complexos para permitir declives acentuados, como 18 ou 24 dB por oitava. Os crossovers passivos também podem ser projetados para compensar as características indesejáveis ​​do driver, buzina ou ressonâncias do gabinete e podem ser difíceis de implementar, devido à interação do componente. Os crossovers passivos, como as unidades de driver que alimentam, têm limites de potência, têm perdas de inserção (10% geralmente é reivindicado) e alteram a carga vista pelo amplificador. As mudanças são motivo de preocupação para muitos no mundo hi-fi. Quando altos níveis de saída são necessários, crossovers ativos podem ser preferíveis. Os crossovers ativos podem ser circuitos simples que emulam a resposta de uma rede passiva ou podem ser mais complexos, permitindo extensos ajustes de áudio. Alguns crossovers ativos, geralmente sistemas de gerenciamento de alto-falantes digitais, podem incluir eletrônicos e controles para alinhamento preciso de fase e tempo entre as bandas de frequência, equalização, compressão de faixa dinâmica e controle de limitação.

Gabinetes

Um sistema de alto-falantes de três vias incomum. O gabinete é estreito para aumentar a frequência onde ocorre um efeito de difração denominado "passo defletor".

A maioria dos sistemas de alto-falantes consiste em drivers montados em um gabinete ou gabinete. A função do gabinete é evitar que as ondas sonoras que emanam da parte de trás de um driver interfiram destrutivamente com as da frente. As ondas sonoras emitidas de trás estão 180 ° defasadas em relação às emitidas para a frente, portanto, sem um invólucro, normalmente causam cancelamentos que degradam significativamente o nível e a qualidade do som em baixas frequências.

A montagem do driver mais simples é uma tela plana (ou seja, um defletor) com os drivers montados em orifícios. No entanto, nesta abordagem, as frequências de som com um comprimento de onda maior do que as dimensões do defletor são canceladas, porque a radiação antifásica da parte traseira do cone interfere na radiação da frente. Com um painel infinitamente grande, essa interferência pode ser totalmente evitada. Uma caixa lacrada suficientemente grande pode se aproximar desse comportamento.

Como os painéis de dimensões infinitas são impossíveis, a maioria dos gabinetes funciona contendo a radiação traseira do diafragma móvel. Um invólucro selado evita a transmissão do som emitido pela parte traseira do alto-falante, confinando o som em uma caixa rígida e hermética. As técnicas usadas para reduzir a transmissão de som através das paredes do gabinete incluem paredes de gabinete mais espessas, material de parede com perdas, reforço interno, paredes de gabinete curvas ou, mais raramente, materiais viscoelásticos (por exemplo, betume com carga mineral ) ou folhas finas de chumbo aplicadas para as paredes internas do gabinete.

No entanto, uma caixa rígida reflete o som internamente, que pode então ser transmitido de volta através do diafragma do alto-falante - novamente resultando na degradação da qualidade do som. Isso pode ser reduzido pela absorção interna usando materiais absorventes (geralmente chamados de "amortecimento"), como lã de vidro , lã ou manta de fibra sintética, dentro do gabinete. A forma interna da caixa também pode ser projetada para reduzir isso, refletindo os sons para longe do diafragma do alto-falante, onde podem ser absorvidos.

Outros tipos de gabinete alteram a radiação do som traseiro para que possa adicionar de forma construtiva à saída da frente do cone. Projetos que fazem isso (incluindo bass reflex , radiador passivo , linha de transmissão , etc.) são freqüentemente usados ​​para estender a resposta efetiva de baixa frequência e aumentar a saída de baixa frequência do driver.

Para fazer a transição entre os drivers o mais perfeita possível, os designers do sistema tentaram alinhar no tempo (ou ajuste de fase) os drivers movendo um ou mais locais de montagem do driver para frente ou para trás de modo que o centro acústico de cada driver esteja na mesma vertical plano. Isso também pode envolver a inclinação do alto-falante frontal para trás, fornecendo uma montagem de gabinete separada para cada driver ou (menos comumente) usando técnicas eletrônicas para obter o mesmo efeito. Essas tentativas resultaram em alguns designs de gabinete incomuns.

O esquema de montagem do alto-falante (incluindo gabinetes) também pode causar difração , resultando em picos e quedas na resposta de frequência. O problema geralmente é maior em frequências mais altas, onde os comprimentos de onda são semelhantes ou menores do que as dimensões do gabinete. O efeito pode ser minimizado arredondando as bordas frontais do gabinete, curvando o próprio gabinete, usando um gabinete menor ou mais estreito, escolhendo um arranjo de driver estratégico, usando material absorvente em torno de um driver, ou alguma combinação desses e outros esquemas.

Alto-falantes de corneta

Um alto-falante de três vias que usa buzinas na frente de cada um dos três drivers: uma buzina rasa para o tweeter, uma buzina longa e reta para frequências médias e uma buzina dobrada para o woofer

Os alto-falantes de corneta são a forma mais antiga de sistema de alto-falantes. O uso de buzinas como megafones de amplificação de voz data pelo menos do século 17, e as buzinas eram usadas em gramofones mecânicos já em 1877. Os alto-falantes de buzina usam um guia de ondas em forma na frente ou atrás do driver para aumentar a diretividade do alto-falante e para transformar uma condição de pequeno diâmetro e alta pressão na superfície do cone acionador em uma condição de grande diâmetro e baixa pressão na boca da buzina. Isso melhora a correspondência acústica de impedância eletro / mecânica entre o driver e o ar ambiente, aumentando a eficiência e focando o som em uma área mais estreita.

O tamanho da garganta, boca, comprimento da buzina, bem como a taxa de expansão da área ao longo dela, devem ser cuidadosamente escolhidos para corresponder ao impulso para fornecer adequadamente esta função de transformação em uma faixa de frequências (cada buzina tem um desempenho ruim fora de sua acústica limites, em frequências altas e baixas). O comprimento e a seção transversal da área da boca necessárias para criar uma trompa de baixo ou sub-baixo exigem uma trompa de muitos metros de comprimento. Chifres 'dobrados' podem reduzir o tamanho total, mas obrigam os designers a fazerem concessões e aceitarem complicações crescentes, como custo e construção. Alguns designs de buzina não apenas dobram a buzina de baixa frequência, mas usam as paredes em um canto da sala como uma extensão da boca da buzina. No final dos anos 1940, chifres cujas bocas ocupavam grande parte da parede de uma sala não eram desconhecidos entre os fãs de alta fidelidade. Instalações do tamanho de uma sala tornaram-se muito menos aceitáveis ​​quando duas ou mais eram necessárias.

Um alto-falante com corneta pode ter uma sensibilidade de até 110 dB a 2,83 volts (1 watt a 8 ohms) a 1 metro. Este é um aumento de cem vezes na saída em comparação com um alto-falante classificado com sensibilidade de 90 dB e é inestimável em aplicações onde altos níveis de som são necessários ou a potência do amplificador é limitada.

Alto-falante de linha de transmissão

Um alto - falante de linha de transmissão é um design de gabinete de alto-falante que usa uma linha de transmissão acústica dentro do gabinete, em comparação com os gabinetes mais simples usados ​​por designs selados (fechados) ou com portas (reflexo de graves) . Em vez de reverberar em um gabinete amortecido bastante simples, o som da parte de trás do alto-falante de graves é direcionado para um longo caminho amortecido (geralmente dobrado) dentro do gabinete do alto-falante, o que permite um controle e uso muito maior da energia do alto-falante e o som resultante.

Conexões de fiação

Postes de ligação bidirecionais em um alto-falante, conectados por meio de plugues banana .
Um alto-falante de 4 ohms com dois pares de postes de ligação capaz de aceitar bi-cablagem após a remoção de duas tiras de metal.

A maioria dos alto- falantes hi-fi domésticos usa dois pontos de fiação para se conectar à fonte do sinal (por exemplo, ao amplificador ou receptor de áudio ). Para aceitar a conexão de fio, o gabinete do alto-falante pode ter postes de ligação , clipes de mola ou uma tomada para montagem em painel. Se os fios de um par de alto-falantes não estiverem conectados de acordo com a polaridade elétrica adequada (as conexões + e - no alto-falante e no amplificador devem ser conectadas + para + e - para -; o cabo do alto-falante é quase sempre marcado para que um condutor de um par pode ser distinguido do outro, mesmo que tenha funcionado sob ou atrás de coisas em sua passagem do amplificador para a localização do alto-falante), os alto-falantes são considerados "fora de fase" ou, mais apropriadamente, "fora de polaridade". Dados sinais idênticos, o movimento em um cone está na direção oposta do outro. Isso normalmente faz com que o material monofônico em uma gravação estéreo seja cancelado, reduzido em nível e mais difícil de localizar, tudo devido à interferência destrutiva das ondas sonoras. O efeito de cancelamento é mais perceptível em frequências onde os alto-falantes estão separados por um quarto do comprimento de onda ou menos; as baixas frequências são as mais afetadas. Este tipo de erro na fiação não danifica os alto-falantes, mas não é ideal para ouvir.

Com o sistema de reforço de som , sistema de PA e caixas de alto-falante do amplificador de instrumento , cabos e algum tipo de jaque ou conector são normalmente usados. O sistema de som de preços mais baixos e médios e os gabinetes de alto-falante de instrumentos geralmente usam conectores de cabo de 1/4 ". Os gabinetes de sistema de som e alto-falantes de instrumentos de alto e baixo custo geralmente usam conectores Speakon. Os conectores Speakon são considerados mais seguros para alta potência amplificadores, porque o conector é projetado de forma que usuários humanos não possam tocar nos conectores.

Alto-falantes sem fio

Alto-falante HP Roar Wireless

Os alto-falantes sem fio são muito semelhantes aos alto-falantes tradicionais (com fio), mas recebem sinais de áudio usando ondas de radiofrequência (RF) em vez de cabos de áudio. Normalmente há um amplificador integrado no gabinete do alto-falante porque as ondas de RF sozinhas não são suficientes para acionar o alto-falante. Esta integração de amplificador e alto-falante é conhecida como alto-falante ativo . Os fabricantes desses alto-falantes os projetam para serem o mais leves possível, ao mesmo tempo em que produzem o máximo de eficiência de saída de áudio.

Os alto-falantes sem fio ainda precisam de energia, portanto, precisam de uma tomada CA próxima ou, possivelmente, de baterias. Apenas o fio para o amplificador é eliminado.

Especificações

Etiqueta de especificações em um alto-falante

As especificações dos alto-falantes geralmente incluem:

  • Tipo de alto-falante ou driver (unidades individuais apenas) - Faixa completa , woofer, tweeter ou faixa média .
  • Tamanho dos motoristas individuais. Para acionadores de cone, o tamanho cotado geralmente é o diâmetro externo da cesta. No entanto, pode ser menos comumente também o diâmetro do contorno do cone, medido de vértice a vértice, ou a distância do centro de um orifício de montagem ao seu oposto. O diâmetro da bobina de voz também pode ser especificado. Se o alto-falante tiver um driver de buzina de compressão, o diâmetro da garganta da buzina pode ser fornecido.
  • Potência  nominal - potência nominal (ou mesmo contínua) e potência de pico (ou máxima de curto prazo) que um alto-falante pode suportar (ou seja, potência máxima de entrada antes de destruir o alto-falante; nunca é a saída de som que o alto-falante produz). Um driver pode ser danificado por muito menos do que sua potência nominal se for acionado além de seus limites mecânicos em frequências mais baixas. Os tweeters também podem ser danificados pelo corte do amplificador (os circuitos do amplificador produzem grandes quantidades de energia em altas frequências em tais casos) ou por música ou entrada de onda senoidal em altas frequências. Cada uma dessas situações pode passar mais energia para um tweeter do que pode sobreviver sem danos. Em algumas jurisdições, o gerenciamento de energia tem um significado legal que permite comparações entre os alto-falantes em consideração. Em outros lugares, a variedade de significados para capacidade de manuseio de energia pode ser bastante confusa.
  • Impedância  - normalmente 4 Ω (ohms), 8 Ω, etc.
  • Tipo de defletor ou gabinete (apenas sistemas fechados) - selado, reflexo de graves, etc.
  • Número de drivers (apenas sistemas de alto-falantes completos) - bidirecional, trilateral, etc.
  • Classe de alto-falante:
    • Classe 1: SPL máximo 110-119 dB, o tipo de alto-falante usado para reproduzir uma pessoa falando em um pequeno espaço ou para música de fundo ; usado principalmente como alto-falantes de preenchimento para alto-falantes de Classe 2 ou Classe 3; normalmente pequenos woofers de 4 "ou 5" e tweeters de domo
    • Classe 2: SPL máximo 120-129 dB, o tipo de alto-falante com capacidade de potência média usado para reforço em espaços pequenos a médios ou como alto-falantes de preenchimento para alto-falantes de Classe 3 ou Classe 4; normalmente woofers de 5 "a 8" e tweeters de domo
    • Classe 3: SPL máximo de 130-139 dB, alto-falantes de alta potência usados ​​em sistemas principais em espaços pequenos a médios; também usado como alto-falantes de preenchimento para alto-falantes de classe 4; normalmente woofers de 6,5 "a 12" e drivers de compressão de 2 "ou 3" para altas frequências
    • Classe 4: SPL máximo de 140 dB e superior, alto-falantes com capacidade de potência muito alta usados ​​como rede elétrica em espaços médios a grandes (ou para alto-falantes de preenchimento nesses espaços médios a grandes); Woofers de 10 "a 15" e drivers de compressão de 3 "

e opcionalmente:

  • Frequência (s) de crossover ( apenas sistemas multi-driver) - Os limites de frequência nominal da divisão entre drivers.
  • Resposta de frequência  - A saída medida ou especificada em uma faixa especificada de frequências para um nível de entrada constante variou entre essas frequências. Às vezes inclui um limite de variância, como dentro de "± 2,5 dB."
  • Parâmetros Thiele / Small (drivers individuais apenas) - incluem os F s do driver(frequência de ressonância), Q ts ( Q do driver; mais ou menos, seu fator de amortecimento na frequência de ressonância), V as (o volume de complacência de ar equivalente do motorista), etc.
  • Sensibilidade  - O nível de pressão sonora produzido por um alto-falante em um ambiente não reverberante, geralmente especificado em dB e medido a 1 metro com uma entrada de 1 watt (2,83 rms volts em 8 Ω), normalmente em uma ou mais frequências especificadas. Os fabricantes costumam usar essa classificação em material de marketing.
  • Nível máximo de pressão sonora  - A saída mais alta que o alto-falante pode gerenciar, sem danos ou não excedendo um determinado nível de distorção. Os fabricantes costumam usar essa classificação em material de marketing - geralmente sem referência à faixa de frequência ou nível de distorção.

Características elétricas de alto-falantes dinâmicos

A carga que um driver apresenta a um amplificador consiste em uma impedância elétrica complexa - uma combinação de resistência e reatância capacitiva e indutiva , que combina propriedades do driver, seu movimento mecânico, os efeitos dos componentes de crossover (se houver algum no sinal caminho entre o amplificador e o driver), e os efeitos da carga de ar no driver conforme modificada pelo gabinete e seu ambiente. A maioria das especificações de saída dos amplificadores são fornecidas em uma potência específica em uma carga resistiva ideal ; no entanto, um alto-falante não tem uma impedância constante em sua faixa de frequência. Em vez disso, a bobina de voz é indutiva, o driver tem ressonâncias mecânicas, o invólucro muda as características elétricas e mecânicas do driver e um cruzamento passivo entre os drivers e o amplificador contribui com suas próprias variações. O resultado é uma impedância de carga que varia amplamente com a frequência e, geralmente, uma relação de fase variável entre a tensão e a corrente também, mudando também com a frequência. Alguns amplificadores podem lidar com a variação melhor do que outros.

Para fazer som, um alto-falante é acionado por corrente elétrica modulada (produzida por um amplificador ) que passa por uma "bobina de alto-falante" que então (por indutância ) cria um campo magnético ao redor da bobina, criando um campo magnético . As variações da corrente elétrica que passam pelo alto-falante são, portanto, convertidas em um campo magnético variável, cuja interação com o campo magnético do driver move o diafragma do alto-falante, o que força o driver a produzir movimento de ar semelhante ao sinal original do amplificador.

Medições eletromecânicas

Exemplos de medições típicas são: amplitude e características de fase vs. frequência; resposta de impulso sob uma ou mais condições (por exemplo, ondas quadradas, explosões de onda senoidal, etc.); diretividade vs. frequência (por exemplo, horizontal, vertical, esférico, etc.); distorção harmônica e de intermodulação vs. saída de nível de pressão sonora (SPL), usando qualquer um dos vários sinais de teste; energia armazenada (ou seja, tocando) em várias frequências; impedância vs. frequência; e desempenho de sinal fraco vs. desempenho de sinal grande. A maioria dessas medições requer equipamento sofisticado e frequentemente caro para executar, e também bom julgamento por parte do operador, mas a saída do nível de pressão sonora bruto é bem mais fácil de relatar e, portanto, é frequentemente o único valor especificado - às vezes em termos enganosamente exatos. O nível de pressão sonora (SPL) que um alto-falante produz é medido em decibéis ( dB spl ).

Eficiência vs. sensibilidade

A eficiência do alto-falante é definida como a saída de potência do som dividida pela entrada de energia elétrica. A maioria dos alto-falantes são transdutores ineficientes; apenas cerca de 1% da energia elétrica enviada por um amplificador para um alto-falante doméstico típico é convertido em energia acústica. O restante é convertido em calor, principalmente na bobina de voz e no conjunto magnético. A principal razão para isso é a dificuldade de conseguir o casamento de impedância adequado entre a impedância acústica da unidade de acionamento e o ar para o qual ela irradia. (Em baixas frequências, melhorar esta correspondência é o objetivo principal dos designs de caixas de som). A eficiência dos drivers de alto-falante também varia com a frequência. Por exemplo, a saída de um driver de woofer diminui à medida que a frequência de entrada diminui por causa da correspondência cada vez mais pobre entre o ar e o driver.

As classificações do driver com base no SPL para uma determinada entrada são chamadas de classificações de sensibilidade e são nocionalmente semelhantes à eficiência. A sensibilidade geralmente é definida como tantos decibéis na entrada elétrica de 1 W, medida a 1 metro (exceto para fones de ouvido ), geralmente em uma única frequência. A voltagem usada geralmente é de 2,83 V RMS , que é 1 watt em uma impedância de alto-falante de 8 Ω (nominal) (aproximadamente verdadeiro para muitos sistemas de alto-falantes). As medições feitas com esta referência são cotadas como dB com 2,83 V @ 1 m.

A saída de pressão do som é medida (ou matematicamente escalada para ser equivalente a uma medição feita a) um metro do alto-falante e no eixo (diretamente na frente dele), sob a condição de que o alto-falante esteja irradiando para um espaço infinitamente grande e montado em um defletor infinito . É claro que a sensibilidade não se correlaciona precisamente com a eficiência, pois também depende da diretividade do driver sendo testado e do ambiente acústico na frente do alto-falante real. Por exemplo, a buzina de uma líder de torcida produz mais saída de som na direção para a qual é apontada, concentrando as ondas sonoras da líder de torcida em uma direção, "focalizando-as" assim. A buzina também melhora a combinação de impedância entre a voz e o ar, o que produz mais potência acústica para uma determinada potência de alto-falante. Em alguns casos, a correspondência de impedância aprimorada (por meio de um design de gabinete cuidadoso) permite que o alto-falante produza mais potência acústica.

  • Os alto-falantes domésticos típicos têm sensibilidades de cerca de 85 a 95 dB para 1 W a 1 m - uma eficiência de 0,5–4%.
  • O reforço de som e os alto-falantes de comunicação pública têm sensibilidades de talvez 95 a 102 dB para 1 W a 1 m - uma eficiência de 4 a 10%.
  • Os alto-falantes de concerto de rock, PA de estádio, granizo marinho etc. geralmente têm sensibilidades mais altas de 103 a 110 dB para 1 W a 1 m - uma eficiência de 10–20%.

Um driver com uma classificação de potência máxima mais alta não pode necessariamente ser conduzido a níveis mais altos do que um de classificação mais baixa, uma vez que a sensibilidade e o manuseio da potência são propriedades amplamente independentes. Nos exemplos a seguir, suponha (para simplificar) que os drivers sendo comparados têm a mesma impedância elétrica, são operados na mesma frequência dentro de ambas as bandas de passagem do driver e que a compressão e distorção de potência são baixas. Para o primeiro exemplo, um alto-falante 3 dB mais sensível do que outro produz o dobro da potência do som (é 3 dB mais alto) para a mesma entrada de energia. Assim, um driver de 100 W ("A") avaliado em 92 dB para 1 W @ 1 m de sensibilidade distribui duas vezes mais potência acústica do que um driver de 200 W ("B") avaliado em 89 dB para 1 W @ 1 m quando ambos são acionados com 100 W de potência de entrada. Neste exemplo específico, quando acionado a 100 W, o alto-falante A produz o mesmo SPL, ou volume que o alto-falante B produziria com 200 W. de entrada. Portanto, um aumento de 3 dB na sensibilidade do alto-falante significa que ele precisa da metade da potência do amplificador para atingir um determinado SPL. Isso se traduz em um amplificador de potência menor e menos complexo - e, freqüentemente, na redução do custo geral do sistema.

Normalmente não é possível combinar alta eficiência (especialmente em baixas frequências) com tamanho de gabinete compacto e resposta de baixa frequência adequada. Pode-se, na maioria das vezes, escolher apenas dois dos três parâmetros ao projetar um sistema de alto-falantes. Portanto, por exemplo, se o desempenho estendido de baixa frequência e o tamanho pequeno da caixa são importantes, deve-se aceitar a baixa eficiência. Essa regra prática é às vezes chamada de Lei de Ferro de Hofmann (em homenagem a JA Hofmann , o "H" em KLH ).

Ambiente de escuta

No Jay Pritzker Pavilion , um sistema LARES é combinado com um sistema de reforço de som zoneado , ambos suspensos em uma treliça de aço no alto, para sintetizar um ambiente acústico interno ao ar livre.

A interação de um sistema de alto-falantes com seu ambiente é complexa e está em grande parte fora do controle do projetista do alto-falante. A maioria das salas de audição apresenta um ambiente mais ou menos reflexivo, dependendo do tamanho, formato, volume e mobília. Isso significa que o som que chega aos ouvidos de um ouvinte consiste não apenas no som diretamente do sistema de alto-falantes, mas também no mesmo som atrasado ao viajar de e para (e ser modificado por) uma ou mais superfícies. Essas ondas sonoras refletidas, quando adicionadas ao som direto, causam cancelamento e adição em frequências variadas (por exemplo, em modos de sala ressonantes ), alterando assim o timbre e a característica do som nos ouvidos do ouvinte. O cérebro humano é muito sensível a pequenas variações, incluindo algumas delas, e isso é parte da razão pela qual um sistema de alto-falantes soa diferente em diferentes posições de escuta ou em diferentes salas.

Um fator significativo no som de um sistema de alto-falantes é a quantidade de absorção e difusão presente no ambiente. Bater palmas em uma sala vazia típica, sem cortinas ou carpete, produz um eco zippy e vibrante devido à falta de absorção e à reverberação (ou seja, ecos repetidos) de paredes reflexivas planas, piso e teto. A adição de móveis de superfície dura, tapeçarias, estantes e até decoração barroca de gesso no teto muda os ecos, principalmente por causa da difusão causada por objetos reflexivos com formas e superfícies com tamanhos na ordem dos comprimentos de onda do som. Isso de alguma forma quebra as reflexões simples, de outra forma causadas por superfícies planas nuas, e espalha a energia refletida de uma onda incidente sobre um ângulo maior de reflexão.

Colocação

Em uma sala de audição retangular típica, as superfícies duras e paralelas das paredes, piso e teto causam nós de ressonância acústica primária em cada uma das três dimensões: esquerda-direita, cima-baixo e frente-trás. Além disso, existem modos de ressonância mais complexos envolvendo três, quatro, cinco e até mesmo todas as seis superfícies de limite combinadas para criar ondas estacionárias . As baixas frequências são as que mais excitam esses modos, uma vez que os comprimentos de onda longos não são muito afetados pela composição ou posicionamento dos móveis. O espaçamento do modo é crítico, especialmente em salas de pequeno e médio porte, como estúdios de gravação, home theaters e estúdios de transmissão. A proximidade dos alto-falantes aos limites da sala afeta a intensidade da excitação das ressonâncias, além de afetar a intensidade relativa de cada frequência. A localização do ouvinte também é crítica, pois uma posição próxima a um limite pode ter um grande efeito no equilíbrio percebido das frequências. Isso ocorre porque os padrões de ondas estacionárias são mais facilmente ouvidos nesses locais e em frequências mais baixas, abaixo da frequência de Schroeder  - normalmente em torno de 200–300 Hz, dependendo do tamanho da sala.

Diretividade

Os acusticistas, ao estudar a radiação de fontes sonoras, desenvolveram alguns conceitos importantes para entender como os alto-falantes são percebidos. A fonte de radiação mais simples possível é uma fonte pontual, às vezes chamada de fonte simples. Uma fonte pontual ideal é um som irradiando um ponto infinitesimalmente pequeno. Pode ser mais fácil imaginar uma pequena esfera pulsante, aumentando e diminuindo uniformemente em diâmetro, enviando ondas sonoras em todas as direções igualmente, independentemente da frequência.

Qualquer objeto que irradia som, incluindo um sistema de alto-falantes, pode ser imaginado como sendo composto de combinações dessas fontes pontuais simples. O padrão de radiação de uma combinação de fontes pontuais não é o mesmo que para uma única fonte, mas depende da distância e orientação entre as fontes, a posição relativa a elas a partir da qual o ouvinte ouve a combinação e a frequência do som envolvido . Usando geometria e cálculo, algumas combinações simples de fontes são facilmente resolvidas; outros não.

Uma combinação simples são duas fontes simples separadas por uma distância e vibrando fora de fase, uma esfera em miniatura se expandindo enquanto a outra está se contraindo. O par é conhecido como dupleto ou dipolo, e a radiação dessa combinação é semelhante à de um alto-falante dinâmico muito pequeno operando sem defletor. A diretividade de um dipolo é uma forma de figura 8 com saída máxima ao longo de um vetor que conecta as duas fontes e os mínimos aos lados quando o ponto de observação é equidistante das duas fontes, onde a soma das ondas positivas e negativas se cancelam. Embora a maioria dos drivers sejam dipolos, dependendo do gabinete ao qual estão ligados, eles podem irradiar como monopólos, dipolos (ou bipolos). Se montado em um defletor finito, e essas ondas fora de fase podem interagir, resultam em picos dipolares e nulos no resultado da resposta de frequência. Quando a radiação traseira é absorvida ou aprisionada em uma caixa, o diafragma se torna um radiador monopolo. Alto-falantes bipolares, feitos pela montagem de monopólos em fase (ambos movendo-se para fora ou para dentro da caixa em uníssono) em lados opostos de uma caixa, são um método de abordagem dos padrões de radiação omnidirecional.

Gráficos polares de um alto - falante colunar de endereço público industrial de quatro drivers tirados em seis frequências. Observe como o padrão é quase omnidirecional em baixas frequências, convergindo para um amplo padrão em forma de leque a 1 kHz, depois se separando em lóbulos e ficando mais fraco em frequências mais altas

Na vida real, os drivers individuais são formas 3D complexas, como cones e cúpulas, e são colocados em um defletor por vários motivos. Uma expressão matemática para a diretividade de uma forma complexa, com base na modelagem de combinações de fontes pontuais, geralmente não é possível, mas no campo distante, a diretividade de um alto-falante com um diafragma circular é próxima à de um pistão circular plano, então pode ser usado como uma simplificação ilustrativa para discussão. Como um exemplo simples da física matemática envolvida, considere o seguinte: a fórmula para diretividade de campo distante de um pistão circular plano em um defletor infinito é onde , é a pressão no eixo, é o raio do pistão, é o comprimento de onda (isto é ) é o ângulo fora do eixo e é a função de Bessel do primeiro tipo.

Uma fonte planar irradia som uniformemente para comprimentos de onda de baixas frequências maiores do que as dimensões da fonte planar e, conforme a frequência aumenta, o som dessa fonte se concentra em um ângulo cada vez mais estreito. Quanto menor o driver, maior a frequência em que ocorre esse estreitamento de diretividade. Mesmo que o diafragma não seja perfeitamente circular, esse efeito ocorre de forma que fontes maiores são mais diretivas. Vários designs de alto-falantes aproximam-se desse comportamento. A maioria são projetos magnéticos eletrostáticos ou planos.

Vários fabricantes usam diferentes arranjos de montagem do driver para criar um tipo específico de campo sonoro no espaço para o qual foram projetados. Os padrões de radiação resultantes podem ser destinados a simular mais de perto a maneira como o som é produzido por instrumentos reais ou simplesmente criar uma distribuição de energia controlada a partir do sinal de entrada (alguns que usam essa abordagem são chamados de monitores , pois são úteis na verificação do sinal recém-gravado em um estúdio). Um exemplo do primeiro é um sistema de canto de sala com muitos drivers pequenos na superfície de uma esfera 1/8. Um projeto de sistema desse tipo foi patenteado e produzido comercialmente pelo Professor Amar Bose - o 2201. Modelos Bose posteriores enfatizaram deliberadamente a produção de som direto e refletido pelo próprio alto-falante, independentemente de seu ambiente. Os designs são controversos nos círculos de alta fidelidade , mas provaram ser comercialmente bem-sucedidos. Os projetos de vários outros fabricantes seguem princípios semelhantes.

A diretividade é uma questão importante porque afeta o equilíbrio da frequência do som que um ouvinte ouve e também a interação do sistema de alto-falantes com a sala e seu conteúdo. Um alto-falante muito diretivo (às vezes denominado 'radiante') (ou seja, em um eixo perpendicular à face do alto-falante) pode resultar em um campo reverberante com falta de altas frequências, dando a impressão de que o alto-falante é deficiente em agudos, embora mede bem no eixo (por exemplo, "plana" em toda a faixa de frequência). Alto-falantes com diretividade muito ampla ou que aumenta rapidamente em altas frequências podem dar a impressão de que há muito agudos (se o ouvinte estiver no eixo) ou muito pouco (se o ouvinte estiver fora do eixo). Isso é parte do motivo pelo qual a medição da resposta de frequência no eixo não é uma caracterização completa do som de um determinado alto-falante.

Outros designs de alto-falantes

Embora os alto-falantes cônicos dinâmicos continuem a ser a escolha mais popular, existem muitas outras tecnologias de alto-falantes.

Com um diafragma

Altifalantes de ferro em movimento

Alto-falante de ferro móvel

O alto-falante móvel de ferro foi o primeiro tipo de alto-falante inventado. Ao contrário do novo design dinâmico (bobina móvel), um alto-falante de ferro móvel usa uma bobina estacionária para vibrar uma peça de metal magnetizada (chamada de ferro, palheta ou armadura). O metal está preso ao diafragma ou é o próprio diafragma. Este projeto foi o projeto do alto-falante original, que remonta aos primeiros telefones. Drivers de ferro em movimento são ineficientes e podem produzir apenas uma pequena faixa de som. Eles requerem grandes ímãs e bobinas para aumentar a força.

Drivers de armadura balanceada (um tipo de chave de ferro móvel) usam uma armadura que se move como uma gangorra ou trampolim. Como não são amortecidos, são altamente eficientes, mas também produzem ressonâncias fortes. Eles ainda são usados ​​hoje em dia para fones de ouvido e aparelhos auditivos de última geração , onde o tamanho pequeno e a alta eficiência são importantes.

Alto-falantes piezoelétricos

Uma campainha piezoelétrica. O material piezoelétrico de cerâmica branca pode ser visto fixado a um diafragma de metal.

Alto-falantes piezoelétricos são freqüentemente usados ​​como bips em relógios e outros dispositivos eletrônicos, e às vezes são usados ​​como tweeters em sistemas de alto-falantes mais baratos, como alto-falantes de computador e rádios portáteis. Os alto-falantes piezoelétricos têm várias vantagens sobre os alto-falantes convencionais: eles são resistentes a sobrecargas que normalmente destruiriam a maioria dos drivers de alta frequência e podem ser usados ​​sem crossover devido às suas propriedades elétricas. Também existem desvantagens: alguns amplificadores podem oscilar ao conduzir cargas capacitivas como a maioria dos piezoelétricos, o que resulta em distorção ou danos ao amplificador. Além disso, sua resposta de frequência, na maioria dos casos, é inferior à de outras tecnologias. É por isso que geralmente são usados ​​em aplicações de frequência única (bip) ou não críticas.

Os alto-falantes piezoelétricos podem ter saída de alta frequência estendida e isso é útil em algumas circunstâncias especializadas; por exemplo, aplicações de sonar em que variantes piezoelétricas são usadas como dispositivos de saída (gerando som subaquático) e como dispositivos de entrada (atuando como componentes de detecção de microfones subaquáticos ). Eles têm vantagens nessas aplicações, e a menos importante delas é a construção simples e de estado sólido que resiste à água do mar melhor do que um dispositivo baseado em fita ou cone.

Em 2013, a Kyocera lançou alto-falantes de filme piezoelétricos ultrafinos de médio porte com apenas 1 milímetro de espessura e 7 gramas de peso para seus televisores OLED de 55 " e espera que os alto-falantes também sejam usados ​​em PCs e tablets. Além do tamanho médio, também há tamanhos grandes e pequenos que podem produzir relativamente a mesma qualidade de som e volume em 180 graus.O material de alto-falante de alta resposta oferece melhor clareza do que os alto-falantes de TV tradicionais.

Alto-falantes magnetostáticos

Alto-falante magnetostático

Em vez de uma bobina de voz acionando um cone de alto-falante, um alto-falante magnetostático usa uma série de tiras de metal unidas a uma grande membrana de filme. O campo magnético produzido pela corrente de sinal que flui através das tiras interage com o campo de ímãs em barra permanente montados atrás delas. A força produzida move a membrana e, portanto, o ar à sua frente. Normalmente, esses projetos são menos eficientes do que os alto-falantes de bobina móvel convencionais.

Alto-falantes magnetostritivos

Transdutores magnetostritivos, baseados em magnetostrição , têm sido usados ​​predominantemente como radiadores de ondas sonoras ultrassônicas de sonar , mas seu uso se espalhou também para sistemas de alto-falantes de áudio. Os drivers de alto-falantes magnetostritivos têm algumas vantagens especiais: eles podem fornecer maior força (com excursões menores) do que outras tecnologias; a baixa excursão pode evitar distorções de grande excursão como em outros projetos; a bobina de magnetização é estacionária e, portanto, mais facilmente resfriada; eles são robustos porque suspensões delicadas e bobinas de voz não são necessárias. Módulos de alto-falantes magnetostritivos foram produzidos pela Fostex e FeONIC e drivers de subwoofer também foram produzidos.

Alto-falantes eletrostáticos

Esquema mostrando a construção de um alto-falante eletrostático e suas conexões. A espessura do diafragma e das grades foi exagerada para fins de ilustração.

Os alto-falantes eletrostáticos usam um campo elétrico de alta tensão (em vez de um campo magnético) para acionar uma membrana fina carregada estaticamente. Como são acionados por toda a superfície da membrana, em vez de por uma pequena bobina de voz, normalmente fornecem um movimento mais linear e com menor distorção do que os acionadores dinâmicos. Eles também têm um padrão de dispersão relativamente estreito que pode contribuir para o posicionamento preciso do campo sonoro. No entanto, sua área de audição ideal é pequena e eles não são alto-falantes muito eficientes. Eles têm a desvantagem de que a excursão do diafragma é severamente limitada por causa das limitações práticas de construção - quanto mais distantes os estatores estão posicionados, mais alta deve ser a tensão para atingir uma eficiência aceitável. Isso aumenta a tendência para arcos elétricos, bem como aumenta a atração do alto-falante por partículas de poeira. O arco continua sendo um problema potencial com as tecnologias atuais, especialmente quando os painéis podem coletar poeira ou sujeira e são acionados com altos níveis de sinal.

Eletrostáticos são inerentemente radiadores dipolo e devido à membrana flexível fina são menos adequados para uso em gabinetes para reduzir o cancelamento de baixa frequência como com drivers de cone comuns. Devido a isso e à baixa capacidade de excursão, os alto-falantes eletrostáticos de faixa completa são grandes por natureza, e o baixo rola a uma frequência correspondente a um quarto do comprimento de onda da dimensão mais estreita do painel. Para reduzir o tamanho dos produtos comerciais, às vezes são usados ​​como um driver de alta frequência em combinação com um driver dinâmico convencional que controla as frequências graves de forma eficaz.

A eletrostática geralmente é conduzida por um transformador elevador que multiplica as oscilações de tensão produzidas pelo amplificador de potência. Este transformador também multiplica a carga capacitiva inerente aos transdutores eletrostáticos, o que significa que a impedância efetiva apresentada aos amplificadores de potência varia amplamente com a frequência. Um alto-falante que tem nominalmente 8 ohms pode, na verdade, apresentar uma carga de 1 ohm em frequências mais altas, o que é um desafio para alguns projetos de amplificador.

Alto-falantes magnéticos de fita e planos

Um alto-falante de fita consiste em uma fita fina de metal suspensa em um campo magnético. O sinal elétrico é aplicado à fita, que se move com ele para criar o som. A vantagem de um driver de fita é que a fita tem muito pouca massa ; portanto, ele pode acelerar muito rapidamente, produzindo uma resposta de alta frequência muito boa. Os alto-falantes de fita geralmente são muito frágeis - alguns podem ser rasgados por uma forte rajada de ar. A maioria dos tweeters de fita emite som em um padrão dipolo. Alguns têm apoios que limitam o padrão de radiação dipolo. Acima e abaixo das extremidades da fita mais ou menos retangular, há menos saída audível devido ao cancelamento de fase, mas a quantidade precisa de diretividade depende do comprimento da fita. Projetos de fita geralmente requerem ímãs excepcionalmente poderosos, o que os torna caros de fabricar. As fitas têm uma resistência muito baixa que a maioria dos amplificadores não pode controlar diretamente. Como resultado, um transformador redutor é normalmente usado para aumentar a corrente através da fita. O amplificador "vê" uma carga que é a resistência da fita vezes a razão de giro do transformador ao quadrado. O transformador deve ser cuidadosamente projetado para que sua resposta de frequência e perdas parasitas não degradem o som, aumentando ainda mais o custo e a complicação em relação aos projetos convencionais.

Alto-falantes magnéticos planos (com condutores impressos ou embutidos em um diafragma plano) às vezes são descritos como fitas, mas não são realmente alto-falantes de fita. O termo planar é geralmente reservado para alto-falantes com superfícies planas aproximadamente retangulares que irradiam de maneira bipolar (ou seja, frontal e traseira). Os alto-falantes magnéticos planos consistem em uma membrana flexível com uma bobina de voz impressa ou montada nela. A corrente que flui através da bobina interage com o campo magnético de ímãs cuidadosamente colocados em ambos os lados do diafragma, fazendo com que a membrana vibre mais ou menos uniformemente e sem muita curvatura ou enrugamento. A força motriz cobre uma grande porcentagem da superfície da membrana e reduz os problemas de ressonância inerentes aos diafragmas planos acionados por bobina.

Altifalantes de onda dobrável

Os transdutores de onda de dobra usam um diafragma que é intencionalmente flexível. A rigidez do material aumenta do centro para o exterior. Os comprimentos de onda curtos irradiam principalmente da área interna, enquanto as ondas mais longas alcançam a borda do alto-falante. Para evitar reflexos de fora para o centro, ondas longas são absorvidas por um amortecedor circundante. Esses transdutores podem cobrir uma ampla faixa de frequência (80 Hz a 35.000 Hz) e foram promovidos como sendo próximos a uma fonte de som ideal. Essa abordagem incomum está sendo adotada por apenas alguns poucos fabricantes, em arranjos muito diferentes.

Os alto-falantes Ohm Walsh usam um driver exclusivo projetado por Lincoln Walsh , que foi engenheiro de desenvolvimento de radar na segunda guerra mundial. Ele se interessou por design de equipamentos de áudio e seu último projeto foi um alto-falante unilateral exclusivo usando um único driver. O cone estava voltado para baixo em um recinto lacrado e hermético. Em vez de se mover para frente e para trás como fazem os alto-falantes convencionais, o cone ondulou e criou o som de uma maneira conhecida na eletrônica de RF como "linha de transmissão". O novo alto-falante criou um campo sonoro cilíndrico. Lincoln Walsh morreu antes de seu alto-falante ser lançado ao público. A empresa Ohm Acoustics produziu vários modelos de alto-falantes usando o design de driver Walsh desde então. A German Physiks, uma empresa de equipamentos de áudio na Alemanha, também produz alto-falantes usando essa abordagem.

A empresa alemã Manger projetou e produziu um driver de ondas flexíveis que à primeira vista parece convencional. Na verdade, o painel redondo conectado à bobina de voz se dobra de maneira cuidadosamente controlada para produzir um som de alcance total. Josef W. Manger foi premiado com a "Medalha Diesel" por extraordinários desenvolvimentos e invenções do Instituto Alemão de Invenções.

Alto-falantes de tela plana

Houve muitas tentativas de reduzir o tamanho dos sistemas de alto-falantes ou, alternativamente, de torná-los menos óbvios. Uma dessas tentativas foi o desenvolvimento de bobinas transdutoras "excitadoras" montadas em painéis planos para atuar como fontes de som, mais precisamente chamadas de excitadores / drivers de painel. Em seguida, eles podem ser feitos em uma cor neutra e pendurados nas paredes onde são menos perceptíveis do que muitos alto-falantes, ou podem ser deliberadamente pintados com padrões, caso em que podem funcionar de forma decorativa. Existem dois problemas relacionados com as técnicas de painel plano: primeiro, um painel plano é necessariamente mais flexível do que uma forma de cone no mesmo material e, portanto, move-se como uma única unidade ainda menos e, segundo, as ressonâncias no painel são difíceis de controlar, levando a distorções consideráveis. Algum progresso foi feito usando materiais leves e rígidos como o isopor , e vários sistemas de tela plana foram produzidos comercialmente nos últimos anos.

Transdutores de movimento de ar Heil

No transdutor de movimento do ar de Heil, a corrente através da membrana 2 faz com que ele se mova para a esquerda e para a direita no campo magnético 6, movendo o ar para dentro e para fora ao longo das direções 8; as barreiras 4 evitam que o ar se mova em direções não intencionais.

Oskar Heil inventou o transdutor de movimento aéreo na década de 1960. Nesta abordagem, um diafragma pregueado é montado em um campo magnético e forçado a fechar e abrir sob o controle de um sinal de música. O ar é expelido entre as pregas de acordo com o sinal imposto, gerando som. Os drivers são menos frágeis do que fitas e consideravelmente mais eficientes (e capazes de produzir níveis de saída absolutos mais altos) do que designs de tweeter de fita, eletrostático ou magnético plano. ESS, um fabricante da Califórnia, licenciou o projeto, contratou Heil e produziu uma variedade de sistemas de alto-falantes usando seus tweeters durante as décadas de 1970 e 1980. Lafayette Radio , uma grande rede de lojas de varejo dos Estados Unidos, também vendeu sistemas de alto-falantes usando esses tweeters por um tempo. Existem vários fabricantes desses drivers (pelo menos dois na Alemanha - um dos quais produz uma variedade de alto-falantes profissionais de ponta usando tweeters e drivers de médio alcance baseados na tecnologia) e os drivers são cada vez mais usados ​​em áudio profissional. Martin Logan produz vários alto-falantes AMT nos Estados Unidos e a GoldenEar Technologies os incorpora em toda a sua linha de alto-falantes.

Alto-falante de condução iônica transparente

Em 2013, uma equipe de pesquisa introduziu o alto-falante de condução iônica transparente com 2 camadas de gel condutor transparente e uma camada de borracha transparente no meio para fazer com que a alta tensão e a alta atuação funcionem para reproduzir uma boa qualidade de som. O alto-falante é adequado para campos de robótica, computação móvel e óptica adaptativa.

Sem diafragma

Alto-falantes de plasma

Alto-falante de plasma

Os alto-falantes de arco de plasma usam plasma elétrico como elemento de irradiação. Como o plasma tem massa mínima, mas é carregado e, portanto, pode ser manipulado por um campo elétrico , o resultado é uma saída muito linear em frequências muito mais altas do que a faixa audível. Problemas de manutenção e confiabilidade para essa abordagem tendem a torná-la inadequada para uso no mercado de massa. Em 1978, Alan E. Hill, do Laboratório de Armas da Força Aérea em Albuquerque, NM, projetou o Plasmatronics Hill Type I, um tweeter cujo plasma era gerado a partir de gás hélio . Isso evitou o ozônio e o óxido nitroso produzidos pela decomposição RF do ar em uma geração anterior de tweeters de plasma feitos pela pioneira DuKane Corporation, que produziu o Ionovac (comercializado como Ionofane no Reino Unido) durante os anos 1950. Atualmente, ainda existem alguns fabricantes na Alemanha que usam este design, e um design "faça você mesmo" foi publicado e está disponível na Internet.

Uma variação menos cara desse tema é o uso de uma chama para o motorista, pois as chamas contêm gases ionizados (eletricamente carregados).

Alto-falantes termoacústicos

Em 2008, pesquisadores da Tsinghua University demonstraram um alto-falante termoacústico de filme fino de nanotubo de carbono , cujo mecanismo de funcionamento é um efeito termoacústico. Correntes elétricas de frequência sonora são usadas para aquecer periodicamente o CNT e, assim, resultar na geração de som no ar circundante. O alto-falante de filme fino CNT é transparente, extensível e flexível. Em 2013, pesquisadores da Tsinghua University apresentaram ainda um fone termoacústico de fio fino de nanotubo de carbono e um dispositivo termoacústico montado em superfície. Ambos são dispositivos totalmente integrados e compatíveis com a tecnologia de semicondutores baseada em Si.

Woofers rotativos

Um woofer rotativo é essencialmente um ventilador com pás que mudam constantemente de tom, permitindo-lhes empurrar facilmente o ar para frente e para trás. Os woofers rotativos são capazes de reproduzir com eficiência as frequências do infra-som , que são difíceis ou impossíveis de alcançar em um alto-falante tradicional com diafragma. Eles são frequentemente empregados em cinemas para recriar efeitos de graves estrondosos, como explosões.

Novas tecnologias

Alto-falantes digitais

Os alto-falantes digitais têm sido objeto de experimentos realizados pela Bell Labs já na década de 1920. O design é simples; cada bit controla um driver, que está totalmente 'ligado' ou 'desligado'. Problemas com este projeto levaram os fabricantes a abandoná-lo como impraticável por enquanto. Primeiro, para um número razoável de bits (necessários para uma qualidade de reprodução de som adequada ), o tamanho físico de um sistema de alto-falantes torna-se muito grande. Em segundo lugar, devido a problemas de conversão analógico para digital inerentes , o efeito de aliasing é inevitável, de modo que a saída de áudio é "refletida" em igual amplitude no domínio da frequência, do outro lado do limite de Nyquist (metade da frequência de amostragem ), causando um nível inaceitavelmente alto de ultrassom para acompanhar a saída desejada. Nenhum esquema viável foi encontrado para lidar adequadamente com isso.

O termo "digital" ou "pronto para digital" é frequentemente usado para fins de marketing em alto-falantes ou fones de ouvido , mas esses sistemas não são digitais no sentido descrito acima. Em vez disso, são alto-falantes convencionais que podem ser usados ​​com fontes de som digital (por exemplo, mídia ótica , tocadores de MP3 , etc.), assim como qualquer alto-falante convencional.

Veja também

Referências

links externos