Sonorização

Caixas Acústicas

por: Álvaro Carvalho de Aguiar Neiva

Do ponto de vista do projetista de um sistema de reprodução sonora, o alto-falante solitário terá alguns inconvenientes:

  1. o cancelamento da onda irradiada frontalmente pela radiação traseira, para freqüências cujo comprimento de onda seja maior que a dimensão do cone ( comportamento de dipolo acústico ), reduzindo a saída do sistema em baixas freqüências (graves);
  2. a ausência de possibilidade de controle da resposta de freqüência de um dado transdutor, exceto através do uso de filtros equalizadores;
  3. o acentuado descasamento de impedâncias entre a fonte sonora ( o alto-falante ) e a sua carga (o ar ), que leva a uma perda da eficiência de transdução

Um modelo eletroacústico para o alto-falante fora da caixa poderia ser como abaixo ( visto do lado acústico ):

Onde:

  • Cas = Compliância acústica do alto-falante;
  • Rat = Resistência acústica total do alto-falante;
  • Mas = Massa acústica do alto-falante;
  • Pg(t) = gerador de pressão sonora que representa a transdução efetuada pelo alto-falante;
  • Patm = pressão atmosférica = P0;
  • Pf = pressão sonora irradiada pela parte frontal do alto-falante;
  • Pb = pressão sonora irradiada pela parte traseira do alto-falante;
  • pr = pressão sonora resultante em um ponto eqüidistante das partes frontal e traseira do alto-falante;
  • ZAf = impedância acústica de carga vista pela parte frontal do alto-falante;
  • ZAb = impedância acústica de carga vista pela parte traseira do alto-falante;
  • U(t) = velocidade volumétrica (m3 /s) deslocada pelo alto-falante através do circuito acústico

A Caixa Acústica

Para enfrentar estas dificuldades, foram criados sistemas de acoplamento acústico entre o alto-falante e sua carga, as chamadas caixas acústicas. Todas elas buscam em primeiro lugar eliminar a dificuldade que apontamos do cancelamento da onda frontal pela traseira, confinando esta última em um volume que pode ser fechado ou possuir aberturas que permitam o acoplamento controlado entre a radiação traseira e a frontal em uma faixa estreita e com a fase adequada a obtermos a sua soma, como é o caso das caixas ventiladas ou bass-reflex .

Poderemos dividir as caixas acústicas em duas grandes famílias:

  1. Sistemas de radiação indireta

    2. Os sistemas de radiação indireta acoplam acusticamente a parte frontal do cone do alto-falante ao ar através de uma rede de casamento de impedância que pode tomar a forma de um transformador acústico ( uma corneta, ou de uma forma mais geral, um guia de ondas ) ou de um volume sintonizado por um duto, como nas caixas passa-banda ( band-pass enclosures ). No caso das cornetas, o aumento da impedância de carga obtido permite uma melhor transferência de potência do transdutor para o meio (ar), resultando em uma maior eficiência de transdução ( relação entre a potência elétrica aplicada e a potência acústica fornecida ), na faixa de 10 -50%. A colocação de uma corneta ou guia de ondas permitirá ainda o controle da diretividade da caixa acústica. A principal desvantagem destes sistemas será sua maior complexidade de projeto e construção, o que pode resultar em sistemas de maior custo.

  2. Sistemas de radiação direta

    3. Nos sistemas de radiação direta, a parte frontal do cone do alto-falante é acoplada diretamente ao ar , sem auxílio de nenhum elemento que possa ser utilizado para casamento de impedâncias e/ou controle da resposta de freqüência, como uma impedância em série com o mesmo, o que é feito nas caixas tipo band-pass, ou um transformador acústico (corneta), restando para controlar a resposta do sistema, apenas a impedância do volume utilizado para isolar a radiação traseira da frontal, seja como compliância acústica adicionada à compliância acústica do alto-falante ( caixa fechada ou suspensão acústica ), seja como um circuito sintonizado com saída acoplada à radiação direta ( volume com duto ou pórtico ) o que é feito no caso das caixas ventiladas ou refletoras de graves ( bass-reflex ). O rendimento dos sistemas de radiação direta situa-se na faixa dos 0,5 – 5%, e não ultrapassa o rendimento básico do transdutor empregado (Pa/V), dentro da faixa passante do sistema.

Poderíamos representar uma caixa fechada como abaixo:

Aqui poderemos notar que o alto-falante não se comporta mais como um dipolo, mas como uma fonte de pressão sonora flutuante, colocada entre a caixa e o ambiente externo, que faz circular uma velocidade volumétrica (análoga a uma corrente) na malha formada pela sua impedância interna, a impedância acústica da caixa e a impedância de radiação do alto-falante, aqui considerado como um pistão ao final de um longo tubo.

Para grandes comprimentos de onda, o volume fechado da caixa acústica poderá ser representado por uma impedância acústica ZAB , a qual poderemos identificar como uma compliância acústica CAB em série com uma resistência acústica RAB representando a absorção do material de revestimento interno da caixa. Mais precisamente, deveríamos considerar a massa de ar que deve ser acelerada pela parte traseira do alto-falante , a massa acústica Mab, uma correção da impedância oferecida pela caixa, especialmente se alguma dimensão da mesma for maior que l/16.

A impedância ZAf apresenta algumas dificuldades para a análise, pois a resistência acústica vista pelo transdutor depende da freqüência . Felizmente para nós, em baixas freqüências, a magnitude da impedância de um meio de baixa densidade como o ar será muito menor que as outras impedâncias de nosso modelo e a resistência, embora responsável pela irradiação da potência acústica útil, será menor ainda que a reatância (indutiva) da massa do ar. A pressão sonora será proporcional à derivada de U(t) em relação ao tempo, ou, no domínio da freqüência, Pr(s) = s.MAr.U(s), se RAr << wMAr.

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