Curso de Caixas Acústicas – Parte 4 – capacitores, divisores de frequência e atenuadores

Entrar em uma loja e escolher os falantes é facílimo. Conseguir um marceneiro para fabricar a estrutura da caixa é mais complicado, mas nada difícil. Duro é fazer tudo funcionar bem, em um conjunto bastante equilibrado. Para "equilibrar", ou seja, fazer os alto-falantes trabalharem em harmonia, utilizamos divisores de frequência e atenuadores. Esses componentes que não vemos (ficam internos às caixas de som) muitas vezes são os grandes responsáveis pela qualidade do que ouvimos.

Os divisores de frequência tem 3 funções básicas:

1) Proteção dos falantes

Se você colocar um tweeter diretamente ligado ao amplificador, verá que ele só "falará" o que ele sabe "falar: sons agudos. Mas uma música tem sons graves, médios e agudos. Tudo o que um alto-falante não consegue responder vira calor. Se a potência for aumentada, o tweeter rapidamente queimará, seja qual tipo for (piezoelétricos, cone de papel, supertweeter, etc). O mesmo acontece com os médios e drivers.

Independente da potência, os falantes de médios e agudos precisam ser protegidos das freqüências que não conseguem responder (os sons graves), sob risco de queima. Os woofers apresentam menos esse problema, dado o seu maior tamanho e peso (inércia maior). Mas eles apresentam melhor sonoridade se receberem apenas os sons que conseguem reproduzir.

2) Ajuste da resposta de frequência

Cada falante tem uma resposta de frequência. Quando usamos um conjunto de falantes, muitas vezes dois deles podem "falar" a mesma frequência (por exemplo, um woofer de 10" com resposta de 70Hz a 4KHz em conjunto com um driver titânio com resposta de 800Hz a 18KHz).  Só que tal situação não é boa, pois a sobreposição de frequências (2 "falando" a mesma coisa) gera excessos indesejados naquela frequência. Na prática, é melhor que cada faixa de frequências só seja respondida por um determinado falante. E pelo alto-falante que melhor responder essa frequência. Um woofer e um driver, por exemplo, ao responder uma mesma faixa de frequências, o fazem com sonoridades diferentes.

Veja o exemplo. Caixa acústica de 3 vias com:

- woofer 12" – resposta de frequência de 50Hz a 4KHz
- driver fenólico – resposta de frequência de 500Hz a 8KHz
- supertweeter – resposta de frequência de 5KHz até 20KHz.

Existem 2 sobreposições de frequências distintas:
- entre 500Hz e 4KHz (woofer e driver "falam" a mesma coisa)
- entre 5KHz e 8KHz (driver e supertweeter "falam" a mesma coisa)

Com o uso dos divisores de frequência, podemos definir qual falante vai responder que faixa de frequências, e poderemos influenciar a sonoridade obtida. Por exemplo, poderíamos fazer os seguintes ajustes:

a) woofer até 4KHz – driver de 4KHz até 5KHz, supertweeter de 5KHz até 20KHz
b) woofer até 500Hz – driver de 500Hz até 8KHz, supertweeter de 8KHz até 20KHz
c) woofer até 1KHz – driver de 1KHz até 6KHz, supertweeter de 6KHz até 20KHz.

Cada tipo de ajuste vai ter um tipo de sonoridade diferente. Qual a forma certa*? Analisando as curvas de resposta de frequências dos falantes (disponíveis nos manuais dos mesmos) podemos descobrir em qual faixa cada um deles é melhor, é mais linear (o som sofre menos variações). E muitas vezes fazendo testes, muito testes, até encontrar a melhor sonoridade (é isso que bons fabricantes fazem: muitos testes).

* Dica: evite cortes próximos das frequências limites de um falante, pois em geral são as partes mais irregulages da sua resposta de frequência. Assim, das 3 opções acima, a terceira é a melhor, mas o correto realmente é analisar as curvas de resposta dos falantes.

3) Ajuste das sensibilidades

Já vimos que cada tipo de falante tem uma sensibilidade inerente ao seu tipo de construção. Podemos ter, por exemplo, uma caixa de som com as seguintes características:

woofer 12" – sensibilidade de 96 dB SPL / 1W / 1m
driver fenólico – sensibilidade de 108 dB SPL / 1W / 1m
supertweeter – sensibilidade de 105 dB SPL / 1W / 1m

Uma caixa de som assim terá excesso de médios, muitos agudos e quase nenhum grave. Note a diferença: são 9 dB SPL entre os agudos e os graves e 12 dB SPL entre os médios e os graves. Como em geral os woofers são os componentes de menor eficiência, os drivers e tweeters terão que ser atenuados para ter suas eficiências equivalentes à sensibilidade do woofer.

Assim, para termos uma caixa de som "equilibrada" é necessário inserirmos no caminho entre o sinal elétrico e os falantes componentes eletrônicos que vão efetuar a filtragem e a atenuação (diminuição da sensibilidade) dos falantes, permitindo um equilíbrio melhor.Os componentes que fazem a filtragem são os capacitores e os indutores. Os componentes que fazem a atenuação são as resistências. Vamos estudá-los.

Capacitores

Quando submetidos a um sinal elétrico, os capacitores têm a propriedade de deixar passar apenas os sinais acima de uma determinada freqüência (chamada de "Frequência de Corte"), e não deixa passar sinais de freqüências abaixo disso. Os capacitores são medidos em microFaradays, símbolo µF. Veja alguns exemplos na tabela abaixo. Os valores são apresentados para falantes de 8 e 4 Ohms, e correspondem aos facilmente encontrados no mercado. Custam menos de 10,00 reais.

 

Tipos de capacitores. O da esquerda é um capacitor de poliéster, o da direita é um capacitor comum

Valor do Capacitor Filtragem para falante de 8 Ohms Filtragem para falante de 4 Ohms
2,2µF 9KHz

18KHz
 

3,3µF  6KHz 12KHz
 
4,7µF 4KHz 8KHz
 
10µF 2KHz 4KHz
 
22µF 900Hz 1,8KHz

Os capacitores são chamados filtros de 1a. ordem. A sua atenuação é de 6dB/oitava. Na verdade, eles não "cortam" totalmente as frequências abaixo do seu corte correspondente, mas sim vão atenuando-as, em uma curva descendente. Um capacitor de 4,7µF, por exemplo, "corta" em 4KHZ em 8 Ohms, mas isso quer dizer que continuará deixando passar sons inferiores a isso, apenas atenuados. No caso, deixará passar sons de 2KHz (uma oitava abaixo) com atenuação de menos 6dB , e sons de 1KHZ (duas oitavas abaixo) com menos 12dB/oitava .

Na prática, essa proteção é pouca para proteger os falantes. Caixas equipadas apenas com capacitores são utilizadas em sistemas domésticos, de pouca potência, mas nem um pouco adequadas para as altas potências dos sistemas de PA. O sintoma típico é que a queima de falantes.

Uma forma de contornar esse problema é escolher um corte bem acima do que o falante poderia responder. Por exemplo: um tweeter de 8 Ohms que começa a responder a partir de 3,5KHz (e usaria capacitor de 4,7µF) é utilizado com um capacitor de 3,3µF (corte em 6KHz). Só que essa situação pode gerar grandes problemas. Veja um exemplo:

- wofer de 12”, 8 Ohms,  com resposta de 60 a 4KHz
- supertweeter de 8 Ohms, com capacitor de 3,3F – 6KHz até 20KHz

O superteweeter estará bem "protegido", mas em compensação o som dessa caixa terá um “buraco” entre 4KHz e 6KHz. Esse problema é muito mais comum que se imagina. É exatamente a solução que quem nada entende gosta de adotar!

Para quem está montando suas próprias caixas, os fabricantes sérios de alto-falantes indicam, nos manuais dos seus produtos, os capacitores a utilizar com seus produtos. Não um tipo somente, mas vários valores de capacitores, e para cada valor teremos a influência na resposta de frequência e a potência que o driver terá. A potência tem relação direta com o valor do capacitor. Quanto mais alto o valor do capacitor, mais baixa será a frequência de corte e com isso mais graves receberá, correndo o risco de queima. Logo, deverá suportar menos potência. Veja o exemplo:

Driver Hinor HMH-200. Resposta de frequência de 1.500Hz a 20KHz.
- potência de 40W RMS com corte em 2.000Hz
- potência de 75W RMS com corte em 4.000Hz.

Se as orientações dos fabricantes não forem seguidas, o equipamento ou terá uma vida útil muito breve por falar muito mais do que deveria ou então terá desempenho insuficiente, por falar menos do que poderia.

Indutores

Os indutores, um tipo de bobina (um fio enrolado em torno dele mesmo, em volta de ar (bobina de núcleo a ar) ou em torno de um pedaço de ferro (bobina de núcleo de ferrite). Quando submetidos a um sinal elétrico, os indutores têm a propriedade de deixar passar apenas os sinais abaixo de uma determinada freqüência (chamada de "Frequência de Corte"), e não deixa passar sinais de freqüências acima disso.

Assim como os capacitores, os indutores também são filtros de 1a. ordem. A sua atenuação é de 6dB/oitava. Na verdade, eles não "cortam" totalmente as frequências acima do seu corte correspondente, mas sim vão atenuando-as, em uma curva descendente. Um indutor com corte em 4KHZ em 8 Ohms, atenuará sons de 8KHz com menos 6dB (uma oitava acima), e sons de 16KHZ com menos 12dB/oitava (duas oitavas acima).

O grande problema dos indutores é que eles não são comerciais (ou raramente são). Eles precisam ser construídos.

Atenuadores

Os resistores já são componentes mais simples de serem encontrados, em qualquer eletrônica. São simples resistências, que transformam parte da energia em calor. Elas nada mais fazem que isso mesmo: gastam parte da energia que chegaria aos falantes de médios e agudos. Com menos energia, menos quantidade de som será produzido, trazendo equilíbrio à caixa.

Exemplo de resistor de porcelana

Um outro fator ao qual o atenuador é responsável é o equilíbrio de potências. Muitas vezes, encontramos uma caixa com um woofer de 500W RMS e um driver titânio de apenas 50W RMS, e ainda assim bem equilibrada em sonoridade e com o fabricante dizendo que a caixa aguenta 500W RMS. Isso acontece porque, quando inserimos os atenuadores no driver titânio, reduzindo a sua sensibilidade, é como se a sua potência fosse aumentada, mas a verdade é que a resistência que está gastando parte da energia que chegaria ao woofer. Assim, a potência da caixa corresponderá à potência suportada pelo woofer.

Esses são os componentes básicos de um divisor de frequência. E apesar de ainda existirem muitas caixas com apenas um ou outro componente (quando deveria haver os três), quem quer uma caixa com qualidade usa um divisor profissional.

Para quem quiser montar suas próprias caixas, indicamos a leitura do excelente artigo do Prof. Homero Sette, da Selenium, disponibilizado na seção de Downloads do site: http://www.somaovivo.mus.br/downloads/divisores_capacitores.zip , que envolve a escolha dos capacitores e atenuadores necessários.

Divisores de Frequência Passivos

Algumas empresas fabricam divisores de frequência para uso profissional. Na verdade, são compostos por capacitores, indutores e atenuadores (alguns modelos vem sem atenuadores, para o próprio usuário escolher os seus), todos junto, em uma placa de circuito. Alguns vem até com os conectores das caixas.

Exemplo de divisor de frequência de 2 vias. Em marrom, próximo à marca do fabricante, o capacitor. Dois grandes indutores (um para o driver e outro para o woofer) e, em verde, os resistores para atenuação.

Gráfico representativo dos cortes de frequência produzidos por um divisor de 3 vias de 2ª ordem.

A grande vantagem de se usar divisores profissionais é que eles são de 2ª ordem (12 dB/oitava). Cada "corte" de frequência é feito com um capacitor (atenuação de 6 dB/oitava) mais um indutor (atenuação de 6 dB/oitava). Usados em conjunto, a proteção fornecida ao falante é muito melhor. Existem inclusive divisores de 3ª ordem (18 dB/oitava) e 4ª ordem (24 dB/oitava). Claro que, quanto maior a ordem, mais complicado e mais caro será o divisor, mas maior será a proteção fornecida ao falante.

Apesar de caros, são os divisores que vão garantir a melhor qualidade sonora. No Brasil, as empresas mais conhecidas são a Nenis (www.nenis.com.br) e a EAM (www.eam.com.br). Ambas, além de fabricar diversos modelos (diversas potências e para várias vias), fazem divisores especiais, de acordo com a encomenda dos clientes.

A montagem de um divisor de 2a ordem (ou 3a., ou 4a.) não é nenhum "bicho de 7 cabeças", mas também não é nada simples. Existem inversões de fase necessárias, os indutores precisam ser muito bem enrolados, tantos detalhes que este autor, particularmente, prefire comprar pronto! Quem quiser saber mais (inclusive como montar um), indico o excelente artigo de Paulo F.C. Albuquerque, disponível em http://audiolist.org/forum/kb.php?mode=article&k=17.

O divisor é tão bom que a fama ultrapassa as fronteiras dos operadores de áudio. Recentemente, um amigo leigo pediu emprestado algumas das várias caixas de som do Anfiteatro. Ele queria uma que tivesse um divisor. Não quis saber se a caixa tinha woofer de qual tamanho, driver titânio ou supertweeter, etc. Ele insistia que queria qualquer uma, desde que tivesse divisor. Provavelmente houve alguma caixa que ele gostou muito e falaram que o som bom era por causa do divisor de frequências. Daí ele associou que som bom é por causa do uso de divisores. Pode não estar completamente correto, mas já está no caminho certo.

Divisores de Frequência Ativos – os Crossovers*

Sistemas de sonorização de grande porte não usam divisores de frequência passivos, dentro de caixas. Em geral, é comum encontrar falantes que se ligam diretamente amplificadores. Mas também existem divisores de frequência, só que são equipamentos separados.

Os crossovers são instalados imediatamente antes dos amplificadores. Cada amplificador (ou cada canal do amplificador) receberá somente sons de uma faixa de frequência – correspondente ao que os falantes conseguem reproduzir. Os crossovers também tem controles de volume: na verdade, controles de atenuação. O princípio de funcionamento dos divisores de frequência internos, mas os crossovers são mais versáteis por permitirem variar as faixas de frequência, tornando-os assim adequados a vários tipos de marcas e modelos de falantes.

* O nome crossover é sinônimo de divisor de frequência, seja ele passivo (instalado dentro de uma caixa ativa) ou ativo (um equipamento mesmo, instalado no rack). Entretanto, no Brasil convencionou-se chamar "divisor de frequência" aos passivos e crossovers aos ativos.

Mão na massa!

Pareceu complicado? Realmente é. A primeira leitura assusta. Relendo novamente, até mesmo uma terceira vez, visitando os links indicados e visitando uma eletrônica para se conhecer os componentes, veremos que não é mais tão difícil assim. E uma caixa com bons falantes, devidamente protegidos, com resposta de frequência corretamente dividida e um correto equilíbrio de sensibilidade é algo simplesmente maravilhoso de se ouvir. Vale o esforço.

Tem alguma caixa de som com sonoridade ruim? Que tal desmontá-la, anotar os parâmetros dos falantes (marca, modelo, potência), e pedir uma sugestão de divisor de frequência aos fabricantes? Talvez com um pequeno investimento seja possível dar uma nova vida para a caixa!

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Revisado/reescrito em 05/Mar/2008