Curso de Caixas Acústicas – Parte 1 – os Woofers

Em dois artigos já fiz uma pequena introdução aos sons graves, médios e agudos (sons graves: http://www.somaovivo.mus.br/artigos.php?id=89. Sons médios e agudos: http://www.somaovivo.mus.br/artigos.php?id=90). Agora que sabemos a importância desses sons, é necessário dar atenção às caixas de som (ou caixas acústicas ou sonofletores).

Uma boa caixa de som tem pelo menos dois alto-falantes. Não existe um unico alto-falante que consiga “falar” graves, médios e agudos*. Na verdade, para termos todas essas freqüências precisaremos de vários alto-falantes, cada um especializado em uma única faixa freqüência (às vezes mais de uma). Cada alto-falante diferente em uso é chamado de “via”. Uma caixa de “2 vias” tem dois falantes diferentes, uma caixa de “3 vias” tem três falantes diferentes. Existem sonofletores comerciais de até “5 vias”, mas nada impede um sistema com 10 vias, por exemplo.

Caixa acústica residencial de 3 vias. O maior falante é o woofer (graves), o menor é o tweeter (agudos) e o de tamanho médio é o mid-range (médios). Abaixo do tweeter, dois controles de volume, um para o médios e outro para os agudos.
Caixa Polivox Vox 100, fabricada no final da década de 1970. Na época, uma das melhores fabricadas no Brasil.

*Nos primórdios da sonorização ao vivo, havia somente os alto-falantes Full-Range (“freqüência toda”). Esses falantes tentam “falar” (reproduzir sons) graves, médios e agudos, obviamente sem muito sucesso. Quando muito, algo em torno de 100Hz a 10KHz, adequado para a voz (e ainda assim muito mal, com muitos médios e poucos graves e agudos). Modernamente, não dá para se falar em sonorização profissional com caixas de uma única via. Apesar dos full-range não servirem para P.A., eles ainda são muito usados em pequenos microsystems, caixinhas de som para computadores, falantes de televisão, etc. São baratos, e pequenos, já que nesses dispositivos o espaço disponível é sempre pouco. Dão conta do recado porque 90% da informação sonora de uma música está na faixa que eles conseguem responder. Mas os outros 10% fazem uma diferença enorme…

Cada tipo de alto-falante é fabricado para atender a uma determinada faixa de freqüência. Os woofers falam os graves, os tweeters falam os agudos, os mid-ranges ou drivers falam os médios. Existem falantes que podem até mesmo falar duas freqüências, como os “drivers titanium”, que falam médios e agudos. Uma boa caixa de som é o resultado do funcionamento conjunto desses falantes, em equilíbrio.

Após essa pequena introdução, neste primeiro artigo vamos falar dos woofers, os alto-falantes responsáveis pela reprodução de graves e médio graves. São fáceis de reconhecer, pois são os falantes de maior tamanho (em comparação com os falantes de médios e agudos) em uma caixa de som.

Duas visões dos componentes de um woofer, mostrando suas peças principais: carcaça de metal, conjunto magnético (ímã), bobina, aranha e cone.
O esquema serve inclusive para outros falantes, como alguns tipos de mid-range e tweeters, em modelos que usam o mesmo princípio de funcionamento.

Vamos estudar as características gerais dos woofers. Elas se aplicam à maioria dos produtos, mas é necessário saber que é possível fabricar falantes especiais, com características diferentes do citado aqui. As características importantes em um woofer são:

Material do cone
Pode ser de um tipo de papelão ou de polipropileno (tipo de plástico), rígido. Os cones rígidos suportam melhor altas temperaturas e são encontradas nos carros (deixe um carro preto fechado no sol de meio-dia no Nordeste do Brasil e entenderá o que é alta temperatura). Em comparação com os cones de papelão, os rígidos são mais caros, reproduzem um pouco melhor as baixas freqüências (mais perto de 20Hz) e pior as alta freqüências (no caso, os médio-graves) que um cone de papelão.

Woofer Pyramid para automóveis, especial para competição. Observe o material do cone, de plástico rígido.

Tipo de borda
a) woofers BASS-REFLEX tem a borda (onde o cone encontra a estrutura metálica) de papelão ou tecido (ou uma mistura dos dois), em formato de pequenas ondas. É o sistema mais utilizado em sonorização ao vivo.

Esse tipo de woofer é desenhado para caixas de som com dutos (ou pórticos) para saída de ar (caixa “dutadas”, como a foto da caixa da Polivox, que apresenta dois dutos na parte inferior). Os graves que são reproduzidos atrás do alto-falante (o woofer “fala som” para frente e para trás) passam pelo duto, e são adicionados com os sons produzidos na frente, conseguindo-se assim uma eficiência maior (o woofer “fala” mais). Um woofer bass-reflex tem sensibilidade média de 90 (os piores) a até 100 dB/ 1W / 1m (os melhores).

b) woofers de SUSPENSÃO ACÚSTICA tem a borda de borracha, bastante maleável, formando apenas uma grande ondulação entre o cone e a borda. É o sistema mais utilizado em som automotivo.

Esse tipo de woofer é desenhado para caixas seladas, pois o ar preso internamente funciona como uma espécie de amortecedor, mas podem ser usados também em caixas dutadas, desde que projetados para isso (a estrutura precisa ser mais resistente, por falta do amortecedor). Conseguem "falar" frequências mais graves que os bass-reflex, para um mesmo diâmetro do falante, mas em geral sacrificam a eficiência, que é muito ruim. Vai de 84 (os piores) a até 92 dB/ 1W / 1m (os melhores), em geral. Isso quer dizer que, para que um “Suspensão Acústica” produza o mesmo som que um Bass-Reflex, precisará de muito mais potência (para cada 3dB de diferença a mais na sensibilidade é necessário o dobro da potência).

Os woofer Bass-Reflex são utilizado em P.A. por causa do melhor aproveitamento de potência. Em som automotivo, não existe a menor necessidade de muita eficiência, já que os ocupantes estão situados a poucos metros de distância, então os woofers de suspensão acústica são preferidos, pela  melhor resposta de graves ("falam" sons mais próximos a 20Hz) que proporcionam.

Tamanho do woofer e resposta de frequência
Em geral, quanto maior for o diâmetro do woofer, melhor ele responderá aos graves (mais próximo a 20Hz) e pior aos médio-graves. Da mesma forma, quanto menor o woofer, menos responderá aos graves (mais longe de 20Hz) e mais médio-graves “falará”. Isso por que sons mais graves exigem maior deslocamento de ar. Aqui, tamanho é documento e faz muita diferença no som*. Segue abaixo uma pequena tabela de exemplo, com uma média dos valores encontrados no mercado:

Woofer de 18” (polegadas) – fala de 25Hz a 2,5KHz**
Woofer de 15” – "fala" de 40Hz a 4KHz
Woofer de 12” – "fala" de 60Hz a 5KHz
Woofer de 10” – "fala" de 70Hz a 6KHz
Woofer de 8” – "fala" de 80Hz a 7KHz

Ainda existem woofers de 6” e até 4”, cada vez falando mais médios e menos graves. Só por curiosidade, existem modelos de 21" e alguns experimentais de incríveis 60".

* Existem excessões, claro. Existem falantes de pequenas dimensões especialmente construídos para sons graves. Falantes de 8" que alcançam 25Hz e 4" que alcançam 50". São os falantes de caixas de som do tipo subwoofers, em geral usadas em sistemas de home-theaters domésticos, onde tamanhos reduzidos são importantes.

** Valores médios por polegadas encontrados em especificações técnicas de produtos de fabricantes como Selenium, Oversound e Keybass. Não quer dizer que toda a resposta de frequência será aproveitada, sempre. Um falante de 18" instalado em uma caixa do tipo subwoofer em geral responde apenas entre 20Hz e 200Hz, faixa onde ele tem a sua melhor aplicação.

Em geral, woofers de Suspensão Acústica, por terem borda maleável, que permite uma grande movimentação do cone, conseguem responder freqüências mais graves (mais próximas de 20Hz) que um Bass-Reflex de mesmo tamanho. Por exemplo, consegue-se woofers de suspensão de 12” falando 30Hz, enquanto é raro um woofer bass-reflex de 12” que fale menos de 45Hz. Esse sistema é muito usado em som automotivo porque não há como se colocar um woofer de 18” em um automóvel.

Cabe lembrar que o fabricante pode fazer um alto-falante específico para uma determinada frequência. Existem woofers grandes (8", 10" ou 12") que o fabricante projetou para resposta de médio-graves (os chamados mid-bass). Alguns tem resposta de frequência acima de 100Hz ou mesmo acima de 200Hz, feitos para trabalhar sempre acompanhados de subwoofers. 

Potência e Sensibilidade
Existem woofers de poucos Watts de potência até valores acima de 1.000 Watts RMS (alguns woofers de 18’, usados em subwoofers de P.A). Evidente que, quanto maior a potência, melhor. Mas é importante saber qual a forma de medir potência que foi utilizada. No Brasil, é utilizada a norma ABNT NBR 10.303 para especificação de potência. Então, para comparação, sempre use os valores NBR 10.303 de um e de outro falante.

Apesar da potência máxima suportada ser importante, um outro parâmetro muito importante e quase sempre esquecido é a sensibilidade (eficiência), que é o quantidade de som (dB SPL) que um falante produz para um determinado nível de potência (1 W RMS, medido a 1 metro). Para cada 3 decibéis a mais ou menos, a diferença é dobrar ou dividir por dois a potência. Veja o exemplo:

Woofer com sensibilidade de 93 dB SPL/ 1 W / 1 metro consegue “falar”:
93 decibéis com 1 Watt RMS, medido a 1 metro de distância.
96 decibéis com 2 Watts RMS
99 decibéis com 4 Watts RMS
102 decibéis com 8 Watts RMS
105 decibéis com 16 Watts RMS
108 decibéis com 32 Watts RMS
111 decibéis com 64 Watts RMS (som muito alto, show de rock)

Woofer com sensibilidade de 99 dB SPL/ 1 W / 1 metro consegue “falar”
99 decibéis com 1 Watt RMS
102 decibéis com 2 Watts RMS
105 decibéis com 4 Watts RMS
108 decibéis com 8 Watts RMS
111 decibéis com 16 Watts RMS

Note que o mesmo volume de som foi conseguido com apenas 1/4 da potência do outro. Esse resultado pode ser visto facilmente comparando-se caixas de som, observando que algumas falam muito mais que outras, mesmo com a mesma potência.

Daí a conclusão que potência precisa ser analisada junto com a sensibilidade. Isso é importante na hora de comprar um woofer, pois um modelo de 500W RMS com 95dB/W/metro pode produzir* o mesmo som que um modelo de 250W RMS com 98dB/W/metro (3 dB de diferença = dobro da potência). Se o som é exatamente o mesmo, o preço….

*a formúla que calcula o máximo som produzido por um falante é: dB SPL = (10 x log Potência RMS) + sensibilidade. Assim, temos: 

woofer 500W RMS com 95dB/1W/1metro produz no máximo: dB SPL = (10 x 2,70) + 95 = 122 dB SPL
woofer 250W RMS com 98dB/1W/1metro produz no máximo: dB SPL = (10 x 2,40) + 98 = 122 dB SPL

Entretanto, na prática existe um fenômeno chamado de compressão de potência. A elevação da resistência da bobina com a temperatura (ocorre principalmente quando o falante está próximo da sua potência máxima) provoca uma redução na eficiência do alto-falante. Por esse motivo, se ao dobrarmos a potência elétrica aplicada obtivermos um acréscimo de 2 dB no SPL ao invés dos 3 dB esperados, podemos dizer que houve uma compressão de potência de 1 dB. Ou seja, no exemplo acima, o woofer de 250W poderá falar apenas 121 dB SPL ou mesmo 120dB SPL, por causa da compressão de potência. Ainda assim, uma pequena diferença em relação a uma enorme diferença no preço.

Por tudo o que foi falado a melhor coisa, ao se decidir pela compra de um woofer, é analisar o conjunto de parâmetros potência e sensibilidade (e não só potência, como quase todos fazem). 

Tipo de ímã
A energia elétrica que chega pelo fio alimenta a bobina. Esta, por estar imersa em um campo magnético (o ímã), começa a vibrar, produzindo assim oscilasções no cone e com isso, produz-se som. O tamanho e peso do ímã influenciam diretamente na quantidade de som produzida, e é um dos fatores determinantes da potência máxima que o falante pode alcançar. Os atuais ímãs são de ferrite, grandes e pesados. Mas já existe uma nova tecnologia para substituir esse material, que é o neodímio, um material que consegue produzir um forte campo magnético mesmo em tamanhos reduzidos (e peso menor).

Dois woofers de mesma potência da Keybass. O da esquerda é de neodímio, o da direita é de ímã tradicional.

Falantes de neodímio ainda são muito caros, mas já existem alguns modelos comerciais. Mas com o tempo o preço vai abaixar, e veremos cada vez mais e mais falantes (e por consequência, caixas acústicas) leves e muito potentes.

Construção
Woofers são relativamente simples de construir e por isso há tantas empresas fabricando-os. Existem os grandes fabricantes, como Snake, Selenium, Hinor, Oversound, Bravox, Keybass e Eros, além de uma infinidade de empresas menores, como Eton, Magnum, ETM, Novik Neo, etc. Lembrando que a qualidade do projeto sempre influencia muito no resultado obtido (existem pequenos fabricantes com projetos excelentes, mas também existem pequenos fabricantes com projetos sofríveis). Exija sempre que o woofer atenda à norma NBR 10.303 da ABNT e que o fabricante disponibilize os parâmetros Thiele-Small, parâmetros técnicos usados na construção das caixas acústicas. Só os melhores fabricantes disponibilizam essas informações.

Uso
Para resposta de voz, um woofer de 8” já serve, pois já fala os graves que a voz humana consegue produzir (de 100Hz para cima). Mas um woofer de 8” não consegue falar os sons de um contrabaixo elétrico ou acústico, um bumbo ou percussão, violoncelo, etc.

Para esses instrumentos, ou se utiliza uma caixa com um alto-falante de tamanho generoso (se um baixista pudesse escolher, seria um de 18” ou 21"), ou então uma caixa com um alto-falante especialmente construído para isso. Os cubos de baixo são assim, construídos para responder esses sons mesmo em caixas menores.

Muitas igrejas pequenas usam caixas de tamanho reduzidos (falantes de 8" ou 10") e tentam exigir delas que reproduzam o som de contrabaixos, por exemplo, aumentando o volume do instrumento o máximo possível. Muitas dessas tentativas acabam estourando os woofers, pois tudo o que eles não conseguem reproduzir é perdido como calor, e excesso de calor rompe a bobina. A única solução é comprar uma caixa específica para contrabaixo (um cubo) ou uma caixa de som de dimensões generosas (falantes de 12 ou 15").

Um detalhe mínimo, mas importante sobre woofers. O som grave “sai” mais pelas bordas, e o som médio mais pelo centro. Alguns woofers usam centros metálicos (de alumínio), para melhorar a resposta de médios. Daí que se o baixista quer o máximo de “peso” (graves), o cubo precisa estar “de lado”. Mas se quer ouvir mais médios, precisa estar “de frente” para o músico. Claro que a diferença só é percebida por ouvidos treinados, os baixistas preferem mesmo é aumentar o volume!

Subwoofers
Do ano 2000 em diante, cada vez mais temos visto lançamentos de caixas de som do tipo subwoofers. Nada mais são do que caixas especializadas em sons subgraves, aqueles próximos a 20Hz (em geral, entre 20Hz e 200Hz). Antera, Staner, Ciclotron, Attack e Leac’s, todos os grandes fabricantes brasileiros de caixas de som tem subwoofers para PA.

Subwoofer ativo (com seu próprio amplificador). Produto de demonstração da tecnologia.

Em muitas caixas subwoofer, o falante fica totalmente dentro da caixa, apenas existindo alguns dutos para a saída dos graves, como na caixa abaixo, da Antera.

Os sons subgraves são os mais difíceis de serem conseguidos. Se é fácil encontrar caixas que falam 20KHz, o limite dos agudos, é dificílimo encontrar alguma que chegue perto dos 20Hz. Como colocar falantes de 18” ou até mesmo 21” em uma caixa de som é algo complicado, tanto pelo tamanho quanto pelo peso final, a solução foi colocar esses falantes em uma caixa separada – o subwoofer.

Existem alguns sistemas de caixas que funcionam com o subwoofer sendo uma opção  – um complemento – em que as caixas do P.A. já falam graves, mas não conseguem ir muito abaixo de 50Hz (depende do tamanho do woofer). Em outros, o uso de subwoofers é  obrigatório,  onde as caixas do P.A. têm a resposta de frequência de médio-graves para cima, sendo o papel dos graves apenas dos subs.

A escolha de caixas para a aquisição deve sempre levar em conta o tipo de uso (voz, instrumentos), o tipo de instrumentos e o tipo de estilo musical aplicado (alguns estilos usam mais graves que outros, como o funk tem um grave muito maior que música clássica). Caixa de som é muito mais que potência, que normalmente é a primeira e única pergunta do comprador.

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Revisado/reescrito em 05/Mar/2008