TIAGO LOBÃO CORREIA
Projeto e Construção de um Sonodifusor de Subgraves Direcional
“Success is stumbling from failure to failure with no loss of enthusiasm.”
Winston S. Churchill
RESUMO
O desenho e dimensionamento de sonodifusores é um domínio de grande dimensão em termos de conhecimento e da prática profissional. Sendo uma área tecnológica bastante amadurecida foi por isso motivo deste estudo tendo sido realizado o levantamento do estado da arte e escolhido para estudo aprofundado um subdomínio em que se observa uma evolução muito interessante, que é o desenho de sonodifusores de graves com comportamento direcional. Além do estudo teórico da produção sonora foi também estudado o comportamento dos sonodifusores nas respetivas caixas acústicas. Os destinatários do campo acústico produzido, ouvintes ou espectadores percebem o som produzido e sentem as suas características e conteúdo semântico através do sentido da audição e por isso foi também tratada a base de audiologia e psicoacústica no sentido de valorizar corretamente o efeito previsível em termos de perceção do som produzido. Os principais sinais de ruído, usados na indústria eletroacústica, para a medição do SPL e diretividade foram também abordados assim como técnicas de medição. Inerente à diretividade estão os diagramas de dispersão polar e por isso foram também objeto de estudo desta dissertação.
Para a simulação acústica da interação de diversas fontes sonoras no plano X/Y foi desenvolvida uma aplicação em MATLAB usando a ferramenta GUI. A aplicação desenvolvida, ASI, permite aos seus utilizadores uma previsão rápida e precisa da distribuição da pressão sonora ao longo de um espaço bidimensional.
Foi desenvolvida a arquitetura do sistema tendo em conta as simulações efetuadas no software desenvolvido seguindo-se de uma simulação das caixas acústicas no software “LEAP – Enclosure Shop”.
Finalmente foram feitos os desenhos técnicos do subgrave, montagem e obtidos resultados experimentais e posterior avaliação.
INTRODUÇÃO
Nos primeiros anos da radiodifusão comercial, a conversão de energia elétrica em energia acústica só se realizava por meio de auscultadores telefónicos. Foi em 1924, que os cientistas americanos C. W. Rice e E. W. Kellogg inventaram e construíram o primeiro sonodifusor eletrodinâmico, devido ao desenvolvimento operado nos sistemas amplificadores de válvulas eletrónicas que tornou possível o funcionamento dos sonodifusores. A partir dessa altura, a técnica de construção dos sonodifusores tem vindo gradualmente a ser aperfeiçoada com o objetivo de se conseguir a reprodução do som com a melhor fidelidade possível e portanto com a melhor resposta em fase e frequência possível.
Um altifalante é um dispositivo transdutor que converte um sinal elétrico em acústico i.e. ondas sonoras. Estes dispositivos são divididos em classes por faixas de frequência de trabalho: tweeter, mid-range e woofer reproduzindo sons agudos (altas frequências), médios (médias frequências) e graves (baixas frequências) respetivamente. É sabido que os sons audiveis pelo ser humano, embora varie de individuo para individuo e com a idade, estão, na generalidade, compreendidos entre as frequências de 20Hz e de 20kHz. O ouvido humano possui uma característica de sensibilidade [Anexo 1] não linear ao longo desse intervalo de frequências, ou seja o mesmo SPL a diferentes frequências produz sensações auditivas de intensidades diferentes. A maior sensibilidade pode encontrar-se na gama de frequências entre os 2000Hz e os 4000Hz e o limiar auditivo é de 20 micropascal (0 dB).
A reprodução dos sons de muito baixas frequências necessita de caixas acústicamente grandes e de altifalantes indicados para o efeito (grande diâmetro do cone e grande excursão). Para que o volume das caixas acústicas dos sonodifusores de gama completa (Full-Range) não fosse afetado e estas ficassem demasiadamente grandes, foi criado um dispositivo para reproduzir, exclusivamentez os sons ditos subgraves. Este novo dispositivo, com carateristicas específicas, é denominado de subwoofer. A reprodução dessas frequências é conseguida através da aplicação do altifalante (woofer) numa caixa acústica com características específicas para o efeito (p.ex. grande volume interno). A motivação para esta dissertação foi o melhoramento e aumento do rendimento da reprodução das frequências subgraves dotando as caixas acústicas de características diferentes das convencionais principalmente no respeitante à direcionaldade.
O PROBLEMA
As caixas acústicas reprodutoras de sons subgraves convencionais apresentam um enorme problema que pode ser corrigido qualificando o produto muito acima do comum.
O grande problema é a sua radiação sonora ser quase omnidirecional querendo isto dizer que não há controlo da dispersão acústica originando desperdício de energia. Este fenómeno deve-se aos comprimentos de onda em que o subgrave opera serem demasiado grandes (3m a 17m) quando comparados com a dimensão da fonte sonora. Tanto em recintos abertos como fechados a não controlabilidade da dispersão pode ter efeitos negativos na radiação sonora assim como distorcer o som captado pelos microfones.
OBJETIVO
Em geral, diz-se que um sonodifusor irradia com um padrão esférico quando a potência acústica por unidade geométrica de ângulo sólido (densidade angular de potência) é uniforme em função da orientação geométrica considerada para a observação, relativamente ao eixo principal do sonodifusor. Outros padrões são possíveis e até desejados de forma que a distribuição de potência acústica por unidade geométrica seja assimétrica e permita assim produzir pressões sonoras diferentes em espaços em volta do sonodifusor.
Um exemplo de padrão geométrico de radiação é o cardióide, no qual se verifica que a distribuição da densidade de potência radiada para a frente é superior à que é gerada para trás. O padrão cardioide, célebre pela sua forma em coração, é representado matematicamente pela equação ρ = (0.5 + 0.5cos(σ)), onde σ representa o ângulo no plano de referência, em radianos, no caso atual será o plano horizontal.
É objetivo de estudo desta dissertação a redução do som produzido pelo subwoofer na sua parte traseira, otimizando também o som radiado frontalmente, obtendo assim um diagrama de radiação do tipo cardióide, hipercardióide ou similar. O aumento da diretividade em subwoofers origina diversas vantagens por haver redução da emissão de ondas em direções não desejadas concentrando assim a energia sonora nos locais pretendidos.