Desde sua invenção, na época dos rádios de galena e válvulas, os alto-falantes dinâmicos e de bobina móvel não mudaram muito, Apenas, novos desenhos com bobinas especiais e imãs cada vez mais potentes tornaram estes dispositivos ideais para a reprodução sonora com alto-rendimento e resposta plana numa ampla faixa de frequências. No entanto, novas tecnologias têm sido tentadas e até existem alguns produtos práticos. Neste artigo analisamos algumas delas.
Podemos começar nosso artigo, analisando o princípio de funcionamento de um alto-falante comum de bobina móvel e a natureza do som. Partimos de material de nosso almanaque.
Se bem que as vibrações sonoras não tenham natureza elétrica, como elas podem ser captadas e reproduzidas por dispositivos elétricos, seu estudo é muito importante para quem pretende conhecer eletrônica.
Como exemplos podemos citar sensores acústicos de uso industrial, intercomunicadores e até os sistemas multimídia fazem muito uso dessas vibrações pois os alto-falantes dos computadores produzem sons e além disso temos as entradas para sons captados por microfones.
As ondas sonoras são vibrações mecânicas necessitando para se propagar de meios materiais.
No vácuo o som não se propaga.
Uma experiência tradicional que mostra que isso é verdade consiste em se fazer funcionar uma campainha dentro de um vidro, do qual se tenha retirado todo ar.
O silêncio é absoluto, pois onde não há meio para o som se propagar ele não pode ser ouvido, conforme mostra a figura 1.
Na lua seria impossível uma conversação já que ela não possui atmosfera e os "sons de explosão" no espaço que vemos nos filmes de ficção, consistem numa aberração, pois lá, tudo é silêncio.
No ar, o som se propaga na forma de ondas de compressão e descompressão, conforme mostra a figura 2.
Assim, um alto-falante ao reproduzir um som, empurra para frente o ar para produzir uma onda de compressão e depois ao se mover em sentido contrário, o puxa de modo a produzir uma onda de descompressão.
Tanto a compressão como a descompressão se propagam com a mesma velocidade que, no ar sob condições normais de temperatura e pressão é da ordem de 340 metros por segundo.
Quando estas ondas de compressão e descompressão atingem nossos ouvidos elas atuam sobre uma fina membrana em seu interior, denominada tímpano, que transmite as vibrações ao sistema interno.
O sistema mecânico interno de nossos ouvidos, formado por alguns ossos móveis muito delicados, “traduz” as informações sobre a natureza do som captado e as envia ao cérebro por meio de ligações nervosas. Na figura 3 temos uma visão em corte de nosso ouvido.
Um alto-falante comum de bobina móvel produz as ondas sonoras pelo movimento de seu cone.
Os alto-falantes comuns são transdutores que convertem energia elétrica em energia acústica. Em outras palavras, eles recebem um sinal elétrico que tem a freqüência e a forma de onda de um e o convertem nesse som, conforme mostra a figura 4.
O tipo mais comum de alto-falante usado atualmente é o de bobina móvel. Trata-se de um transdutor eletrodinâmico bastante eficiente que tem a estrutura básica em corte mostrada na figura 5.
Nesse tipo de alto-falante existe uma bobina de fio de cobre esmaltado enrolada num tubinho que é preso ao cone do alto-falante. o cone pode ser de papelão ou plástico e tem um sistema de suspensão que permite que ele se movimente para frente e para trás.
A bobina está posicionada em torno de uma peça de metal, denominada peça polar, podendo se mover mas sem tocar nela. O movimento é para frente e para trás.
A peça polar está em contacto com um potente imã permanente de modo que ela concentra em torno da bobina esse campo, conforme mostra a figura 6.
Quando uma corrente que tenha freqüência e forma de onda correspondente ao som que deva ser reproduzido percorre a bobina, um campo magnético com as mesmas características é criado.
Esse campo interage com o campo do imã concentrado na peça polar de tal modo que surgem forças proporcionais que tendem a movimentar a bobina e consequentemente o cone.
Assim, as forças são no sentido de fazer o cone vibrar, indo para frente e para trás, mas reproduzindo exatamente a forma de onda do sinal aplicado.
A conseqüência disso é que o cone se movimenta empurrando e puxando o ar em sua volta de modo a produzir ondas de compressão e descompressão do ar, ou seja, ondas sonoras, conforme mostra a figura 7.
Na prática, devido a elasticidade do material usado no cone e também devido às próprias características das ondas acústicas, a reprodução do som num alto-falante ocorre de forma mais intensa em certas zonas, conforme a freqüência do som.
Por esse motivo, conforme mostra a figura 8, temos uma reprodução mais intensa dos agudos na região central enquanto que os médios ficam na região intermediária e os graves na periferia.
Esse comportamento faz com que os alto-falantes tradicionais tenham dimensões que correspondam justamente á faixa de sons que devam ser reproduzidas.
Mas, será que é possível produzir sons de outras formas, além desta e da que faz uso de cerâmicas piezoelétricas, como nos tweeters?
Alto-Falantes de Plasma
Conforme vimos, ondas sonoras são ondas de compressão e descompressão do ar. Estas ondas podem ser produzidas tanto pelo movimento de um objeto, no caso o cone de um alto-falante, como também pela expansão do ar, como ocorre numa explosão.
Uma descarga elétrica através do ar ionizado, por exemplo, como ocorre num raio é outra forma de se obter uma onda sonora. A expansão do ar, provoca o forte ruído do trovão.
Os alto-falantes de plasma aproveitam essa ideia.
Modulando-se uma fonte de muito alta tensão (MAT) com um sinal de áudio, a descarga que ocorre através de uma faísca, provoca ondas de compressão e descompressão do ar, resultando em som.
Denominamos plasma, pois trata-se do estado em que um gás ionizado perde seus elétrons e conduz intensamente a corrente elétrica.
A principal vantagem deste sistema é que não existe um corpo material para ser movimentado, como no caso do cone de um alto-falante, e portanto inércia que afete a curva de resposta.
No entanto, os experimentos feitos ainda não levam a um rendimento razoável, se bem que existam até empresas que vendam estes alto-falantes pela internet. Na figura 9 temos um exemplo.
No seu circuito é utilizada uma válvula que gera alta tensão, em configuração semelhante a que encontramos nos televisores analógicos antigos para gerar a MAT dos cinescópios. Na figura 10, o tweeter visto aberto.
Para os que desejarem fazer experiências, eis um circuito simples que pode ser elaborado com componentes comuns.
A bobina de alta tensão pode ser um fly-back comum de TV analógica antiga. O primário desta bobina consiste em 4 a 6 espiras de fio comum no núcleo exposto.
O arco de plasma é obtido entre dois alfinetes separados de 2 a 5 mm de distância, de acordo com a tensão obtida. O ajuste é feito em R1 e R2 que podem ser de 47 k.
A bateria B fornece 6 V (4 pilhas) e a fonte de 12 V deve ter pelo menos 3 A de corrente. O circuito é dado na figura 11.
Ao que parece, a resposta de frequência está diretamente ligada a potência da faísca. Vemos que pequenas faíscas, como as de velas de carro, produzem sons agudos em que enormes faíscas como os raios, produzem sons graves.
Assim, o alto-falante experimental dado deve funcionar como um tweeter.
Alto-Falantes Eletrostáticos
A idéia básica deste alto-falante é a de que duas placas carregadas com cargas de sinais opostos se atraem e com cargas de sinais iguais se repelem.
Se estas placas tiverem certa flexibilidade ou ainda forem móveis a atração e a repulsão pode fazer com que sejam geradas ondas sonoras.
Outra possibilidade é usar um material flexível como diafragma de modo que ele sofra deformações sob o campo elétrico e com isso produza sons.
Para se ter uma boa força de atração e repulsão num sistema deste tipo, deve-se trabalhar com tensões elevadas, da ordem de milhares de volts.
Desta forma, o tipo mais comum, que já pode ser encontrado à venda, consiste em placas de metal de grandes dimensões que estão submetidas a um sinal de áudio de alta tensão, conforme mostra a figura 12.
Se invertermos um pequeno transformador de 110 V ou 220 V com 6 a 12 V de secundário e ligarmos o secundário na saída de um amplificador, podemos ter um alto-falantes experimental eletrostático.
Basta ligar o primário em duas folhas de alumínio esticadas de uns 40 x 40 cm cada uma separadas uma da outra de uns 2 ou 3 cm. Com o sinal de áudio, as folhas vibram produzindo sons.
Na figura 13 mostramos como fazer isso.
Na figura 14 temos um alto-falante eletrostático comercial de grande potência que se caracteriza por ser capaz de reproduzir sons muito graves com excelente rendimento e fidelidade.
Como subwoofer ele pode reproduzir sons abaixo de 30 Hz com facilidade. Seu preço, entretanto é elevadíssimo.
Alto-Falantes Giratórios
Uma tecnologia interessante que apresenta algumas soluções na internet em http://www.eminent-tech.com/main.html
Neste sistema é utilizado um ventilador em que a inclinação das pás é controlada pelo sinal de áudio. Desta forma, o fluxo de ar varia produzindo assim uma onda sonora.
O alto-falante é vendido pela empresa cujo site é dado acima e tem um custo bastante elevado, destinado basicamente à reprodução de sons graves.
Segundo o fabricante, este alto-falante pode reproduzir sinais abaixo de 20 Hz, o que não se consegue com um subwoofer comum.
As especificações este alto-falante são muito interessante:
Resposta de frequência: 1 a 30 Hz
Potência do amplificador exigida: 150 W
Sensibilidade: 94 dB 1W 1 metro em 10 Hz
Distorção típica: 3% de 1 a 20 Hz
Preço: U$ 12 900,00
Também podem ser obtidos serviços de projeto e instalação.
