Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Caracterizaccedilatildeo da resposta em atraso de grupo de altifalantes e microfones

Daniel Alexandre Azevedo Gomes

ESTADO DA ARTE

Relatoacuterio de Preparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeo realizado no acircmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electroteacutecnica e de Computadores

Major Telecomunicaccedilotildees Electroacutenica e Computadores

Orientador Prof Dr Aniacutebal Joatildeo de Sousa Ferreira

17 de fevereiro de 2012

copy Daniel Alexandre Azevedo Gomes 2012

iii

Iacutendice

Iacutendice iii

Lista de figuras v

Abreviaturas e Siacutembolos vii

Capiacutetulo 1 1

Introduccedilatildeo 1 11 - Tema e Objetivos 1 12 - Motivaccedilatildeo 1 13 - Estrutura do Relatoacuterio 2

Capiacutetulo 2 3

Estado da Arte 3 21 - Atraso de Grupo 3 22 - Transdutores Eletroacuacutesticos 6

221 - Transdutor de bobina moacutevel 6 222 - Transdutor piezoeleacutetrico 7 223 - Transdutor eletrostaacuteticos 7

23 - Microfone 8 231 ndash Elemento 8 232 ndash Direcionalidade 10 233 ndash Sensibilidade 11 234 ndash Resposta em frequecircncia 11 235 ndash Impedacircncia 11

24 - Altifalante 12 241 ndash Transdutor 12 242 ndash Sensibilidade 13 243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias 14 244 ndash Filtro Crossover 14 245 ndash Resposta em frequecircncia 15 246 ndash Impedacircncia e Potecircncia 15

25 - Conclusatildeo 16

Capiacutetulo 3 17

Proposta de trabalho 17 31 - Ferramentas a utilizar 17

311 ndash Cacircmara Anecoica 17 312 ndash Matlab 18

32 - Metodologia 18

33 - Plano de trabalho 19

Capiacutetulo 4 20

Conclusatildeo 20

Referecircncias sitiograacuteficas 21

Referecircncias bibliograacuteficas 22

Anexos 23

v

Lista de figuras

Figura 21 - Forma de onda simples 3

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal 4

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a] 4

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4] 5

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das frequecircncias [4] 5

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b] 5

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c] 6

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d] 7

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e] 8

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e] 9

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4] 10

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4] 10

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f] 11

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g] 12

Figura 215 - Interior de altifalante [h] 13

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i] 14

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes 18

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho 19

vii

Abreviaturas e Siacutembolos

Lista de abreviaturas (ordenadas por ordem alfabeacutetica)

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

LTI Linear time-invariant

RMS Root Mean Square

Lista de siacutembolos

ω Frequecircncia angular

τg Atraso de grupo

1

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

11 - Tema e Objetivos

O tema a tratar neste projeto eacute a caracterizaccedilatildeo do comportamento em atraso de grupo

de transdutores eletroacuacutesticos (altifalantes e microfones)

Por norma este tipo de dispositivos eacute caracterizado apenas pela magnitude da sua

resposta em frequecircncia que nos daacute uma representaccedilatildeo do ganhoatenuaccedilatildeo do transdutor

para todo o espetro sonoro No entanto o seu comportamento em termos de fase e da sua

derivada ou seja o atraso de grupo eacute geralmente descurado Este uacuteltimo tem de ser

constante para que um sinal de onda emitidorecebido pelo transdutor natildeo sofra alteraccedilotildees

podendo inclusivamente chegar a ser percetiacutevel para o ouvinte

O objetivo eacute caracterizar a resposta em atraso de grupo de diversos dispositivos

eletroacuacutesticos entre eles alguns de precisatildeo e avaliar o impacto que esta provoca na

perceccedilatildeo auditiva

12 - Motivaccedilatildeo

Sendo praacutetica comum a natildeo inclusatildeo de informaccedilatildeo sobre o comportamento em atraso de

grupo dos dispositivos eletroacuacutesticos este projeto pretende evidenciar ateacute que ponto esta

situaccedilatildeo poderaacute ser prejudicial para um determinado sinal sonoro e para a sua perceccedilatildeo pelo

sistema auditivo humano isto pelo facto dos dispositivos poderem ter comportamentos

completamente distintos em termos de resposta em fase e por sua vez atraso de grupo

mesmo possuindo uma resposta em magnitude semelhante

Alguns estudos jaacute efetuados nomeadamente [1] e [2] demonstram que os efeitos do

atraso de grupo satildeo possiacuteveis de serem detetados pelo ouvido humano

2 Introduccedilatildeo

Esta situaccedilatildeo eacute ainda mais criacutetica quando nos referimos a dispositivos de elevada

precisatildeo onde eacute exigida a melhor qualidade de gravaccedilatildeoreproduccedilatildeo A caraterizaccedilatildeo em

atraso de grupo poderaacute ser assim determinante para a escolha de um dispositivo

relativamente a outros

13 - Estrutura do Relatoacuterio

Este documento encontra-se dividido em quatro capiacutetulos No primeiro capiacutetulo eacute feita

uma breve introduccedilatildeo ao tema do projeto para se perceber o que estaacute em causa e quais as

possiacuteveis conclusotildees que se poderatildeo tirar

Em seguida temos um capiacutetulo onde eacute feita uma anaacutelise das tecnologias existentes

atualmente no mercado na aacuterea do tema a desenvolver No iniacutecio desse capiacutetulo satildeo tambeacutem

explicados alguns conceitos essenciais para que se possa perceber o que estaacute em causa nesta

anaacutelise No terceiro capiacutetulo eacute explicada qual a metodologia que se vai usar no projeto e seraacute

feito um plano de trabalho bem como uma listagem das ferramentas que seratildeo necessaacuterias ao

longo do semestre Por uacuteltimo eacute feita uma conclusatildeo sobre o trabalho ateacute agora

desenvolvido

3

Capiacutetulo 2

Estado da Arte

Neste capiacutetulo iraacute ser explicado o que eacute o atraso de grupo de um sinal e quais as

implicaccedilotildees no seu domiacutenio temporal Aleacutem disso seraacute feito um estudo dos princiacutepios de

funcionamento dos transdutores eletroacuacutesticos e quais as suas carateriacutesticas mais

relevantes

21 - Atraso de Grupo

Para podermos entender o que eacute o atraso de grupo necessitamos antes de perceber o

funcionamento do som e a forma como ele existe na natureza O som pode ser descrito como

a propagaccedilatildeo de vibraccedilotildees num determinado meio seja ele soacutelido liacutequido ou gasoso Este eacute

ultimamente captado pelo sistema auditivo dos seres vivos (caso o possuam) tornando-se

assim num meio de interaccedilatildeo destes com o ambiente que os rodeia

O som sendo ele uma vibraccedilatildeo pode ser assim representado temporalmente numa forma

de onda na qual eacute feita a relaccedilatildeo entre a sua amplitude em funccedilatildeo do tempo

Figura 21 - Forma de onda simples

As carateriacutesticas mais importantes de um sinal satildeo a sua frequecircncia amplitude e fase A

amplitude representa a magnitude de vibraccedilatildeo de uma onda sonora a frequecircncia eacute o nuacutemero

de oscilaccedilotildees efetuadas durante um segundo (inverso do periacuteodo) e a fase eacute a distacircncia entre

4 Estado da Arte

dois pontos de igual valor e derivada estando um deles na onda original e o outro numa onda

de igual frequecircncia e amplitude mas com fase 0ordm

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a]

Um determinado sinal bem como o comportamento de um sistema (como no caso dos

transdutores eletroacuacutesticos) pode ser representado no domiacutenio das frequecircncias ao inveacutes de

este ser feito no domiacutenio temporal Sendo assim o sinal resultante apoacutes este ter passado por

um sistema linear e invariante no tempo (LTI) pode ser descrito pela equaccedilatildeo [3]

Y(jω) = H(jω) X(jω) (21)

onde Y eacute o sinal agrave saiacuteda do sistema X eacute o sinal de entrada e H eacute a resposta em frequecircncia do

sistema Esta uacuteltima provoca alteraccedilotildees ao niacutevel da amplitude e da fase para cada uma das

componentes do sinal de entrada Sendo assim esta equaccedilatildeo pode ser decomposta em

|Y(jω)| = |H(jω)|| X(jω)| (22)

ltY(jω) = ltH(jω) + ltX(jω) (23)

onde a primeira equaccedilatildeo representa a transformaccedilatildeo ao niacutevel da magnitude do sinal e a

segunda ao niacutevel da sua fase

Para que natildeo exista distorccedilotildees no sinal de saiacuteda relativamente ao de entrada eacute

necessaacuterio que a magnitude da resposta em frequecircncia do sistema seja constante para todas

as frequecircncias afetadas no sinal X No caso da fase o valor a ser somado para cada uma das

Estado da Arte 5

componentes da frequecircncias pode levar a que a relaccedilatildeo entre cada uma delas se altere

modificando assim o sinal de saiacuteda

Apesar de estes dois aspetos poderem provocar a distorccedilatildeo de um sinal de aacuteudio apenas

o primeiro eacute por norma considerado

Em seguida podemos ver um exemplo [4] onde o sinal em forma de dente de serra apenas

eacute afetado por distorccedilatildeo ao niacutevel da fase

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4]

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das

frequecircncias [4]

Como se pode comprovar o niacutevel de distorccedilatildeo introduzido eacute bastante elevado sendo por

isso expectaacutevel alteraccedilotildees a niacutevel de sonoridade

Para que natildeo exista distorccedilatildeo proveniente da alteraccedilatildeo da fase do sinal eacute necessaacuterio que

o sistema pelo qual ele passa seja de fase linear isto eacute a sua fase tem de ser uma funccedilatildeo

linear da frequecircncia isto excluindo possiacuteveis saltos de plusmnπ Em seguida estatildeo representados

dois exemplos de sistemas de fase linear

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b]

6 Estado da Arte

O atraso de grupo eacute definido [3] por

(24)

Analisando a foacutermula pode-se ver que o atraso de grupo eacute na realidade o simeacutetrico da

derivada do graacutefico representativo da fase de um sistema Tendo este uacuteltimo de ser linear

conclui-se assim que para que um sistema natildeo provoque distorccedilotildees (ao niacutevel da fase) a um

determinado sinal o atraso de grupo tem de ser constante ao longo das frequecircncias

22 - Transdutores Eletroacuacutesticos

Um transdutor eletroacuacutestico eacute um dispositivo que permite a conversatildeo de energia

eleacutetrica em mecacircnica que por sua vez daacute origem a ondas sonoras O processo contraacuterio

tambeacutem eacute possiacutevel ou seja converter a energia proveniente da pressatildeo sonora em energia

eleacutetrica Dois dispositivos encarregues de efetuar tal operaccedilatildeo satildeo o altifalante e o

microfone respetivamente

Para se conseguir fazer a conversatildeo entre estes dois tipos de energia satildeo usados certos

materiais e propriedades fiacutesicas que permite assim produzir o efeito desejado Ao longo dos

anos foram produzidos transdutores eletromecacircnicos dos mais diversos tipos mas atualmente

os mais usados satildeo os de bobina moacutevel piezoeleacutetricos e eletrostaacuteticos Segue-se uma breve

descriccedilatildeo do princiacutepio de funcionamento de cada um destes tipos de transdutores

221 - Transdutor de bobina moacutevel

Tambeacutem conhecido como dinacircmico este eacute o tipo de dispositivo mais usado em

altifalantes e um dos mais populares na produccedilatildeo de microfones Quando um campo

magneacutetico eacute alterado junto de uma bobina eacute induzida uma corrente eleacutetrica nesta O caso

contraacuterio tambeacutem eacute verdade ou seja ao fornecer uma corrente eleacutetrica agrave bobina eacute criado

um campo magneacutetico Eacute baseado neste princiacutepio que este tipo de dispositivo funciona

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c]

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

copy Daniel Alexandre Azevedo Gomes 2012

iii

Iacutendice

Iacutendice iii

Lista de figuras v

Abreviaturas e Siacutembolos vii

Capiacutetulo 1 1

Introduccedilatildeo 1 11 - Tema e Objetivos 1 12 - Motivaccedilatildeo 1 13 - Estrutura do Relatoacuterio 2

Capiacutetulo 2 3

Estado da Arte 3 21 - Atraso de Grupo 3 22 - Transdutores Eletroacuacutesticos 6

221 - Transdutor de bobina moacutevel 6 222 - Transdutor piezoeleacutetrico 7 223 - Transdutor eletrostaacuteticos 7

23 - Microfone 8 231 ndash Elemento 8 232 ndash Direcionalidade 10 233 ndash Sensibilidade 11 234 ndash Resposta em frequecircncia 11 235 ndash Impedacircncia 11

24 - Altifalante 12 241 ndash Transdutor 12 242 ndash Sensibilidade 13 243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias 14 244 ndash Filtro Crossover 14 245 ndash Resposta em frequecircncia 15 246 ndash Impedacircncia e Potecircncia 15

25 - Conclusatildeo 16

Capiacutetulo 3 17

Proposta de trabalho 17 31 - Ferramentas a utilizar 17

311 ndash Cacircmara Anecoica 17 312 ndash Matlab 18

32 - Metodologia 18

33 - Plano de trabalho 19

Capiacutetulo 4 20

Conclusatildeo 20

Referecircncias sitiograacuteficas 21

Referecircncias bibliograacuteficas 22

Anexos 23

v

Lista de figuras

Figura 21 - Forma de onda simples 3

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal 4

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a] 4

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4] 5

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das frequecircncias [4] 5

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b] 5

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c] 6

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d] 7

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e] 8

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e] 9

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4] 10

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4] 10

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f] 11

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g] 12

Figura 215 - Interior de altifalante [h] 13

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i] 14

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes 18

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho 19

vii

Abreviaturas e Siacutembolos

Lista de abreviaturas (ordenadas por ordem alfabeacutetica)

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

LTI Linear time-invariant

RMS Root Mean Square

Lista de siacutembolos

ω Frequecircncia angular

τg Atraso de grupo

1

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

11 - Tema e Objetivos

O tema a tratar neste projeto eacute a caracterizaccedilatildeo do comportamento em atraso de grupo

de transdutores eletroacuacutesticos (altifalantes e microfones)

Por norma este tipo de dispositivos eacute caracterizado apenas pela magnitude da sua

resposta em frequecircncia que nos daacute uma representaccedilatildeo do ganhoatenuaccedilatildeo do transdutor

para todo o espetro sonoro No entanto o seu comportamento em termos de fase e da sua

derivada ou seja o atraso de grupo eacute geralmente descurado Este uacuteltimo tem de ser

constante para que um sinal de onda emitidorecebido pelo transdutor natildeo sofra alteraccedilotildees

podendo inclusivamente chegar a ser percetiacutevel para o ouvinte

O objetivo eacute caracterizar a resposta em atraso de grupo de diversos dispositivos

eletroacuacutesticos entre eles alguns de precisatildeo e avaliar o impacto que esta provoca na

perceccedilatildeo auditiva

12 - Motivaccedilatildeo

Sendo praacutetica comum a natildeo inclusatildeo de informaccedilatildeo sobre o comportamento em atraso de

grupo dos dispositivos eletroacuacutesticos este projeto pretende evidenciar ateacute que ponto esta

situaccedilatildeo poderaacute ser prejudicial para um determinado sinal sonoro e para a sua perceccedilatildeo pelo

sistema auditivo humano isto pelo facto dos dispositivos poderem ter comportamentos

completamente distintos em termos de resposta em fase e por sua vez atraso de grupo

mesmo possuindo uma resposta em magnitude semelhante

Alguns estudos jaacute efetuados nomeadamente [1] e [2] demonstram que os efeitos do

atraso de grupo satildeo possiacuteveis de serem detetados pelo ouvido humano

2 Introduccedilatildeo

Esta situaccedilatildeo eacute ainda mais criacutetica quando nos referimos a dispositivos de elevada

precisatildeo onde eacute exigida a melhor qualidade de gravaccedilatildeoreproduccedilatildeo A caraterizaccedilatildeo em

atraso de grupo poderaacute ser assim determinante para a escolha de um dispositivo

relativamente a outros

13 - Estrutura do Relatoacuterio

Este documento encontra-se dividido em quatro capiacutetulos No primeiro capiacutetulo eacute feita

uma breve introduccedilatildeo ao tema do projeto para se perceber o que estaacute em causa e quais as

possiacuteveis conclusotildees que se poderatildeo tirar

Em seguida temos um capiacutetulo onde eacute feita uma anaacutelise das tecnologias existentes

atualmente no mercado na aacuterea do tema a desenvolver No iniacutecio desse capiacutetulo satildeo tambeacutem

explicados alguns conceitos essenciais para que se possa perceber o que estaacute em causa nesta

anaacutelise No terceiro capiacutetulo eacute explicada qual a metodologia que se vai usar no projeto e seraacute

feito um plano de trabalho bem como uma listagem das ferramentas que seratildeo necessaacuterias ao

longo do semestre Por uacuteltimo eacute feita uma conclusatildeo sobre o trabalho ateacute agora

desenvolvido

3

Capiacutetulo 2

Estado da Arte

Neste capiacutetulo iraacute ser explicado o que eacute o atraso de grupo de um sinal e quais as

implicaccedilotildees no seu domiacutenio temporal Aleacutem disso seraacute feito um estudo dos princiacutepios de

funcionamento dos transdutores eletroacuacutesticos e quais as suas carateriacutesticas mais

relevantes

21 - Atraso de Grupo

Para podermos entender o que eacute o atraso de grupo necessitamos antes de perceber o

funcionamento do som e a forma como ele existe na natureza O som pode ser descrito como

a propagaccedilatildeo de vibraccedilotildees num determinado meio seja ele soacutelido liacutequido ou gasoso Este eacute

ultimamente captado pelo sistema auditivo dos seres vivos (caso o possuam) tornando-se

assim num meio de interaccedilatildeo destes com o ambiente que os rodeia

O som sendo ele uma vibraccedilatildeo pode ser assim representado temporalmente numa forma

de onda na qual eacute feita a relaccedilatildeo entre a sua amplitude em funccedilatildeo do tempo

Figura 21 - Forma de onda simples

As carateriacutesticas mais importantes de um sinal satildeo a sua frequecircncia amplitude e fase A

amplitude representa a magnitude de vibraccedilatildeo de uma onda sonora a frequecircncia eacute o nuacutemero

de oscilaccedilotildees efetuadas durante um segundo (inverso do periacuteodo) e a fase eacute a distacircncia entre

4 Estado da Arte

dois pontos de igual valor e derivada estando um deles na onda original e o outro numa onda

de igual frequecircncia e amplitude mas com fase 0ordm

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a]

Um determinado sinal bem como o comportamento de um sistema (como no caso dos

transdutores eletroacuacutesticos) pode ser representado no domiacutenio das frequecircncias ao inveacutes de

este ser feito no domiacutenio temporal Sendo assim o sinal resultante apoacutes este ter passado por

um sistema linear e invariante no tempo (LTI) pode ser descrito pela equaccedilatildeo [3]

Y(jω) = H(jω) X(jω) (21)

onde Y eacute o sinal agrave saiacuteda do sistema X eacute o sinal de entrada e H eacute a resposta em frequecircncia do

sistema Esta uacuteltima provoca alteraccedilotildees ao niacutevel da amplitude e da fase para cada uma das

componentes do sinal de entrada Sendo assim esta equaccedilatildeo pode ser decomposta em

|Y(jω)| = |H(jω)|| X(jω)| (22)

ltY(jω) = ltH(jω) + ltX(jω) (23)

onde a primeira equaccedilatildeo representa a transformaccedilatildeo ao niacutevel da magnitude do sinal e a

segunda ao niacutevel da sua fase

Para que natildeo exista distorccedilotildees no sinal de saiacuteda relativamente ao de entrada eacute

necessaacuterio que a magnitude da resposta em frequecircncia do sistema seja constante para todas

as frequecircncias afetadas no sinal X No caso da fase o valor a ser somado para cada uma das

Estado da Arte 5

componentes da frequecircncias pode levar a que a relaccedilatildeo entre cada uma delas se altere

modificando assim o sinal de saiacuteda

Apesar de estes dois aspetos poderem provocar a distorccedilatildeo de um sinal de aacuteudio apenas

o primeiro eacute por norma considerado

Em seguida podemos ver um exemplo [4] onde o sinal em forma de dente de serra apenas

eacute afetado por distorccedilatildeo ao niacutevel da fase

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4]

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das

frequecircncias [4]

Como se pode comprovar o niacutevel de distorccedilatildeo introduzido eacute bastante elevado sendo por

isso expectaacutevel alteraccedilotildees a niacutevel de sonoridade

Para que natildeo exista distorccedilatildeo proveniente da alteraccedilatildeo da fase do sinal eacute necessaacuterio que

o sistema pelo qual ele passa seja de fase linear isto eacute a sua fase tem de ser uma funccedilatildeo

linear da frequecircncia isto excluindo possiacuteveis saltos de plusmnπ Em seguida estatildeo representados

dois exemplos de sistemas de fase linear

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b]

6 Estado da Arte

O atraso de grupo eacute definido [3] por

(24)

Analisando a foacutermula pode-se ver que o atraso de grupo eacute na realidade o simeacutetrico da

derivada do graacutefico representativo da fase de um sistema Tendo este uacuteltimo de ser linear

conclui-se assim que para que um sistema natildeo provoque distorccedilotildees (ao niacutevel da fase) a um

determinado sinal o atraso de grupo tem de ser constante ao longo das frequecircncias

22 - Transdutores Eletroacuacutesticos

Um transdutor eletroacuacutestico eacute um dispositivo que permite a conversatildeo de energia

eleacutetrica em mecacircnica que por sua vez daacute origem a ondas sonoras O processo contraacuterio

tambeacutem eacute possiacutevel ou seja converter a energia proveniente da pressatildeo sonora em energia

eleacutetrica Dois dispositivos encarregues de efetuar tal operaccedilatildeo satildeo o altifalante e o

microfone respetivamente

Para se conseguir fazer a conversatildeo entre estes dois tipos de energia satildeo usados certos

materiais e propriedades fiacutesicas que permite assim produzir o efeito desejado Ao longo dos

anos foram produzidos transdutores eletromecacircnicos dos mais diversos tipos mas atualmente

os mais usados satildeo os de bobina moacutevel piezoeleacutetricos e eletrostaacuteticos Segue-se uma breve

descriccedilatildeo do princiacutepio de funcionamento de cada um destes tipos de transdutores

221 - Transdutor de bobina moacutevel

Tambeacutem conhecido como dinacircmico este eacute o tipo de dispositivo mais usado em

altifalantes e um dos mais populares na produccedilatildeo de microfones Quando um campo

magneacutetico eacute alterado junto de uma bobina eacute induzida uma corrente eleacutetrica nesta O caso

contraacuterio tambeacutem eacute verdade ou seja ao fornecer uma corrente eleacutetrica agrave bobina eacute criado

um campo magneacutetico Eacute baseado neste princiacutepio que este tipo de dispositivo funciona

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c]

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

iii

Iacutendice

Iacutendice iii

Lista de figuras v

Abreviaturas e Siacutembolos vii

Capiacutetulo 1 1

Introduccedilatildeo 1 11 - Tema e Objetivos 1 12 - Motivaccedilatildeo 1 13 - Estrutura do Relatoacuterio 2

Capiacutetulo 2 3

Estado da Arte 3 21 - Atraso de Grupo 3 22 - Transdutores Eletroacuacutesticos 6

221 - Transdutor de bobina moacutevel 6 222 - Transdutor piezoeleacutetrico 7 223 - Transdutor eletrostaacuteticos 7

23 - Microfone 8 231 ndash Elemento 8 232 ndash Direcionalidade 10 233 ndash Sensibilidade 11 234 ndash Resposta em frequecircncia 11 235 ndash Impedacircncia 11

24 - Altifalante 12 241 ndash Transdutor 12 242 ndash Sensibilidade 13 243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias 14 244 ndash Filtro Crossover 14 245 ndash Resposta em frequecircncia 15 246 ndash Impedacircncia e Potecircncia 15

25 - Conclusatildeo 16

Capiacutetulo 3 17

Proposta de trabalho 17 31 - Ferramentas a utilizar 17

311 ndash Cacircmara Anecoica 17 312 ndash Matlab 18

32 - Metodologia 18

33 - Plano de trabalho 19

Capiacutetulo 4 20

Conclusatildeo 20

Referecircncias sitiograacuteficas 21

Referecircncias bibliograacuteficas 22

Anexos 23

v

Lista de figuras

Figura 21 - Forma de onda simples 3

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal 4

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a] 4

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4] 5

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das frequecircncias [4] 5

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b] 5

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c] 6

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d] 7

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e] 8

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e] 9

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4] 10

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4] 10

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f] 11

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g] 12

Figura 215 - Interior de altifalante [h] 13

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i] 14

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes 18

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho 19

vii

Abreviaturas e Siacutembolos

Lista de abreviaturas (ordenadas por ordem alfabeacutetica)

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

LTI Linear time-invariant

RMS Root Mean Square

Lista de siacutembolos

ω Frequecircncia angular

τg Atraso de grupo

1

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

11 - Tema e Objetivos

O tema a tratar neste projeto eacute a caracterizaccedilatildeo do comportamento em atraso de grupo

de transdutores eletroacuacutesticos (altifalantes e microfones)

Por norma este tipo de dispositivos eacute caracterizado apenas pela magnitude da sua

resposta em frequecircncia que nos daacute uma representaccedilatildeo do ganhoatenuaccedilatildeo do transdutor

para todo o espetro sonoro No entanto o seu comportamento em termos de fase e da sua

derivada ou seja o atraso de grupo eacute geralmente descurado Este uacuteltimo tem de ser

constante para que um sinal de onda emitidorecebido pelo transdutor natildeo sofra alteraccedilotildees

podendo inclusivamente chegar a ser percetiacutevel para o ouvinte

O objetivo eacute caracterizar a resposta em atraso de grupo de diversos dispositivos

eletroacuacutesticos entre eles alguns de precisatildeo e avaliar o impacto que esta provoca na

perceccedilatildeo auditiva

12 - Motivaccedilatildeo

Sendo praacutetica comum a natildeo inclusatildeo de informaccedilatildeo sobre o comportamento em atraso de

grupo dos dispositivos eletroacuacutesticos este projeto pretende evidenciar ateacute que ponto esta

situaccedilatildeo poderaacute ser prejudicial para um determinado sinal sonoro e para a sua perceccedilatildeo pelo

sistema auditivo humano isto pelo facto dos dispositivos poderem ter comportamentos

completamente distintos em termos de resposta em fase e por sua vez atraso de grupo

mesmo possuindo uma resposta em magnitude semelhante

Alguns estudos jaacute efetuados nomeadamente [1] e [2] demonstram que os efeitos do

atraso de grupo satildeo possiacuteveis de serem detetados pelo ouvido humano

2 Introduccedilatildeo

Esta situaccedilatildeo eacute ainda mais criacutetica quando nos referimos a dispositivos de elevada

precisatildeo onde eacute exigida a melhor qualidade de gravaccedilatildeoreproduccedilatildeo A caraterizaccedilatildeo em

atraso de grupo poderaacute ser assim determinante para a escolha de um dispositivo

relativamente a outros

13 - Estrutura do Relatoacuterio

Este documento encontra-se dividido em quatro capiacutetulos No primeiro capiacutetulo eacute feita

uma breve introduccedilatildeo ao tema do projeto para se perceber o que estaacute em causa e quais as

possiacuteveis conclusotildees que se poderatildeo tirar

Em seguida temos um capiacutetulo onde eacute feita uma anaacutelise das tecnologias existentes

atualmente no mercado na aacuterea do tema a desenvolver No iniacutecio desse capiacutetulo satildeo tambeacutem

explicados alguns conceitos essenciais para que se possa perceber o que estaacute em causa nesta

anaacutelise No terceiro capiacutetulo eacute explicada qual a metodologia que se vai usar no projeto e seraacute

feito um plano de trabalho bem como uma listagem das ferramentas que seratildeo necessaacuterias ao

longo do semestre Por uacuteltimo eacute feita uma conclusatildeo sobre o trabalho ateacute agora

desenvolvido

3

Capiacutetulo 2

Estado da Arte

Neste capiacutetulo iraacute ser explicado o que eacute o atraso de grupo de um sinal e quais as

implicaccedilotildees no seu domiacutenio temporal Aleacutem disso seraacute feito um estudo dos princiacutepios de

funcionamento dos transdutores eletroacuacutesticos e quais as suas carateriacutesticas mais

relevantes

21 - Atraso de Grupo

Para podermos entender o que eacute o atraso de grupo necessitamos antes de perceber o

funcionamento do som e a forma como ele existe na natureza O som pode ser descrito como

a propagaccedilatildeo de vibraccedilotildees num determinado meio seja ele soacutelido liacutequido ou gasoso Este eacute

ultimamente captado pelo sistema auditivo dos seres vivos (caso o possuam) tornando-se

assim num meio de interaccedilatildeo destes com o ambiente que os rodeia

O som sendo ele uma vibraccedilatildeo pode ser assim representado temporalmente numa forma

de onda na qual eacute feita a relaccedilatildeo entre a sua amplitude em funccedilatildeo do tempo

Figura 21 - Forma de onda simples

As carateriacutesticas mais importantes de um sinal satildeo a sua frequecircncia amplitude e fase A

amplitude representa a magnitude de vibraccedilatildeo de uma onda sonora a frequecircncia eacute o nuacutemero

de oscilaccedilotildees efetuadas durante um segundo (inverso do periacuteodo) e a fase eacute a distacircncia entre

4 Estado da Arte

dois pontos de igual valor e derivada estando um deles na onda original e o outro numa onda

de igual frequecircncia e amplitude mas com fase 0ordm

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a]

Um determinado sinal bem como o comportamento de um sistema (como no caso dos

transdutores eletroacuacutesticos) pode ser representado no domiacutenio das frequecircncias ao inveacutes de

este ser feito no domiacutenio temporal Sendo assim o sinal resultante apoacutes este ter passado por

um sistema linear e invariante no tempo (LTI) pode ser descrito pela equaccedilatildeo [3]

Y(jω) = H(jω) X(jω) (21)

onde Y eacute o sinal agrave saiacuteda do sistema X eacute o sinal de entrada e H eacute a resposta em frequecircncia do

sistema Esta uacuteltima provoca alteraccedilotildees ao niacutevel da amplitude e da fase para cada uma das

componentes do sinal de entrada Sendo assim esta equaccedilatildeo pode ser decomposta em

|Y(jω)| = |H(jω)|| X(jω)| (22)

ltY(jω) = ltH(jω) + ltX(jω) (23)

onde a primeira equaccedilatildeo representa a transformaccedilatildeo ao niacutevel da magnitude do sinal e a

segunda ao niacutevel da sua fase

Para que natildeo exista distorccedilotildees no sinal de saiacuteda relativamente ao de entrada eacute

necessaacuterio que a magnitude da resposta em frequecircncia do sistema seja constante para todas

as frequecircncias afetadas no sinal X No caso da fase o valor a ser somado para cada uma das

Estado da Arte 5

componentes da frequecircncias pode levar a que a relaccedilatildeo entre cada uma delas se altere

modificando assim o sinal de saiacuteda

Apesar de estes dois aspetos poderem provocar a distorccedilatildeo de um sinal de aacuteudio apenas

o primeiro eacute por norma considerado

Em seguida podemos ver um exemplo [4] onde o sinal em forma de dente de serra apenas

eacute afetado por distorccedilatildeo ao niacutevel da fase

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4]

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das

frequecircncias [4]

Como se pode comprovar o niacutevel de distorccedilatildeo introduzido eacute bastante elevado sendo por

isso expectaacutevel alteraccedilotildees a niacutevel de sonoridade

Para que natildeo exista distorccedilatildeo proveniente da alteraccedilatildeo da fase do sinal eacute necessaacuterio que

o sistema pelo qual ele passa seja de fase linear isto eacute a sua fase tem de ser uma funccedilatildeo

linear da frequecircncia isto excluindo possiacuteveis saltos de plusmnπ Em seguida estatildeo representados

dois exemplos de sistemas de fase linear

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b]

6 Estado da Arte

O atraso de grupo eacute definido [3] por

(24)

Analisando a foacutermula pode-se ver que o atraso de grupo eacute na realidade o simeacutetrico da

derivada do graacutefico representativo da fase de um sistema Tendo este uacuteltimo de ser linear

conclui-se assim que para que um sistema natildeo provoque distorccedilotildees (ao niacutevel da fase) a um

determinado sinal o atraso de grupo tem de ser constante ao longo das frequecircncias

22 - Transdutores Eletroacuacutesticos

Um transdutor eletroacuacutestico eacute um dispositivo que permite a conversatildeo de energia

eleacutetrica em mecacircnica que por sua vez daacute origem a ondas sonoras O processo contraacuterio

tambeacutem eacute possiacutevel ou seja converter a energia proveniente da pressatildeo sonora em energia

eleacutetrica Dois dispositivos encarregues de efetuar tal operaccedilatildeo satildeo o altifalante e o

microfone respetivamente

Para se conseguir fazer a conversatildeo entre estes dois tipos de energia satildeo usados certos

materiais e propriedades fiacutesicas que permite assim produzir o efeito desejado Ao longo dos

anos foram produzidos transdutores eletromecacircnicos dos mais diversos tipos mas atualmente

os mais usados satildeo os de bobina moacutevel piezoeleacutetricos e eletrostaacuteticos Segue-se uma breve

descriccedilatildeo do princiacutepio de funcionamento de cada um destes tipos de transdutores

221 - Transdutor de bobina moacutevel

Tambeacutem conhecido como dinacircmico este eacute o tipo de dispositivo mais usado em

altifalantes e um dos mais populares na produccedilatildeo de microfones Quando um campo

magneacutetico eacute alterado junto de uma bobina eacute induzida uma corrente eleacutetrica nesta O caso

contraacuterio tambeacutem eacute verdade ou seja ao fornecer uma corrente eleacutetrica agrave bobina eacute criado

um campo magneacutetico Eacute baseado neste princiacutepio que este tipo de dispositivo funciona

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c]

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

33 - Plano de trabalho 19

Capiacutetulo 4 20

Conclusatildeo 20

Referecircncias sitiograacuteficas 21

Referecircncias bibliograacuteficas 22

Anexos 23

v

Lista de figuras

Figura 21 - Forma de onda simples 3

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal 4

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a] 4

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4] 5

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das frequecircncias [4] 5

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b] 5

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c] 6

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d] 7

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e] 8

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e] 9

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4] 10

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4] 10

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f] 11

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g] 12

Figura 215 - Interior de altifalante [h] 13

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i] 14

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes 18

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho 19

vii

Abreviaturas e Siacutembolos

Lista de abreviaturas (ordenadas por ordem alfabeacutetica)

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

LTI Linear time-invariant

RMS Root Mean Square

Lista de siacutembolos

ω Frequecircncia angular

τg Atraso de grupo

1

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

11 - Tema e Objetivos

O tema a tratar neste projeto eacute a caracterizaccedilatildeo do comportamento em atraso de grupo

de transdutores eletroacuacutesticos (altifalantes e microfones)

Por norma este tipo de dispositivos eacute caracterizado apenas pela magnitude da sua

resposta em frequecircncia que nos daacute uma representaccedilatildeo do ganhoatenuaccedilatildeo do transdutor

para todo o espetro sonoro No entanto o seu comportamento em termos de fase e da sua

derivada ou seja o atraso de grupo eacute geralmente descurado Este uacuteltimo tem de ser

constante para que um sinal de onda emitidorecebido pelo transdutor natildeo sofra alteraccedilotildees

podendo inclusivamente chegar a ser percetiacutevel para o ouvinte

O objetivo eacute caracterizar a resposta em atraso de grupo de diversos dispositivos

eletroacuacutesticos entre eles alguns de precisatildeo e avaliar o impacto que esta provoca na

perceccedilatildeo auditiva

12 - Motivaccedilatildeo

Sendo praacutetica comum a natildeo inclusatildeo de informaccedilatildeo sobre o comportamento em atraso de

grupo dos dispositivos eletroacuacutesticos este projeto pretende evidenciar ateacute que ponto esta

situaccedilatildeo poderaacute ser prejudicial para um determinado sinal sonoro e para a sua perceccedilatildeo pelo

sistema auditivo humano isto pelo facto dos dispositivos poderem ter comportamentos

completamente distintos em termos de resposta em fase e por sua vez atraso de grupo

mesmo possuindo uma resposta em magnitude semelhante

Alguns estudos jaacute efetuados nomeadamente [1] e [2] demonstram que os efeitos do

atraso de grupo satildeo possiacuteveis de serem detetados pelo ouvido humano

2 Introduccedilatildeo

Esta situaccedilatildeo eacute ainda mais criacutetica quando nos referimos a dispositivos de elevada

precisatildeo onde eacute exigida a melhor qualidade de gravaccedilatildeoreproduccedilatildeo A caraterizaccedilatildeo em

atraso de grupo poderaacute ser assim determinante para a escolha de um dispositivo

relativamente a outros

13 - Estrutura do Relatoacuterio

Este documento encontra-se dividido em quatro capiacutetulos No primeiro capiacutetulo eacute feita

uma breve introduccedilatildeo ao tema do projeto para se perceber o que estaacute em causa e quais as

possiacuteveis conclusotildees que se poderatildeo tirar

Em seguida temos um capiacutetulo onde eacute feita uma anaacutelise das tecnologias existentes

atualmente no mercado na aacuterea do tema a desenvolver No iniacutecio desse capiacutetulo satildeo tambeacutem

explicados alguns conceitos essenciais para que se possa perceber o que estaacute em causa nesta

anaacutelise No terceiro capiacutetulo eacute explicada qual a metodologia que se vai usar no projeto e seraacute

feito um plano de trabalho bem como uma listagem das ferramentas que seratildeo necessaacuterias ao

longo do semestre Por uacuteltimo eacute feita uma conclusatildeo sobre o trabalho ateacute agora

desenvolvido

3

Capiacutetulo 2

Estado da Arte

Neste capiacutetulo iraacute ser explicado o que eacute o atraso de grupo de um sinal e quais as

implicaccedilotildees no seu domiacutenio temporal Aleacutem disso seraacute feito um estudo dos princiacutepios de

funcionamento dos transdutores eletroacuacutesticos e quais as suas carateriacutesticas mais

relevantes

21 - Atraso de Grupo

Para podermos entender o que eacute o atraso de grupo necessitamos antes de perceber o

funcionamento do som e a forma como ele existe na natureza O som pode ser descrito como

a propagaccedilatildeo de vibraccedilotildees num determinado meio seja ele soacutelido liacutequido ou gasoso Este eacute

ultimamente captado pelo sistema auditivo dos seres vivos (caso o possuam) tornando-se

assim num meio de interaccedilatildeo destes com o ambiente que os rodeia

O som sendo ele uma vibraccedilatildeo pode ser assim representado temporalmente numa forma

de onda na qual eacute feita a relaccedilatildeo entre a sua amplitude em funccedilatildeo do tempo

Figura 21 - Forma de onda simples

As carateriacutesticas mais importantes de um sinal satildeo a sua frequecircncia amplitude e fase A

amplitude representa a magnitude de vibraccedilatildeo de uma onda sonora a frequecircncia eacute o nuacutemero

de oscilaccedilotildees efetuadas durante um segundo (inverso do periacuteodo) e a fase eacute a distacircncia entre

4 Estado da Arte

dois pontos de igual valor e derivada estando um deles na onda original e o outro numa onda

de igual frequecircncia e amplitude mas com fase 0ordm

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a]

Um determinado sinal bem como o comportamento de um sistema (como no caso dos

transdutores eletroacuacutesticos) pode ser representado no domiacutenio das frequecircncias ao inveacutes de

este ser feito no domiacutenio temporal Sendo assim o sinal resultante apoacutes este ter passado por

um sistema linear e invariante no tempo (LTI) pode ser descrito pela equaccedilatildeo [3]

Y(jω) = H(jω) X(jω) (21)

onde Y eacute o sinal agrave saiacuteda do sistema X eacute o sinal de entrada e H eacute a resposta em frequecircncia do

sistema Esta uacuteltima provoca alteraccedilotildees ao niacutevel da amplitude e da fase para cada uma das

componentes do sinal de entrada Sendo assim esta equaccedilatildeo pode ser decomposta em

|Y(jω)| = |H(jω)|| X(jω)| (22)

ltY(jω) = ltH(jω) + ltX(jω) (23)

onde a primeira equaccedilatildeo representa a transformaccedilatildeo ao niacutevel da magnitude do sinal e a

segunda ao niacutevel da sua fase

Para que natildeo exista distorccedilotildees no sinal de saiacuteda relativamente ao de entrada eacute

necessaacuterio que a magnitude da resposta em frequecircncia do sistema seja constante para todas

as frequecircncias afetadas no sinal X No caso da fase o valor a ser somado para cada uma das

Estado da Arte 5

componentes da frequecircncias pode levar a que a relaccedilatildeo entre cada uma delas se altere

modificando assim o sinal de saiacuteda

Apesar de estes dois aspetos poderem provocar a distorccedilatildeo de um sinal de aacuteudio apenas

o primeiro eacute por norma considerado

Em seguida podemos ver um exemplo [4] onde o sinal em forma de dente de serra apenas

eacute afetado por distorccedilatildeo ao niacutevel da fase

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4]

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das

frequecircncias [4]

Como se pode comprovar o niacutevel de distorccedilatildeo introduzido eacute bastante elevado sendo por

isso expectaacutevel alteraccedilotildees a niacutevel de sonoridade

Para que natildeo exista distorccedilatildeo proveniente da alteraccedilatildeo da fase do sinal eacute necessaacuterio que

o sistema pelo qual ele passa seja de fase linear isto eacute a sua fase tem de ser uma funccedilatildeo

linear da frequecircncia isto excluindo possiacuteveis saltos de plusmnπ Em seguida estatildeo representados

dois exemplos de sistemas de fase linear

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b]

6 Estado da Arte

O atraso de grupo eacute definido [3] por

(24)

Analisando a foacutermula pode-se ver que o atraso de grupo eacute na realidade o simeacutetrico da

derivada do graacutefico representativo da fase de um sistema Tendo este uacuteltimo de ser linear

conclui-se assim que para que um sistema natildeo provoque distorccedilotildees (ao niacutevel da fase) a um

determinado sinal o atraso de grupo tem de ser constante ao longo das frequecircncias

22 - Transdutores Eletroacuacutesticos

Um transdutor eletroacuacutestico eacute um dispositivo que permite a conversatildeo de energia

eleacutetrica em mecacircnica que por sua vez daacute origem a ondas sonoras O processo contraacuterio

tambeacutem eacute possiacutevel ou seja converter a energia proveniente da pressatildeo sonora em energia

eleacutetrica Dois dispositivos encarregues de efetuar tal operaccedilatildeo satildeo o altifalante e o

microfone respetivamente

Para se conseguir fazer a conversatildeo entre estes dois tipos de energia satildeo usados certos

materiais e propriedades fiacutesicas que permite assim produzir o efeito desejado Ao longo dos

anos foram produzidos transdutores eletromecacircnicos dos mais diversos tipos mas atualmente

os mais usados satildeo os de bobina moacutevel piezoeleacutetricos e eletrostaacuteticos Segue-se uma breve

descriccedilatildeo do princiacutepio de funcionamento de cada um destes tipos de transdutores

221 - Transdutor de bobina moacutevel

Tambeacutem conhecido como dinacircmico este eacute o tipo de dispositivo mais usado em

altifalantes e um dos mais populares na produccedilatildeo de microfones Quando um campo

magneacutetico eacute alterado junto de uma bobina eacute induzida uma corrente eleacutetrica nesta O caso

contraacuterio tambeacutem eacute verdade ou seja ao fornecer uma corrente eleacutetrica agrave bobina eacute criado

um campo magneacutetico Eacute baseado neste princiacutepio que este tipo de dispositivo funciona

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c]

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

v

Lista de figuras

Figura 21 - Forma de onda simples 3

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal 4

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a] 4

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4] 5

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das frequecircncias [4] 5

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b] 5

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c] 6

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d] 7

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e] 8

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e] 9

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4] 10

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4] 10

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f] 11

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g] 12

Figura 215 - Interior de altifalante [h] 13

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i] 14

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes 18

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho 19

vii

Abreviaturas e Siacutembolos

Lista de abreviaturas (ordenadas por ordem alfabeacutetica)

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

LTI Linear time-invariant

RMS Root Mean Square

Lista de siacutembolos

ω Frequecircncia angular

τg Atraso de grupo

1

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

11 - Tema e Objetivos

O tema a tratar neste projeto eacute a caracterizaccedilatildeo do comportamento em atraso de grupo

de transdutores eletroacuacutesticos (altifalantes e microfones)

Por norma este tipo de dispositivos eacute caracterizado apenas pela magnitude da sua

resposta em frequecircncia que nos daacute uma representaccedilatildeo do ganhoatenuaccedilatildeo do transdutor

para todo o espetro sonoro No entanto o seu comportamento em termos de fase e da sua

derivada ou seja o atraso de grupo eacute geralmente descurado Este uacuteltimo tem de ser

constante para que um sinal de onda emitidorecebido pelo transdutor natildeo sofra alteraccedilotildees

podendo inclusivamente chegar a ser percetiacutevel para o ouvinte

O objetivo eacute caracterizar a resposta em atraso de grupo de diversos dispositivos

eletroacuacutesticos entre eles alguns de precisatildeo e avaliar o impacto que esta provoca na

perceccedilatildeo auditiva

12 - Motivaccedilatildeo

Sendo praacutetica comum a natildeo inclusatildeo de informaccedilatildeo sobre o comportamento em atraso de

grupo dos dispositivos eletroacuacutesticos este projeto pretende evidenciar ateacute que ponto esta

situaccedilatildeo poderaacute ser prejudicial para um determinado sinal sonoro e para a sua perceccedilatildeo pelo

sistema auditivo humano isto pelo facto dos dispositivos poderem ter comportamentos

completamente distintos em termos de resposta em fase e por sua vez atraso de grupo

mesmo possuindo uma resposta em magnitude semelhante

Alguns estudos jaacute efetuados nomeadamente [1] e [2] demonstram que os efeitos do

atraso de grupo satildeo possiacuteveis de serem detetados pelo ouvido humano

2 Introduccedilatildeo

Esta situaccedilatildeo eacute ainda mais criacutetica quando nos referimos a dispositivos de elevada

precisatildeo onde eacute exigida a melhor qualidade de gravaccedilatildeoreproduccedilatildeo A caraterizaccedilatildeo em

atraso de grupo poderaacute ser assim determinante para a escolha de um dispositivo

relativamente a outros

13 - Estrutura do Relatoacuterio

Este documento encontra-se dividido em quatro capiacutetulos No primeiro capiacutetulo eacute feita

uma breve introduccedilatildeo ao tema do projeto para se perceber o que estaacute em causa e quais as

possiacuteveis conclusotildees que se poderatildeo tirar

Em seguida temos um capiacutetulo onde eacute feita uma anaacutelise das tecnologias existentes

atualmente no mercado na aacuterea do tema a desenvolver No iniacutecio desse capiacutetulo satildeo tambeacutem

explicados alguns conceitos essenciais para que se possa perceber o que estaacute em causa nesta

anaacutelise No terceiro capiacutetulo eacute explicada qual a metodologia que se vai usar no projeto e seraacute

feito um plano de trabalho bem como uma listagem das ferramentas que seratildeo necessaacuterias ao

longo do semestre Por uacuteltimo eacute feita uma conclusatildeo sobre o trabalho ateacute agora

desenvolvido

3

Capiacutetulo 2

Estado da Arte

Neste capiacutetulo iraacute ser explicado o que eacute o atraso de grupo de um sinal e quais as

implicaccedilotildees no seu domiacutenio temporal Aleacutem disso seraacute feito um estudo dos princiacutepios de

funcionamento dos transdutores eletroacuacutesticos e quais as suas carateriacutesticas mais

relevantes

21 - Atraso de Grupo

Para podermos entender o que eacute o atraso de grupo necessitamos antes de perceber o

funcionamento do som e a forma como ele existe na natureza O som pode ser descrito como

a propagaccedilatildeo de vibraccedilotildees num determinado meio seja ele soacutelido liacutequido ou gasoso Este eacute

ultimamente captado pelo sistema auditivo dos seres vivos (caso o possuam) tornando-se

assim num meio de interaccedilatildeo destes com o ambiente que os rodeia

O som sendo ele uma vibraccedilatildeo pode ser assim representado temporalmente numa forma

de onda na qual eacute feita a relaccedilatildeo entre a sua amplitude em funccedilatildeo do tempo

Figura 21 - Forma de onda simples

As carateriacutesticas mais importantes de um sinal satildeo a sua frequecircncia amplitude e fase A

amplitude representa a magnitude de vibraccedilatildeo de uma onda sonora a frequecircncia eacute o nuacutemero

de oscilaccedilotildees efetuadas durante um segundo (inverso do periacuteodo) e a fase eacute a distacircncia entre

4 Estado da Arte

dois pontos de igual valor e derivada estando um deles na onda original e o outro numa onda

de igual frequecircncia e amplitude mas com fase 0ordm

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a]

Um determinado sinal bem como o comportamento de um sistema (como no caso dos

transdutores eletroacuacutesticos) pode ser representado no domiacutenio das frequecircncias ao inveacutes de

este ser feito no domiacutenio temporal Sendo assim o sinal resultante apoacutes este ter passado por

um sistema linear e invariante no tempo (LTI) pode ser descrito pela equaccedilatildeo [3]

Y(jω) = H(jω) X(jω) (21)

onde Y eacute o sinal agrave saiacuteda do sistema X eacute o sinal de entrada e H eacute a resposta em frequecircncia do

sistema Esta uacuteltima provoca alteraccedilotildees ao niacutevel da amplitude e da fase para cada uma das

componentes do sinal de entrada Sendo assim esta equaccedilatildeo pode ser decomposta em

|Y(jω)| = |H(jω)|| X(jω)| (22)

ltY(jω) = ltH(jω) + ltX(jω) (23)

onde a primeira equaccedilatildeo representa a transformaccedilatildeo ao niacutevel da magnitude do sinal e a

segunda ao niacutevel da sua fase

Para que natildeo exista distorccedilotildees no sinal de saiacuteda relativamente ao de entrada eacute

necessaacuterio que a magnitude da resposta em frequecircncia do sistema seja constante para todas

as frequecircncias afetadas no sinal X No caso da fase o valor a ser somado para cada uma das

Estado da Arte 5

componentes da frequecircncias pode levar a que a relaccedilatildeo entre cada uma delas se altere

modificando assim o sinal de saiacuteda

Apesar de estes dois aspetos poderem provocar a distorccedilatildeo de um sinal de aacuteudio apenas

o primeiro eacute por norma considerado

Em seguida podemos ver um exemplo [4] onde o sinal em forma de dente de serra apenas

eacute afetado por distorccedilatildeo ao niacutevel da fase

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4]

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das

frequecircncias [4]

Como se pode comprovar o niacutevel de distorccedilatildeo introduzido eacute bastante elevado sendo por

isso expectaacutevel alteraccedilotildees a niacutevel de sonoridade

Para que natildeo exista distorccedilatildeo proveniente da alteraccedilatildeo da fase do sinal eacute necessaacuterio que

o sistema pelo qual ele passa seja de fase linear isto eacute a sua fase tem de ser uma funccedilatildeo

linear da frequecircncia isto excluindo possiacuteveis saltos de plusmnπ Em seguida estatildeo representados

dois exemplos de sistemas de fase linear

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b]

6 Estado da Arte

O atraso de grupo eacute definido [3] por

(24)

Analisando a foacutermula pode-se ver que o atraso de grupo eacute na realidade o simeacutetrico da

derivada do graacutefico representativo da fase de um sistema Tendo este uacuteltimo de ser linear

conclui-se assim que para que um sistema natildeo provoque distorccedilotildees (ao niacutevel da fase) a um

determinado sinal o atraso de grupo tem de ser constante ao longo das frequecircncias

22 - Transdutores Eletroacuacutesticos

Um transdutor eletroacuacutestico eacute um dispositivo que permite a conversatildeo de energia

eleacutetrica em mecacircnica que por sua vez daacute origem a ondas sonoras O processo contraacuterio

tambeacutem eacute possiacutevel ou seja converter a energia proveniente da pressatildeo sonora em energia

eleacutetrica Dois dispositivos encarregues de efetuar tal operaccedilatildeo satildeo o altifalante e o

microfone respetivamente

Para se conseguir fazer a conversatildeo entre estes dois tipos de energia satildeo usados certos

materiais e propriedades fiacutesicas que permite assim produzir o efeito desejado Ao longo dos

anos foram produzidos transdutores eletromecacircnicos dos mais diversos tipos mas atualmente

os mais usados satildeo os de bobina moacutevel piezoeleacutetricos e eletrostaacuteticos Segue-se uma breve

descriccedilatildeo do princiacutepio de funcionamento de cada um destes tipos de transdutores

221 - Transdutor de bobina moacutevel

Tambeacutem conhecido como dinacircmico este eacute o tipo de dispositivo mais usado em

altifalantes e um dos mais populares na produccedilatildeo de microfones Quando um campo

magneacutetico eacute alterado junto de uma bobina eacute induzida uma corrente eleacutetrica nesta O caso

contraacuterio tambeacutem eacute verdade ou seja ao fornecer uma corrente eleacutetrica agrave bobina eacute criado

um campo magneacutetico Eacute baseado neste princiacutepio que este tipo de dispositivo funciona

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c]

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

vii

Abreviaturas e Siacutembolos

Lista de abreviaturas (ordenadas por ordem alfabeacutetica)

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

LTI Linear time-invariant

RMS Root Mean Square

Lista de siacutembolos

ω Frequecircncia angular

τg Atraso de grupo

1

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

11 - Tema e Objetivos

O tema a tratar neste projeto eacute a caracterizaccedilatildeo do comportamento em atraso de grupo

de transdutores eletroacuacutesticos (altifalantes e microfones)

Por norma este tipo de dispositivos eacute caracterizado apenas pela magnitude da sua

resposta em frequecircncia que nos daacute uma representaccedilatildeo do ganhoatenuaccedilatildeo do transdutor

para todo o espetro sonoro No entanto o seu comportamento em termos de fase e da sua

derivada ou seja o atraso de grupo eacute geralmente descurado Este uacuteltimo tem de ser

constante para que um sinal de onda emitidorecebido pelo transdutor natildeo sofra alteraccedilotildees

podendo inclusivamente chegar a ser percetiacutevel para o ouvinte

O objetivo eacute caracterizar a resposta em atraso de grupo de diversos dispositivos

eletroacuacutesticos entre eles alguns de precisatildeo e avaliar o impacto que esta provoca na

perceccedilatildeo auditiva

12 - Motivaccedilatildeo

Sendo praacutetica comum a natildeo inclusatildeo de informaccedilatildeo sobre o comportamento em atraso de

grupo dos dispositivos eletroacuacutesticos este projeto pretende evidenciar ateacute que ponto esta

situaccedilatildeo poderaacute ser prejudicial para um determinado sinal sonoro e para a sua perceccedilatildeo pelo

sistema auditivo humano isto pelo facto dos dispositivos poderem ter comportamentos

completamente distintos em termos de resposta em fase e por sua vez atraso de grupo

mesmo possuindo uma resposta em magnitude semelhante

Alguns estudos jaacute efetuados nomeadamente [1] e [2] demonstram que os efeitos do

atraso de grupo satildeo possiacuteveis de serem detetados pelo ouvido humano

2 Introduccedilatildeo

Esta situaccedilatildeo eacute ainda mais criacutetica quando nos referimos a dispositivos de elevada

precisatildeo onde eacute exigida a melhor qualidade de gravaccedilatildeoreproduccedilatildeo A caraterizaccedilatildeo em

atraso de grupo poderaacute ser assim determinante para a escolha de um dispositivo

relativamente a outros

13 - Estrutura do Relatoacuterio

Este documento encontra-se dividido em quatro capiacutetulos No primeiro capiacutetulo eacute feita

uma breve introduccedilatildeo ao tema do projeto para se perceber o que estaacute em causa e quais as

possiacuteveis conclusotildees que se poderatildeo tirar

Em seguida temos um capiacutetulo onde eacute feita uma anaacutelise das tecnologias existentes

atualmente no mercado na aacuterea do tema a desenvolver No iniacutecio desse capiacutetulo satildeo tambeacutem

explicados alguns conceitos essenciais para que se possa perceber o que estaacute em causa nesta

anaacutelise No terceiro capiacutetulo eacute explicada qual a metodologia que se vai usar no projeto e seraacute

feito um plano de trabalho bem como uma listagem das ferramentas que seratildeo necessaacuterias ao

longo do semestre Por uacuteltimo eacute feita uma conclusatildeo sobre o trabalho ateacute agora

desenvolvido

3

Capiacutetulo 2

Estado da Arte

Neste capiacutetulo iraacute ser explicado o que eacute o atraso de grupo de um sinal e quais as

implicaccedilotildees no seu domiacutenio temporal Aleacutem disso seraacute feito um estudo dos princiacutepios de

funcionamento dos transdutores eletroacuacutesticos e quais as suas carateriacutesticas mais

relevantes

21 - Atraso de Grupo

Para podermos entender o que eacute o atraso de grupo necessitamos antes de perceber o

funcionamento do som e a forma como ele existe na natureza O som pode ser descrito como

a propagaccedilatildeo de vibraccedilotildees num determinado meio seja ele soacutelido liacutequido ou gasoso Este eacute

ultimamente captado pelo sistema auditivo dos seres vivos (caso o possuam) tornando-se

assim num meio de interaccedilatildeo destes com o ambiente que os rodeia

O som sendo ele uma vibraccedilatildeo pode ser assim representado temporalmente numa forma

de onda na qual eacute feita a relaccedilatildeo entre a sua amplitude em funccedilatildeo do tempo

Figura 21 - Forma de onda simples

As carateriacutesticas mais importantes de um sinal satildeo a sua frequecircncia amplitude e fase A

amplitude representa a magnitude de vibraccedilatildeo de uma onda sonora a frequecircncia eacute o nuacutemero

de oscilaccedilotildees efetuadas durante um segundo (inverso do periacuteodo) e a fase eacute a distacircncia entre

4 Estado da Arte

dois pontos de igual valor e derivada estando um deles na onda original e o outro numa onda

de igual frequecircncia e amplitude mas com fase 0ordm

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a]

Um determinado sinal bem como o comportamento de um sistema (como no caso dos

transdutores eletroacuacutesticos) pode ser representado no domiacutenio das frequecircncias ao inveacutes de

este ser feito no domiacutenio temporal Sendo assim o sinal resultante apoacutes este ter passado por

um sistema linear e invariante no tempo (LTI) pode ser descrito pela equaccedilatildeo [3]

Y(jω) = H(jω) X(jω) (21)

onde Y eacute o sinal agrave saiacuteda do sistema X eacute o sinal de entrada e H eacute a resposta em frequecircncia do

sistema Esta uacuteltima provoca alteraccedilotildees ao niacutevel da amplitude e da fase para cada uma das

componentes do sinal de entrada Sendo assim esta equaccedilatildeo pode ser decomposta em

|Y(jω)| = |H(jω)|| X(jω)| (22)

ltY(jω) = ltH(jω) + ltX(jω) (23)

onde a primeira equaccedilatildeo representa a transformaccedilatildeo ao niacutevel da magnitude do sinal e a

segunda ao niacutevel da sua fase

Para que natildeo exista distorccedilotildees no sinal de saiacuteda relativamente ao de entrada eacute

necessaacuterio que a magnitude da resposta em frequecircncia do sistema seja constante para todas

as frequecircncias afetadas no sinal X No caso da fase o valor a ser somado para cada uma das

Estado da Arte 5

componentes da frequecircncias pode levar a que a relaccedilatildeo entre cada uma delas se altere

modificando assim o sinal de saiacuteda

Apesar de estes dois aspetos poderem provocar a distorccedilatildeo de um sinal de aacuteudio apenas

o primeiro eacute por norma considerado

Em seguida podemos ver um exemplo [4] onde o sinal em forma de dente de serra apenas

eacute afetado por distorccedilatildeo ao niacutevel da fase

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4]

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das

frequecircncias [4]

Como se pode comprovar o niacutevel de distorccedilatildeo introduzido eacute bastante elevado sendo por

isso expectaacutevel alteraccedilotildees a niacutevel de sonoridade

Para que natildeo exista distorccedilatildeo proveniente da alteraccedilatildeo da fase do sinal eacute necessaacuterio que

o sistema pelo qual ele passa seja de fase linear isto eacute a sua fase tem de ser uma funccedilatildeo

linear da frequecircncia isto excluindo possiacuteveis saltos de plusmnπ Em seguida estatildeo representados

dois exemplos de sistemas de fase linear

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b]

6 Estado da Arte

O atraso de grupo eacute definido [3] por

(24)

Analisando a foacutermula pode-se ver que o atraso de grupo eacute na realidade o simeacutetrico da

derivada do graacutefico representativo da fase de um sistema Tendo este uacuteltimo de ser linear

conclui-se assim que para que um sistema natildeo provoque distorccedilotildees (ao niacutevel da fase) a um

determinado sinal o atraso de grupo tem de ser constante ao longo das frequecircncias

22 - Transdutores Eletroacuacutesticos

Um transdutor eletroacuacutestico eacute um dispositivo que permite a conversatildeo de energia

eleacutetrica em mecacircnica que por sua vez daacute origem a ondas sonoras O processo contraacuterio

tambeacutem eacute possiacutevel ou seja converter a energia proveniente da pressatildeo sonora em energia

eleacutetrica Dois dispositivos encarregues de efetuar tal operaccedilatildeo satildeo o altifalante e o

microfone respetivamente

Para se conseguir fazer a conversatildeo entre estes dois tipos de energia satildeo usados certos

materiais e propriedades fiacutesicas que permite assim produzir o efeito desejado Ao longo dos

anos foram produzidos transdutores eletromecacircnicos dos mais diversos tipos mas atualmente

os mais usados satildeo os de bobina moacutevel piezoeleacutetricos e eletrostaacuteticos Segue-se uma breve

descriccedilatildeo do princiacutepio de funcionamento de cada um destes tipos de transdutores

221 - Transdutor de bobina moacutevel

Tambeacutem conhecido como dinacircmico este eacute o tipo de dispositivo mais usado em

altifalantes e um dos mais populares na produccedilatildeo de microfones Quando um campo

magneacutetico eacute alterado junto de uma bobina eacute induzida uma corrente eleacutetrica nesta O caso

contraacuterio tambeacutem eacute verdade ou seja ao fornecer uma corrente eleacutetrica agrave bobina eacute criado

um campo magneacutetico Eacute baseado neste princiacutepio que este tipo de dispositivo funciona

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c]

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

1

Capiacutetulo 1

Introduccedilatildeo

11 - Tema e Objetivos

O tema a tratar neste projeto eacute a caracterizaccedilatildeo do comportamento em atraso de grupo

de transdutores eletroacuacutesticos (altifalantes e microfones)

Por norma este tipo de dispositivos eacute caracterizado apenas pela magnitude da sua

resposta em frequecircncia que nos daacute uma representaccedilatildeo do ganhoatenuaccedilatildeo do transdutor

para todo o espetro sonoro No entanto o seu comportamento em termos de fase e da sua

derivada ou seja o atraso de grupo eacute geralmente descurado Este uacuteltimo tem de ser

constante para que um sinal de onda emitidorecebido pelo transdutor natildeo sofra alteraccedilotildees

podendo inclusivamente chegar a ser percetiacutevel para o ouvinte

O objetivo eacute caracterizar a resposta em atraso de grupo de diversos dispositivos

eletroacuacutesticos entre eles alguns de precisatildeo e avaliar o impacto que esta provoca na

perceccedilatildeo auditiva

12 - Motivaccedilatildeo

Sendo praacutetica comum a natildeo inclusatildeo de informaccedilatildeo sobre o comportamento em atraso de

grupo dos dispositivos eletroacuacutesticos este projeto pretende evidenciar ateacute que ponto esta

situaccedilatildeo poderaacute ser prejudicial para um determinado sinal sonoro e para a sua perceccedilatildeo pelo

sistema auditivo humano isto pelo facto dos dispositivos poderem ter comportamentos

completamente distintos em termos de resposta em fase e por sua vez atraso de grupo

mesmo possuindo uma resposta em magnitude semelhante

Alguns estudos jaacute efetuados nomeadamente [1] e [2] demonstram que os efeitos do

atraso de grupo satildeo possiacuteveis de serem detetados pelo ouvido humano

2 Introduccedilatildeo

Esta situaccedilatildeo eacute ainda mais criacutetica quando nos referimos a dispositivos de elevada

precisatildeo onde eacute exigida a melhor qualidade de gravaccedilatildeoreproduccedilatildeo A caraterizaccedilatildeo em

atraso de grupo poderaacute ser assim determinante para a escolha de um dispositivo

relativamente a outros

13 - Estrutura do Relatoacuterio

Este documento encontra-se dividido em quatro capiacutetulos No primeiro capiacutetulo eacute feita

uma breve introduccedilatildeo ao tema do projeto para se perceber o que estaacute em causa e quais as

possiacuteveis conclusotildees que se poderatildeo tirar

Em seguida temos um capiacutetulo onde eacute feita uma anaacutelise das tecnologias existentes

atualmente no mercado na aacuterea do tema a desenvolver No iniacutecio desse capiacutetulo satildeo tambeacutem

explicados alguns conceitos essenciais para que se possa perceber o que estaacute em causa nesta

anaacutelise No terceiro capiacutetulo eacute explicada qual a metodologia que se vai usar no projeto e seraacute

feito um plano de trabalho bem como uma listagem das ferramentas que seratildeo necessaacuterias ao

longo do semestre Por uacuteltimo eacute feita uma conclusatildeo sobre o trabalho ateacute agora

desenvolvido

3

Capiacutetulo 2

Estado da Arte

Neste capiacutetulo iraacute ser explicado o que eacute o atraso de grupo de um sinal e quais as

implicaccedilotildees no seu domiacutenio temporal Aleacutem disso seraacute feito um estudo dos princiacutepios de

funcionamento dos transdutores eletroacuacutesticos e quais as suas carateriacutesticas mais

relevantes

21 - Atraso de Grupo

Para podermos entender o que eacute o atraso de grupo necessitamos antes de perceber o

funcionamento do som e a forma como ele existe na natureza O som pode ser descrito como

a propagaccedilatildeo de vibraccedilotildees num determinado meio seja ele soacutelido liacutequido ou gasoso Este eacute

ultimamente captado pelo sistema auditivo dos seres vivos (caso o possuam) tornando-se

assim num meio de interaccedilatildeo destes com o ambiente que os rodeia

O som sendo ele uma vibraccedilatildeo pode ser assim representado temporalmente numa forma

de onda na qual eacute feita a relaccedilatildeo entre a sua amplitude em funccedilatildeo do tempo

Figura 21 - Forma de onda simples

As carateriacutesticas mais importantes de um sinal satildeo a sua frequecircncia amplitude e fase A

amplitude representa a magnitude de vibraccedilatildeo de uma onda sonora a frequecircncia eacute o nuacutemero

de oscilaccedilotildees efetuadas durante um segundo (inverso do periacuteodo) e a fase eacute a distacircncia entre

4 Estado da Arte

dois pontos de igual valor e derivada estando um deles na onda original e o outro numa onda

de igual frequecircncia e amplitude mas com fase 0ordm

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a]

Um determinado sinal bem como o comportamento de um sistema (como no caso dos

transdutores eletroacuacutesticos) pode ser representado no domiacutenio das frequecircncias ao inveacutes de

este ser feito no domiacutenio temporal Sendo assim o sinal resultante apoacutes este ter passado por

um sistema linear e invariante no tempo (LTI) pode ser descrito pela equaccedilatildeo [3]

Y(jω) = H(jω) X(jω) (21)

onde Y eacute o sinal agrave saiacuteda do sistema X eacute o sinal de entrada e H eacute a resposta em frequecircncia do

sistema Esta uacuteltima provoca alteraccedilotildees ao niacutevel da amplitude e da fase para cada uma das

componentes do sinal de entrada Sendo assim esta equaccedilatildeo pode ser decomposta em

|Y(jω)| = |H(jω)|| X(jω)| (22)

ltY(jω) = ltH(jω) + ltX(jω) (23)

onde a primeira equaccedilatildeo representa a transformaccedilatildeo ao niacutevel da magnitude do sinal e a

segunda ao niacutevel da sua fase

Para que natildeo exista distorccedilotildees no sinal de saiacuteda relativamente ao de entrada eacute

necessaacuterio que a magnitude da resposta em frequecircncia do sistema seja constante para todas

as frequecircncias afetadas no sinal X No caso da fase o valor a ser somado para cada uma das

Estado da Arte 5

componentes da frequecircncias pode levar a que a relaccedilatildeo entre cada uma delas se altere

modificando assim o sinal de saiacuteda

Apesar de estes dois aspetos poderem provocar a distorccedilatildeo de um sinal de aacuteudio apenas

o primeiro eacute por norma considerado

Em seguida podemos ver um exemplo [4] onde o sinal em forma de dente de serra apenas

eacute afetado por distorccedilatildeo ao niacutevel da fase

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4]

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das

frequecircncias [4]

Como se pode comprovar o niacutevel de distorccedilatildeo introduzido eacute bastante elevado sendo por

isso expectaacutevel alteraccedilotildees a niacutevel de sonoridade

Para que natildeo exista distorccedilatildeo proveniente da alteraccedilatildeo da fase do sinal eacute necessaacuterio que

o sistema pelo qual ele passa seja de fase linear isto eacute a sua fase tem de ser uma funccedilatildeo

linear da frequecircncia isto excluindo possiacuteveis saltos de plusmnπ Em seguida estatildeo representados

dois exemplos de sistemas de fase linear

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b]

6 Estado da Arte

O atraso de grupo eacute definido [3] por

(24)

Analisando a foacutermula pode-se ver que o atraso de grupo eacute na realidade o simeacutetrico da

derivada do graacutefico representativo da fase de um sistema Tendo este uacuteltimo de ser linear

conclui-se assim que para que um sistema natildeo provoque distorccedilotildees (ao niacutevel da fase) a um

determinado sinal o atraso de grupo tem de ser constante ao longo das frequecircncias

22 - Transdutores Eletroacuacutesticos

Um transdutor eletroacuacutestico eacute um dispositivo que permite a conversatildeo de energia

eleacutetrica em mecacircnica que por sua vez daacute origem a ondas sonoras O processo contraacuterio

tambeacutem eacute possiacutevel ou seja converter a energia proveniente da pressatildeo sonora em energia

eleacutetrica Dois dispositivos encarregues de efetuar tal operaccedilatildeo satildeo o altifalante e o

microfone respetivamente

Para se conseguir fazer a conversatildeo entre estes dois tipos de energia satildeo usados certos

materiais e propriedades fiacutesicas que permite assim produzir o efeito desejado Ao longo dos

anos foram produzidos transdutores eletromecacircnicos dos mais diversos tipos mas atualmente

os mais usados satildeo os de bobina moacutevel piezoeleacutetricos e eletrostaacuteticos Segue-se uma breve

descriccedilatildeo do princiacutepio de funcionamento de cada um destes tipos de transdutores

221 - Transdutor de bobina moacutevel

Tambeacutem conhecido como dinacircmico este eacute o tipo de dispositivo mais usado em

altifalantes e um dos mais populares na produccedilatildeo de microfones Quando um campo

magneacutetico eacute alterado junto de uma bobina eacute induzida uma corrente eleacutetrica nesta O caso

contraacuterio tambeacutem eacute verdade ou seja ao fornecer uma corrente eleacutetrica agrave bobina eacute criado

um campo magneacutetico Eacute baseado neste princiacutepio que este tipo de dispositivo funciona

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c]

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

2 Introduccedilatildeo

Esta situaccedilatildeo eacute ainda mais criacutetica quando nos referimos a dispositivos de elevada

precisatildeo onde eacute exigida a melhor qualidade de gravaccedilatildeoreproduccedilatildeo A caraterizaccedilatildeo em

atraso de grupo poderaacute ser assim determinante para a escolha de um dispositivo

relativamente a outros

13 - Estrutura do Relatoacuterio

Este documento encontra-se dividido em quatro capiacutetulos No primeiro capiacutetulo eacute feita

uma breve introduccedilatildeo ao tema do projeto para se perceber o que estaacute em causa e quais as

possiacuteveis conclusotildees que se poderatildeo tirar

Em seguida temos um capiacutetulo onde eacute feita uma anaacutelise das tecnologias existentes

atualmente no mercado na aacuterea do tema a desenvolver No iniacutecio desse capiacutetulo satildeo tambeacutem

explicados alguns conceitos essenciais para que se possa perceber o que estaacute em causa nesta

anaacutelise No terceiro capiacutetulo eacute explicada qual a metodologia que se vai usar no projeto e seraacute

feito um plano de trabalho bem como uma listagem das ferramentas que seratildeo necessaacuterias ao

longo do semestre Por uacuteltimo eacute feita uma conclusatildeo sobre o trabalho ateacute agora

desenvolvido

3

Capiacutetulo 2

Estado da Arte

Neste capiacutetulo iraacute ser explicado o que eacute o atraso de grupo de um sinal e quais as

implicaccedilotildees no seu domiacutenio temporal Aleacutem disso seraacute feito um estudo dos princiacutepios de

funcionamento dos transdutores eletroacuacutesticos e quais as suas carateriacutesticas mais

relevantes

21 - Atraso de Grupo

Para podermos entender o que eacute o atraso de grupo necessitamos antes de perceber o

funcionamento do som e a forma como ele existe na natureza O som pode ser descrito como

a propagaccedilatildeo de vibraccedilotildees num determinado meio seja ele soacutelido liacutequido ou gasoso Este eacute

ultimamente captado pelo sistema auditivo dos seres vivos (caso o possuam) tornando-se

assim num meio de interaccedilatildeo destes com o ambiente que os rodeia

O som sendo ele uma vibraccedilatildeo pode ser assim representado temporalmente numa forma

de onda na qual eacute feita a relaccedilatildeo entre a sua amplitude em funccedilatildeo do tempo

Figura 21 - Forma de onda simples

As carateriacutesticas mais importantes de um sinal satildeo a sua frequecircncia amplitude e fase A

amplitude representa a magnitude de vibraccedilatildeo de uma onda sonora a frequecircncia eacute o nuacutemero

de oscilaccedilotildees efetuadas durante um segundo (inverso do periacuteodo) e a fase eacute a distacircncia entre

4 Estado da Arte

dois pontos de igual valor e derivada estando um deles na onda original e o outro numa onda

de igual frequecircncia e amplitude mas com fase 0ordm

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a]

Um determinado sinal bem como o comportamento de um sistema (como no caso dos

transdutores eletroacuacutesticos) pode ser representado no domiacutenio das frequecircncias ao inveacutes de

este ser feito no domiacutenio temporal Sendo assim o sinal resultante apoacutes este ter passado por

um sistema linear e invariante no tempo (LTI) pode ser descrito pela equaccedilatildeo [3]

Y(jω) = H(jω) X(jω) (21)

onde Y eacute o sinal agrave saiacuteda do sistema X eacute o sinal de entrada e H eacute a resposta em frequecircncia do

sistema Esta uacuteltima provoca alteraccedilotildees ao niacutevel da amplitude e da fase para cada uma das

componentes do sinal de entrada Sendo assim esta equaccedilatildeo pode ser decomposta em

|Y(jω)| = |H(jω)|| X(jω)| (22)

ltY(jω) = ltH(jω) + ltX(jω) (23)

onde a primeira equaccedilatildeo representa a transformaccedilatildeo ao niacutevel da magnitude do sinal e a

segunda ao niacutevel da sua fase

Para que natildeo exista distorccedilotildees no sinal de saiacuteda relativamente ao de entrada eacute

necessaacuterio que a magnitude da resposta em frequecircncia do sistema seja constante para todas

as frequecircncias afetadas no sinal X No caso da fase o valor a ser somado para cada uma das

Estado da Arte 5

componentes da frequecircncias pode levar a que a relaccedilatildeo entre cada uma delas se altere

modificando assim o sinal de saiacuteda

Apesar de estes dois aspetos poderem provocar a distorccedilatildeo de um sinal de aacuteudio apenas

o primeiro eacute por norma considerado

Em seguida podemos ver um exemplo [4] onde o sinal em forma de dente de serra apenas

eacute afetado por distorccedilatildeo ao niacutevel da fase

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4]

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das

frequecircncias [4]

Como se pode comprovar o niacutevel de distorccedilatildeo introduzido eacute bastante elevado sendo por

isso expectaacutevel alteraccedilotildees a niacutevel de sonoridade

Para que natildeo exista distorccedilatildeo proveniente da alteraccedilatildeo da fase do sinal eacute necessaacuterio que

o sistema pelo qual ele passa seja de fase linear isto eacute a sua fase tem de ser uma funccedilatildeo

linear da frequecircncia isto excluindo possiacuteveis saltos de plusmnπ Em seguida estatildeo representados

dois exemplos de sistemas de fase linear

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b]

6 Estado da Arte

O atraso de grupo eacute definido [3] por

(24)

Analisando a foacutermula pode-se ver que o atraso de grupo eacute na realidade o simeacutetrico da

derivada do graacutefico representativo da fase de um sistema Tendo este uacuteltimo de ser linear

conclui-se assim que para que um sistema natildeo provoque distorccedilotildees (ao niacutevel da fase) a um

determinado sinal o atraso de grupo tem de ser constante ao longo das frequecircncias

22 - Transdutores Eletroacuacutesticos

Um transdutor eletroacuacutestico eacute um dispositivo que permite a conversatildeo de energia

eleacutetrica em mecacircnica que por sua vez daacute origem a ondas sonoras O processo contraacuterio

tambeacutem eacute possiacutevel ou seja converter a energia proveniente da pressatildeo sonora em energia

eleacutetrica Dois dispositivos encarregues de efetuar tal operaccedilatildeo satildeo o altifalante e o

microfone respetivamente

Para se conseguir fazer a conversatildeo entre estes dois tipos de energia satildeo usados certos

materiais e propriedades fiacutesicas que permite assim produzir o efeito desejado Ao longo dos

anos foram produzidos transdutores eletromecacircnicos dos mais diversos tipos mas atualmente

os mais usados satildeo os de bobina moacutevel piezoeleacutetricos e eletrostaacuteticos Segue-se uma breve

descriccedilatildeo do princiacutepio de funcionamento de cada um destes tipos de transdutores

221 - Transdutor de bobina moacutevel

Tambeacutem conhecido como dinacircmico este eacute o tipo de dispositivo mais usado em

altifalantes e um dos mais populares na produccedilatildeo de microfones Quando um campo

magneacutetico eacute alterado junto de uma bobina eacute induzida uma corrente eleacutetrica nesta O caso

contraacuterio tambeacutem eacute verdade ou seja ao fornecer uma corrente eleacutetrica agrave bobina eacute criado

um campo magneacutetico Eacute baseado neste princiacutepio que este tipo de dispositivo funciona

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c]

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

3

Capiacutetulo 2

Estado da Arte

Neste capiacutetulo iraacute ser explicado o que eacute o atraso de grupo de um sinal e quais as

implicaccedilotildees no seu domiacutenio temporal Aleacutem disso seraacute feito um estudo dos princiacutepios de

funcionamento dos transdutores eletroacuacutesticos e quais as suas carateriacutesticas mais

relevantes

21 - Atraso de Grupo

Para podermos entender o que eacute o atraso de grupo necessitamos antes de perceber o

funcionamento do som e a forma como ele existe na natureza O som pode ser descrito como

a propagaccedilatildeo de vibraccedilotildees num determinado meio seja ele soacutelido liacutequido ou gasoso Este eacute

ultimamente captado pelo sistema auditivo dos seres vivos (caso o possuam) tornando-se

assim num meio de interaccedilatildeo destes com o ambiente que os rodeia

O som sendo ele uma vibraccedilatildeo pode ser assim representado temporalmente numa forma

de onda na qual eacute feita a relaccedilatildeo entre a sua amplitude em funccedilatildeo do tempo

Figura 21 - Forma de onda simples

As carateriacutesticas mais importantes de um sinal satildeo a sua frequecircncia amplitude e fase A

amplitude representa a magnitude de vibraccedilatildeo de uma onda sonora a frequecircncia eacute o nuacutemero

de oscilaccedilotildees efetuadas durante um segundo (inverso do periacuteodo) e a fase eacute a distacircncia entre

4 Estado da Arte

dois pontos de igual valor e derivada estando um deles na onda original e o outro numa onda

de igual frequecircncia e amplitude mas com fase 0ordm

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a]

Um determinado sinal bem como o comportamento de um sistema (como no caso dos

transdutores eletroacuacutesticos) pode ser representado no domiacutenio das frequecircncias ao inveacutes de

este ser feito no domiacutenio temporal Sendo assim o sinal resultante apoacutes este ter passado por

um sistema linear e invariante no tempo (LTI) pode ser descrito pela equaccedilatildeo [3]

Y(jω) = H(jω) X(jω) (21)

onde Y eacute o sinal agrave saiacuteda do sistema X eacute o sinal de entrada e H eacute a resposta em frequecircncia do

sistema Esta uacuteltima provoca alteraccedilotildees ao niacutevel da amplitude e da fase para cada uma das

componentes do sinal de entrada Sendo assim esta equaccedilatildeo pode ser decomposta em

|Y(jω)| = |H(jω)|| X(jω)| (22)

ltY(jω) = ltH(jω) + ltX(jω) (23)

onde a primeira equaccedilatildeo representa a transformaccedilatildeo ao niacutevel da magnitude do sinal e a

segunda ao niacutevel da sua fase

Para que natildeo exista distorccedilotildees no sinal de saiacuteda relativamente ao de entrada eacute

necessaacuterio que a magnitude da resposta em frequecircncia do sistema seja constante para todas

as frequecircncias afetadas no sinal X No caso da fase o valor a ser somado para cada uma das

Estado da Arte 5

componentes da frequecircncias pode levar a que a relaccedilatildeo entre cada uma delas se altere

modificando assim o sinal de saiacuteda

Apesar de estes dois aspetos poderem provocar a distorccedilatildeo de um sinal de aacuteudio apenas

o primeiro eacute por norma considerado

Em seguida podemos ver um exemplo [4] onde o sinal em forma de dente de serra apenas

eacute afetado por distorccedilatildeo ao niacutevel da fase

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4]

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das

frequecircncias [4]

Como se pode comprovar o niacutevel de distorccedilatildeo introduzido eacute bastante elevado sendo por

isso expectaacutevel alteraccedilotildees a niacutevel de sonoridade

Para que natildeo exista distorccedilatildeo proveniente da alteraccedilatildeo da fase do sinal eacute necessaacuterio que

o sistema pelo qual ele passa seja de fase linear isto eacute a sua fase tem de ser uma funccedilatildeo

linear da frequecircncia isto excluindo possiacuteveis saltos de plusmnπ Em seguida estatildeo representados

dois exemplos de sistemas de fase linear

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b]

6 Estado da Arte

O atraso de grupo eacute definido [3] por

(24)

Analisando a foacutermula pode-se ver que o atraso de grupo eacute na realidade o simeacutetrico da

derivada do graacutefico representativo da fase de um sistema Tendo este uacuteltimo de ser linear

conclui-se assim que para que um sistema natildeo provoque distorccedilotildees (ao niacutevel da fase) a um

determinado sinal o atraso de grupo tem de ser constante ao longo das frequecircncias

22 - Transdutores Eletroacuacutesticos

Um transdutor eletroacuacutestico eacute um dispositivo que permite a conversatildeo de energia

eleacutetrica em mecacircnica que por sua vez daacute origem a ondas sonoras O processo contraacuterio

tambeacutem eacute possiacutevel ou seja converter a energia proveniente da pressatildeo sonora em energia

eleacutetrica Dois dispositivos encarregues de efetuar tal operaccedilatildeo satildeo o altifalante e o

microfone respetivamente

Para se conseguir fazer a conversatildeo entre estes dois tipos de energia satildeo usados certos

materiais e propriedades fiacutesicas que permite assim produzir o efeito desejado Ao longo dos

anos foram produzidos transdutores eletromecacircnicos dos mais diversos tipos mas atualmente

os mais usados satildeo os de bobina moacutevel piezoeleacutetricos e eletrostaacuteticos Segue-se uma breve

descriccedilatildeo do princiacutepio de funcionamento de cada um destes tipos de transdutores

221 - Transdutor de bobina moacutevel

Tambeacutem conhecido como dinacircmico este eacute o tipo de dispositivo mais usado em

altifalantes e um dos mais populares na produccedilatildeo de microfones Quando um campo

magneacutetico eacute alterado junto de uma bobina eacute induzida uma corrente eleacutetrica nesta O caso

contraacuterio tambeacutem eacute verdade ou seja ao fornecer uma corrente eleacutetrica agrave bobina eacute criado

um campo magneacutetico Eacute baseado neste princiacutepio que este tipo de dispositivo funciona

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c]

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

4 Estado da Arte

dois pontos de igual valor e derivada estando um deles na onda original e o outro numa onda

de igual frequecircncia e amplitude mas com fase 0ordm

Figura 22 - Representaccedilatildeo da amplitude e periacuteodo de um sinal

Figura 23 - Desfasamento entre duas ondas de igual frequecircncia e amplitude [a]

Um determinado sinal bem como o comportamento de um sistema (como no caso dos

transdutores eletroacuacutesticos) pode ser representado no domiacutenio das frequecircncias ao inveacutes de

este ser feito no domiacutenio temporal Sendo assim o sinal resultante apoacutes este ter passado por

um sistema linear e invariante no tempo (LTI) pode ser descrito pela equaccedilatildeo [3]

Y(jω) = H(jω) X(jω) (21)

onde Y eacute o sinal agrave saiacuteda do sistema X eacute o sinal de entrada e H eacute a resposta em frequecircncia do

sistema Esta uacuteltima provoca alteraccedilotildees ao niacutevel da amplitude e da fase para cada uma das

componentes do sinal de entrada Sendo assim esta equaccedilatildeo pode ser decomposta em

|Y(jω)| = |H(jω)|| X(jω)| (22)

ltY(jω) = ltH(jω) + ltX(jω) (23)

onde a primeira equaccedilatildeo representa a transformaccedilatildeo ao niacutevel da magnitude do sinal e a

segunda ao niacutevel da sua fase

Para que natildeo exista distorccedilotildees no sinal de saiacuteda relativamente ao de entrada eacute

necessaacuterio que a magnitude da resposta em frequecircncia do sistema seja constante para todas

as frequecircncias afetadas no sinal X No caso da fase o valor a ser somado para cada uma das

Estado da Arte 5

componentes da frequecircncias pode levar a que a relaccedilatildeo entre cada uma delas se altere

modificando assim o sinal de saiacuteda

Apesar de estes dois aspetos poderem provocar a distorccedilatildeo de um sinal de aacuteudio apenas

o primeiro eacute por norma considerado

Em seguida podemos ver um exemplo [4] onde o sinal em forma de dente de serra apenas

eacute afetado por distorccedilatildeo ao niacutevel da fase

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4]

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das

frequecircncias [4]

Como se pode comprovar o niacutevel de distorccedilatildeo introduzido eacute bastante elevado sendo por

isso expectaacutevel alteraccedilotildees a niacutevel de sonoridade

Para que natildeo exista distorccedilatildeo proveniente da alteraccedilatildeo da fase do sinal eacute necessaacuterio que

o sistema pelo qual ele passa seja de fase linear isto eacute a sua fase tem de ser uma funccedilatildeo

linear da frequecircncia isto excluindo possiacuteveis saltos de plusmnπ Em seguida estatildeo representados

dois exemplos de sistemas de fase linear

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b]

6 Estado da Arte

O atraso de grupo eacute definido [3] por

(24)

Analisando a foacutermula pode-se ver que o atraso de grupo eacute na realidade o simeacutetrico da

derivada do graacutefico representativo da fase de um sistema Tendo este uacuteltimo de ser linear

conclui-se assim que para que um sistema natildeo provoque distorccedilotildees (ao niacutevel da fase) a um

determinado sinal o atraso de grupo tem de ser constante ao longo das frequecircncias

22 - Transdutores Eletroacuacutesticos

Um transdutor eletroacuacutestico eacute um dispositivo que permite a conversatildeo de energia

eleacutetrica em mecacircnica que por sua vez daacute origem a ondas sonoras O processo contraacuterio

tambeacutem eacute possiacutevel ou seja converter a energia proveniente da pressatildeo sonora em energia

eleacutetrica Dois dispositivos encarregues de efetuar tal operaccedilatildeo satildeo o altifalante e o

microfone respetivamente

Para se conseguir fazer a conversatildeo entre estes dois tipos de energia satildeo usados certos

materiais e propriedades fiacutesicas que permite assim produzir o efeito desejado Ao longo dos

anos foram produzidos transdutores eletromecacircnicos dos mais diversos tipos mas atualmente

os mais usados satildeo os de bobina moacutevel piezoeleacutetricos e eletrostaacuteticos Segue-se uma breve

descriccedilatildeo do princiacutepio de funcionamento de cada um destes tipos de transdutores

221 - Transdutor de bobina moacutevel

Tambeacutem conhecido como dinacircmico este eacute o tipo de dispositivo mais usado em

altifalantes e um dos mais populares na produccedilatildeo de microfones Quando um campo

magneacutetico eacute alterado junto de uma bobina eacute induzida uma corrente eleacutetrica nesta O caso

contraacuterio tambeacutem eacute verdade ou seja ao fornecer uma corrente eleacutetrica agrave bobina eacute criado

um campo magneacutetico Eacute baseado neste princiacutepio que este tipo de dispositivo funciona

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c]

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

Estado da Arte 5

componentes da frequecircncias pode levar a que a relaccedilatildeo entre cada uma delas se altere

modificando assim o sinal de saiacuteda

Apesar de estes dois aspetos poderem provocar a distorccedilatildeo de um sinal de aacuteudio apenas

o primeiro eacute por norma considerado

Em seguida podemos ver um exemplo [4] onde o sinal em forma de dente de serra apenas

eacute afetado por distorccedilatildeo ao niacutevel da fase

Figura 24 ndash Representaccedilatildeo temporal da onda em forma de dente de serra [4]

Figura 25 - Representaccedilatildeo temporal da onda apoacutes adicionar uma fase aleatoacuteria a cada componente das

frequecircncias [4]

Como se pode comprovar o niacutevel de distorccedilatildeo introduzido eacute bastante elevado sendo por

isso expectaacutevel alteraccedilotildees a niacutevel de sonoridade

Para que natildeo exista distorccedilatildeo proveniente da alteraccedilatildeo da fase do sinal eacute necessaacuterio que

o sistema pelo qual ele passa seja de fase linear isto eacute a sua fase tem de ser uma funccedilatildeo

linear da frequecircncia isto excluindo possiacuteveis saltos de plusmnπ Em seguida estatildeo representados

dois exemplos de sistemas de fase linear

Figura 26 - Representaccedilatildeo de dois sistemas possuidores de fase linear No primeiro pode-se observar um salto [b]

6 Estado da Arte

O atraso de grupo eacute definido [3] por

(24)

Analisando a foacutermula pode-se ver que o atraso de grupo eacute na realidade o simeacutetrico da

derivada do graacutefico representativo da fase de um sistema Tendo este uacuteltimo de ser linear

conclui-se assim que para que um sistema natildeo provoque distorccedilotildees (ao niacutevel da fase) a um

determinado sinal o atraso de grupo tem de ser constante ao longo das frequecircncias

22 - Transdutores Eletroacuacutesticos

Um transdutor eletroacuacutestico eacute um dispositivo que permite a conversatildeo de energia

eleacutetrica em mecacircnica que por sua vez daacute origem a ondas sonoras O processo contraacuterio

tambeacutem eacute possiacutevel ou seja converter a energia proveniente da pressatildeo sonora em energia

eleacutetrica Dois dispositivos encarregues de efetuar tal operaccedilatildeo satildeo o altifalante e o

microfone respetivamente

Para se conseguir fazer a conversatildeo entre estes dois tipos de energia satildeo usados certos

materiais e propriedades fiacutesicas que permite assim produzir o efeito desejado Ao longo dos

anos foram produzidos transdutores eletromecacircnicos dos mais diversos tipos mas atualmente

os mais usados satildeo os de bobina moacutevel piezoeleacutetricos e eletrostaacuteticos Segue-se uma breve

descriccedilatildeo do princiacutepio de funcionamento de cada um destes tipos de transdutores

221 - Transdutor de bobina moacutevel

Tambeacutem conhecido como dinacircmico este eacute o tipo de dispositivo mais usado em

altifalantes e um dos mais populares na produccedilatildeo de microfones Quando um campo

magneacutetico eacute alterado junto de uma bobina eacute induzida uma corrente eleacutetrica nesta O caso

contraacuterio tambeacutem eacute verdade ou seja ao fornecer uma corrente eleacutetrica agrave bobina eacute criado

um campo magneacutetico Eacute baseado neste princiacutepio que este tipo de dispositivo funciona

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c]

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

6 Estado da Arte

O atraso de grupo eacute definido [3] por

(24)

Analisando a foacutermula pode-se ver que o atraso de grupo eacute na realidade o simeacutetrico da

derivada do graacutefico representativo da fase de um sistema Tendo este uacuteltimo de ser linear

conclui-se assim que para que um sistema natildeo provoque distorccedilotildees (ao niacutevel da fase) a um

determinado sinal o atraso de grupo tem de ser constante ao longo das frequecircncias

22 - Transdutores Eletroacuacutesticos

Um transdutor eletroacuacutestico eacute um dispositivo que permite a conversatildeo de energia

eleacutetrica em mecacircnica que por sua vez daacute origem a ondas sonoras O processo contraacuterio

tambeacutem eacute possiacutevel ou seja converter a energia proveniente da pressatildeo sonora em energia

eleacutetrica Dois dispositivos encarregues de efetuar tal operaccedilatildeo satildeo o altifalante e o

microfone respetivamente

Para se conseguir fazer a conversatildeo entre estes dois tipos de energia satildeo usados certos

materiais e propriedades fiacutesicas que permite assim produzir o efeito desejado Ao longo dos

anos foram produzidos transdutores eletromecacircnicos dos mais diversos tipos mas atualmente

os mais usados satildeo os de bobina moacutevel piezoeleacutetricos e eletrostaacuteticos Segue-se uma breve

descriccedilatildeo do princiacutepio de funcionamento de cada um destes tipos de transdutores

221 - Transdutor de bobina moacutevel

Tambeacutem conhecido como dinacircmico este eacute o tipo de dispositivo mais usado em

altifalantes e um dos mais populares na produccedilatildeo de microfones Quando um campo

magneacutetico eacute alterado junto de uma bobina eacute induzida uma corrente eleacutetrica nesta O caso

contraacuterio tambeacutem eacute verdade ou seja ao fornecer uma corrente eleacutetrica agrave bobina eacute criado

um campo magneacutetico Eacute baseado neste princiacutepio que este tipo de dispositivo funciona

Figura 27 - Princiacutepio da Induccedilatildeo eletromagneacutetica [c]

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

Estado da Arte 7

Na figura 27 pode-se observar que quando o iacuteman se movimenta dentro da bobina eacute

criada uma corrente eleacutetrica Assim que ele paacutera essa corrente eacute interrompida Ao fazer o

movimento contraacuterio eacute criada outra vez uma corrente mas neste caso no sentido oposto

222 - Transdutor piezoeleacutetrico

Este tipo de transdutor faz uso de materiais que possuem uma propriedade especial Os

materiais piezoeleacutetricos (por exemplo o quartzo) quando sujeitos a uma tensatildeo mecacircnica

originam um campo eleacutetrico de igual intensidade agrave forccedila que os comprime [4] De igual modo

ao aplicar uma tensatildeo no material este vibra produzindo assim som A utilizaccedilatildeo deste tipo

de material para a produccedilatildeo de microfones e altifalantes eacute reservada a algumas aplicaccedilotildees

com fins especiais por exemplo em captadores usados em instrumentos musicais ou na

produccedilatildeo de sonares Visto esta tecnologia de transdutores natildeo ser usada de uma forma

generalizada para o propoacutesito em estudo neste projeto estes natildeo seratildeo analisados em

detalhe

Figura 28 - Captador piezoeleacutetrico em guitarra claacutessica [d]

223 - Transdutor eletrostaacuteticos

O transdutor eletrostaacutetico tem como base de funcionamento o condensador Este eacute

formado por duas placas paralelas sendo no caso do microfone uma delas a superfiacutecie que

permite receber as ondas sonoras A sua utilizaccedilatildeo eacute mais frequente em microfones sendo o

seu uso em altifalantes algo reduzido Apesar do componente base ser o mesmo o modo

como este eacute implementado para cada um dos casos eacute diferente sendo assim seraacute feita uma

explicaccedilatildeo do funcionamento de cada um deles na secccedilatildeo que lhes eacute destinada

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

8 Estado da Arte

23 - Microfone

Iremos agora analisar os microfones em maior detalhe ver as caracteriacutesticas mais

importantes que os permite distinguir bem como o modo como eles funcionam Seratildeo

estudados aqueles que satildeo mais usados na captaccedilatildeo de muacutesica e voz cantada

231 ndash Elemento

O elemento eacute o dispositivo presente dentro da caacutepsula do microfone e eacute este o

responsaacutevel por converter a energia mecacircnica proveniente do som em energia eleacutetrica Trata-

se na realidade do transdutor eletroacuacutestico Dos tipos de transdutores brevemente

estudados na secccedilatildeo anterior os mais vulgares na produccedilatildeo de microfones satildeo os de bobina

moacutevel e os de condensadores

Figura 29- Microfone de bobina moacutevel 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Bobina 4 - Iacuteman 5 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 29 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de bobina moacutevel

Este eacute constituiacutedo por um diafragma que estaacute ligado fisicamente a uma bobina onde no seu

interior estaacute presente um iacuteman permanente Devido agrave pressatildeo exercida pelas ondas sonoras o

diafragma do dispositivo vibra e junto com ele a bobina que lhe estaacute acoplada Como foi

estudado na secccedilatildeo anterior (secccedilatildeo 221) o movimento da bobina dentro do campo

magneacutetico criado pelo iacuteman permanente origina uma corrente nesta A intensidade dessa

mesma corrente eacute proporcional ao deslocamento da bobina moacutevel [4]

Pretende-se que a massa do conjunto bobina e diafragma seja a menor possiacutevel para que

a sua resistecircncia agrave transferecircncia de energia proveniente das ondas sonoras seja miacutenima Um

tipo de material usado na construccedilatildeo do diafragma eacute o MylarTM que eacute uma peliacutecula de

polieacutester fabricada pela DuPont Company [5] Este material eacute bastante resistente e suporta

bem as mudanccedilas de temperatura e humidade daiacute que seja oacutetimo para eventos no exterior

Anteriormente era usada uma peliacutecula de alumiacutenio tendo o inconveniente de ser bastante

fraacutegil Como o conjunto diafragma e bobina tem alguma massa (sendo a bobina a mais

pesada) estes vatildeo ter frequecircncias de ressonacircncia geralmente perto dos 350Hz Para isso satildeo

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

Estado da Arte 9

usadas vaacuterias teacutecnicas e outros componentes para tornar a resposta do microfone o mais

constante possiacutevel para as vaacuterias frequecircncias

Figura 210 - Microfone de condensador 1 - Ondas sonoras 2 - Diafragma 3 - Placa do condensador 4 - Polarizaccedilatildeo 5 ndash Resistecircncia da carga 6 - Corrente eleacutetrica (sinal de aacuteudio) [e]

Na figura 210 podemos ver um esquema simplificado de um microfone de condensador

Este eacute constituiacutedo por duas placas sendo que uma delas eacute fixa e a outra moacutevel Esta uacuteltima eacute

na realidade o diafragma do microfone possuindo uma baixiacutessima espessura Estas duas

placas formam um condensador que eacute o elemento chave para o seu funcionamento

O seu princiacutepio de funcionamento eacute bastante simples Como uma das placas do

condensador eacute fixa e a outra eacute moacutevel a distacircncia entre elas muda com a vibraccedilatildeo recebida

pelo diafragma na presenccedila de uma onda sonora Para um condensador de placas paralelas a

sua capacidade eacute dada por [6]

(25)

onde C eacute a capacidade do condensador A representa a aacuterea das placas metaacutelicas d a

distacircncia entre elas e ε0 uma constante eleacutetrica Atraveacutes da expressatildeo 25 podemos concluir

que com a alteraccedilatildeo da distacircncia entre as placas do condensador a sua capacidade tambeacutem

eacute alterada Sabe-se ainda que [6]

(26)

onde C eacute capacidade do condensador Q a sua carga e V a sua tensatildeo

A carga no condensador eacute mantida a um niacutevel praticamente constante visto este ser

projetado de maneira a ser um filtro passa alto relativamente ao som Sendo assim existe

uma alteraccedilatildeo da tensatildeo nos terminais do condensador quando a sua capacidade eacute alterada

Esta diferenccedila de tensatildeo entre o condensador e a fonte que o estaacute a polarizar modula uma

corrente na resistecircncia de carga O potencial entre os terminais dessa resistecircncia representa

o sinal de aacuteudio captado Devido agrave alta impedacircncia deste circuito o sinal eacute encaminhado para

um preacute-amplificador

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

10 Estado da Arte

Os microfones de condensador apresentam algumas vantagens [5] nomeadamente frente

aos de bobina moacutevel

Diafragma mais pequeno e leve reduzindo o ruido proveniente das vibraccedilotildees do

microfone

Resposta em frequecircncia bastante uniforme e de banda mais extensa

Consegue medir pressotildees sonoras bastante elevadas

Baixo niacutevel de ruiacutedo

No entanto tambeacutem tem inconvenientes como o facto de necessitar de alimentaccedilatildeo

extra e de serem mais caros

232 ndash Direcionalidade

Os microfones podem ser classificados quanto agrave sua direcionalidade ou seja ao modo

como captam os sons provenientes de diferentes direccedilotildees Esta eacute tipicamente representada

na forma de um diagrama polar que mostra de que zonas eacute que o microfone admite os sons

Figura 211 - Posiccedilatildeo do microfone relativamente ao diagrama polar [4]

As principais opccedilotildees disponiacuteveis quanto agrave direcionalidade satildeo omnidirecional

unidirecional e bidirecional

Os microfones unidirecionais satildeo tambeacutem conhecidos como cardioacuteides e os bidirecionais

como figura-de-oito isto devido agraves suas representaccedilotildees do diagrama polar

Figura 212 - Vaacuterias direcionalidades Da esquerda para a direita omnidirecional figura-de-oito cardioacuteide supercardioacuteide e hipercardioacuteide [4]

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

Estado da Arte 11

A direcionalidade a escolher depende do uso que se pretende dar ao microfone Para

gravar um discurso um microfone omnidirecional poderaacute natildeo ser a melhor escolha visto

captar todos os ruiacutedos envolventes

233 ndash Sensibilidade

Outra caracteriacutestica importante nos microfones eacute a sensibilidade Esta indica tal como o

nome sugere o niacutevel de sensibilidade que o microfone apresenta quando estimulado por um

determinado som Quanto mais sensiacutevel for o microfone maior seraacute o niacutevel eleacutetrico na saiacuteda

relativamente agrave pressatildeo sonora recebida Por norma os microfones de condensadores satildeo

mais sensiacuteveis que os de bobina moacutevel A unidade usada eacute geralmente o mVPa ou o dBV e

quanto mais elevado eacute o seu valor maior eacute a sensibilidade

234 ndash Resposta em frequecircncia

A resposta em frequecircncia que normalmente eacute representada pelo graacutefico da magnitude de

um diagrama de bode indica-nos o ganho que o microfone apresenta ao longo do espetro das

frequecircncias O ideal seria que o microfone apresentasse uma resposta plana ao longo de

todas as frequecircncias de operaccedilatildeo

Figura 213 - Resposta em frequecircncia de um microfone dinacircmico (Sennheiser e845) [f]

235 ndash Impedacircncia

Esta eacute outra caracteriacutestica de grande importacircncia na escolha de um microfone A unidade

de medida eacute o Ohm (Ω) Quanto menor for a impedacircncia de um microfone melhor seraacute o seu

desempenho Um microfone de uso profissional tem por norma uma impedacircncia de

aproximadamente 200 ohms [5]

Os microfones de elevada impedacircncia estatildeo limitados no comprimento do seu cabo de

ligaccedilatildeo podendo ser de apenas 5 metros Isto acontece porque a sua impedacircncia em

conjunto com a capacidade que o cabo apresenta forma um filtro passa baixo fazendo com

que as frequecircncias agudas comecem a ser bastante atenuadas Existe tambeacutem o problema de

estes serem mais suscetiacuteveis ao ruiacutedo

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

12 Estado da Arte

24 - Altifalante

Nesta secccedilatildeo iremos abordar os altifalantes perceber melhor o seu funcionamento e

saber quais as caracteriacutesticas mais importantes a ter em conta no momento da sua escolha

241 ndash Transdutor

Como jaacute vimos anteriormente este eacute o elemento responsaacutevel por converter a energia

eleacutetrica em energia sonora isto no caso do altifalante Ao longo dos anos apareceram e

desapareceram diversas tecnologias responsaacuteveis por fazer este tipo de conversatildeo sendo que

atualmente as que tecircm maior presenccedila no mercado em termos praacuteticos na produccedilatildeo de

altifalantes satildeo eletrodinacircmicos eletrostaacuteticos e piezoeleacutetricos

Os transdutores eletrodinacircmicos satildeo os mais vulgarmente usados na construccedilatildeo de

altifalantes para reproduccedilatildeo de muacutesica e voz cantada Por essa razatildeo apenas esses seratildeo

objeto de estudo nesta secccedilatildeo

Tal como foi visto na secccedilatildeo 221 o princiacutepio de funcionamento de um altifalante

eletrodinacircmico eacute baseado na existecircncia de uma bobina estando esta sob o efeito de um

campo magneacutetico Quanto um eleacutetron se encontra em movimento dentro de um campo

magneacutetico eacute exercida uma forccedila sobre este que pode ser calculado [6] pela foacutermula

f = j x B (27)

onde j eacute o vetor de deslocamento do eleacutetron B o vetor do campo magneacutetico e f o vetor da

forccedila resultante

Figura 214 ndash Princiacutepio de funcionamento de um altifalante [g]

O altifalante eacute composto por um iacuteman permanente que cria um campo magneacutetico no seu

interior Sob o efeito desse campo magneacutetico existe uma bobina que por sua vez estaacute ligada

a um diafragma sendo este geralmente em forma de cone Quando uma corrente percorre

esta bobina eacute criada uma forccedila que a faz deslocar Fazendo inverter o sentido da corrente a

forccedila passa a ser feita no sentido contraacuterio Eacute atraveacutes destes movimentos do diafragma que eacute

produzido o som

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

Estado da Arte 13

A criaccedilatildeo do campo magneacutetico tal como ilustrado na figura 214 geralmente eacute

conseguido usando um iacuteman um ldquoback platerdquo + ldquopole piecerdquo e um ldquofront platerdquo O ldquoback

platerdquo e o ldquopole piecerdquo estatildeo encarregues de estender um dos polos do iacuteman para o interior

da bobina enquanto o ldquofront platerdquo estende o outro polo para o seu exterior

Figura 215 - Interior de altifalante [h]

Na figura 215 eacute possiacutevel ver a bobina em cobre o iacuteman o ldquoback platerdquo ligado na parte

inferior deste o ldquopole piecerdquo que estaacute ligado ao ldquoback platerdquo o ldquofront platerdquo que se

encontra em cima do iacuteman o cone (diafragma) e o seu sistema de suspensatildeo Note que a

bobina se encontra no espaccedilo formado entre o ldquopole piecerdquo e o ldquofront platerdquo ou seja os

polos do iacuteman

O material mais barato usado para produzir os cones dos altifalantes eacute o papel Este pode

ser feito de uma folha de papel que eacute depois enrolada em cone ou entatildeo moldado a partir de

pasta de papel No entanto as empresas que projetam e produzem os altifalantes tecircm vindo a

usar cada vez mais outros materiais estando disponiacuteveis cones feitos a partir de diversos

plaacutesticos fibra de carbono kevlar entre outros Para proteger a bobina de poeiras que a

podiam danificar eacute usado no centro do cone uma tampa que a mantem isolada Esta eacute

conhecida como ldquodust caprdquo e a sua forma e materiais usados no fabrico satildeo dos mais

diversos isto porque para aleacutem da sua funccedilatildeo de proteger a bobina ela tambeacutem tem

influecircncia no som emitido pelo altifalante

242 ndash Sensibilidade

Num altifalante a sensibilidade indica a capacidade do dispositivo em produzir energia

sonora a partir de um sinal eleacutetrico de entrada Para que seja possiacutevel comparar a

sensibilidade entre diferentes dispositivos tiveram de ser criados standards os quais indicam

que tipo de testes devem ser efetuados e em que condiccedilotildees

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

14 Estado da Arte

O standard mais comummente usado eacute o dB-SPL a 1 metro com um sinal de entrada de 1

Watt Isto eacute convertido para 283 Vrms para uma impedacircncia de 8 ohms

Assim sendo um altifalante tem a capacidade de produzir maior intensidade sonora a

partir da mesma entrada quanto maior for a sua sensibilidade em dB

243 ndash Sistemas de muacuteltiplas vias

Em muitos dispositivos de reproduccedilatildeo de muacutesica satildeo utilizadas colunas compostas por

vaacuterios altifalantes Cada altifalante eacute dedicado para a reproduccedilatildeo de uma certa gama de

frequecircncia tendo eles diferentes tamanhos e geometrias Um altifalante para reproduzir sons

graves tem por norma um tamanho grande porque assim precisa de menos energia e pode ter

um curso de suspensatildeo mais curto relativamente a um altifalante de menores dimensotildees para

o mesmo efeito Jaacute um altifalante para reproduzir sons bastante agudos (tweeter) eacute por

norma pequeno levando a que o sistema bobina + cone apresente menor massa podendo

assim vibrar a maior frequecircncia sem haver deformaccedilatildeo do seu formato

Tal diferenciaccedilatildeo deve-se agrave incapacidade de um uacutenico altifalante conseguir reproduzir de

forma satisfatoacuteria todas as regiotildees audiacuteveis do espetro sonoro Apenas eacute usado um uacutenico

altifalante em sistemas de reproduccedilatildeo de voz ou em sistemas de baixo custo

O nuacutemero de vias de uma coluna indica-nos o nuacutemero de altifalantes nela contida

dedicados a reproduzir diferentes regiotildees do espetro sonoro

Figura 216 - Coluna de 3 vias (Bowers amp Wilkins CM Centre 2) [i]

Como se pode ver na figura 216 um sistema de N vias pode ter mais que N altifalantes

nele contido havendo neste caso dois altifalantes dedicados agrave reproduccedilatildeo dos sons graves

Para se fazer a divisatildeo das frequecircncias destinadas a cada um dos tipos de altifalantes satildeo

usados filtros Crossover

244 ndash Filtro Crossover

O crossover eacute um filtro analoacutegico ou digital tendo este como funccedilatildeo separar as regiotildees do

espetro sonoro destinadas a diferentes tipos de altifalantes presentes num sistema de

muacuteltiplas vias Este filtro pode ser do tipo

Passa-baixo ndash deixa passar apenas as frequecircncias abaixo de um determinado

limiar atenuando as restantes

Passa-alto ndash deixa passar apenas as frequecircncias acima de um determinado limiar

atenuando as restantes

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

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Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

Estado da Arte 15

Passa-banda - deixa passar apenas as frequecircncias compreendidas entre dois

valores as outras satildeo atenuadas

O tipo mais simples de filtro eacute o de 1ordf ordem em que o sinal na regiatildeo de atenuaccedilatildeo

decresce 10dBdeacutecada podendo no entanto ser de maior ordem [5] Num sistema de

altifalantes passivo a ordem vai tipicamente ateacute a um valor maacuteximo de 3 sendo usado a

partir daiacute filtros ativos A frequecircncia agrave qual o filtro comeccedila a atenuar tem de ser adaptada

caso a caso conforme os altifalantes que o construtor coloca num determinado sistema

245 ndash Resposta em frequecircncia

Apesar da resposta em frequecircncia ser um dos aspetos mais importantes na caraterizaccedilatildeo

da performance musical de um altifalante esta eacute por vezes omitida pelo fabricante ou

representada apenas em parte levando em erro o consumidor Por norma esta vem facultada

sob a forma xx Hz ndash yy kHz (+- 3dB) onde xx e yy representam as frequecircncias mais baixa e

mais alta respetivamente que o altifalante ou sistema consegue reproduzir com uma

margem de 3dB da frequecircncia mais audiacutevel para a menos audiacutevel

No entanto por vezes natildeo eacute divulgado o valor em dB entre a frequecircncia mais e menos

audiacutevel O fabricante indica assim apenas a gama de frequecircncias que o altifalante consegue

reproduzir podendo no entanto algumas serem reproduzidas com um volume bastante baixo

ou inclusivamente inaudiacutevel Eacute portanto de grande relevo que se tenha em atenccedilatildeo estes

detalhes na altura da escolha de um sistema de som

246 ndash Impedacircncia e Potecircncia

A impedacircncia eacute indicada nas caracteriacutesticas de um altifalante pelo seu valor nominal no

entanto ela muda em funccedilatildeo da frequecircncia Sendo assim eacute aconselhado que se encontre o

seu valor miacutenimo num graacutefico impedacircncia-frequecircncia possivelmente fornecido pelo

fabricante do equipamento

Esta eacute uma caracteriacutestica bastante importante a ter em atenccedilatildeo A utilizaccedilatildeo de

altifalantes de impedacircncia 4 Ohm com um amplificador preparado apenas para 8 Ohm pode

levar agrave destruiccedilatildeo deste uacuteltimo visto natildeo ter capacidade para fornecer a corrente necessaacuteria

para uma impedacircncia tatildeo baixa

Os altifalantes costumam tambeacutem ser especificados com um valor de potecircncia Por vezes

o valor indicado eacute o de pico o que natildeo eacute o mais correto O que se deve procurar saber eacute a

potecircncia RMS (Root Mean Square) que nos daacute uma aproximaccedilatildeo mais real da potecircncia do

altifalante No entanto esta natildeo eacute constante altera-se conforme a frequecircncia do sinal de

entrada Sendo assim o valor indicado deve servir apenas como guia natildeo devendo ser

considerado apenas isso na escolha do altifalante

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

16 Estado da Arte

25 - Conclusatildeo

Neste capiacutetulo foi possiacutevel ficar a perceber melhor o conceito de atraso de grupo e a

influecircncia que este tem num sinal

Apoacutes a anaacutelise dos diversos tipos de transdutores consegue-se perceber que o atraso de

grupo apesar de ser uma caracteriacutestica importante no que respeita agrave distorccedilatildeo do sinal eacute de

forma geral natildeo revelada ao consumidor final ficando este sem saber qual o niacutevel de

distorccedilatildeo que o dispositivo introduz no sinal recebido

Uma completa caracterizaccedilatildeo destes dispositivos eacute uma tarefa de grande complexidade e

os resultados obtidos satildeo de difiacutecil interpretaccedilatildeo para grande parte das pessoas Por essa

mesma razatildeo os dispositivos vecircm com caracterizaccedilotildees de mais simples execuccedilatildeo mas que

nem sempre revelam a verdadeira qualidade sonora do dispositivo Dispositivos com

caracteriacutesticas equivalentes podem ter desempenhos distintos

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

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Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

17

Capiacutetulo 3

Proposta de trabalho

Neste capiacutetulo seraacute introduzida uma proposta para o plano de trabalho a realizar durante

o segundo semestre Este plano de trabalho iraacute ser eventualmente atualizado agrave medida que o

projeto se for desenvolvendo Seratildeo tambeacutem apresentadas algumas ferramentas de trabalho

necessaacuterias para se proceder ao estudo a realizar bem como a metodologia a ser empregue

no global

31 - Ferramentas a utilizar

Ao longo da realizaccedilatildeo deste projeto iratildeo ser utilizadas diversas ferramentas as quais satildeo

indispensaacuteveis para atingir o fim desejado As ferramentas identificadas ateacute ao momento

estatildeo listadas em seguida

311 ndash Cacircmara Anecoica

Uma cacircmara anecoica eacute um espaccedilo onde o teto paredes e chatildeo estatildeo revestidos de um

material especial com uma forma proacutepria projetada para absorver as ondas produzidas no

seu interior evitando assim reflexotildees e permitindo o seu isolamento relativamente ao

exterior da cacircmara

No caso da cacircmara anecoica disponiacutevel na FEUP esta foi projetada para ser usada com

fontes de ondas eletromagneacuteticas e natildeo com fontes sonoras No entanto apresenta algumas

caracteriacutesticas que lhe permitem ter um desempenho acuacutestico acima de qualquer outra sala

disponiacutevel atualmente para os testes a realizar

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

18 Proposta de trabalho

312 ndash Matlab

O Matlab eacute uma ferramenta matemaacutetica bastante usada na engenharia Este software

seraacute usado para preparar a experiecircncia a realizar e permitiraacute fazer a anaacutelise dos dados

recolhidos posteriormente Poderaacute ser depois criada uma comparaccedilatildeo graacutefica entre o sinal

envidado para o altifalante e o sinal recolhido pelo microfone destacando assim as

deformaccedilotildees que estes dispositivos introduzem

32 - Metodologia

Na elaboraccedilatildeo deste projeto usar-se-aacute uma metodologia inovadora com base em sinais

digitais de teste especiais para em ambiente anecoacuteico atuar um altifalante e registar o sinal

adquirido por um microfone

Seratildeo usados trecircs microfones e trecircs altifalantes sendo efetuada uma reproduccedilatildeo e

gravaccedilatildeo por apenas um tipo de dispositivo de cada vez No final teratildeo sido efetuadas nove

combinaccedilotildees diferentes sendo posteriormente analisados os resultados obtidos

Tal experiecircncia seraacute realizada numa cacircmara anecoica presente na Faculdade de

Engenharia de Universidade do Porto (FEUP) estando esta projetada para a atenuaccedilatildeo de

sinais de radiofrequecircncia Apesar de esta natildeo ter sido otimizada para atenuar sinais sonoros

o seu desempenho poderaacute ser satisfatoacuterio

Os sinais seratildeo depois processados e analisados para que se tirem conclusotildees da

experiecircncia efetuada Na figura 11 pode-se ver um esquema da metodologia a adotar onde

DA eacute um conversor de Digital para Analoacutegico e AD eacute um conversor que faz a operaccedilatildeo

contraacuteria

Figura 31 - Esquema da metodologia a usar nos testes

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

Proposta de trabalho 19

33 - Plano de trabalho

Em seguida eacute apresentado o plano de trabalho que se prevecirc para a execuccedilatildeo deste

projeto Uma imagem com maior detalhe pode ser consultada no anexo A

Figura 32 - Estimativa de Plano de trabalho

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

20

Capiacutetulo 4

Conclusatildeo

A elaboraccedilatildeo deste primeiro relatoacuterio para a cadeira ldquoPreparaccedilatildeo da Dissertaccedilatildeordquo foi

bastante uacutetil isto porque me permitiu aumentar o conhecimento sobre a tecnologia envolvida

no fabrico de altifalantes e de microfones bem como perceber como era a atual situaccedilatildeo no

que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho dos mesmos

Eacute agora percetiacutevel que no que toca agrave caracterizaccedilatildeo do desempenho destes

equipamentos principalmente em altifalantes esta eacute por vezes feita de uma forma pouco

metoacutedica Apesar de terem vindo a aparecer normas para facilitar e homogeneizar o tipo de

testes a efetuar satildeo poucos os fabricantes que optam por efetuar os testes seguindo essas

indicaccedilotildees

Eacute tambeacutem visiacutevel que a informaccedilatildeo relativa ao atraso de grupo de um determinado

equipamento eacute por norma natildeo fornecida Em altifalantes eacute inclusivamente usual natildeo ser

fornecida uma informaccedilatildeo detalhada quanto agrave magnitude da resposta em frequecircncia

Seraacute agora necessaacuterio definir o conjunto de testes a efetuar nomeadamente escolher o

tipo de sinal a emitircaptar pelos diversos conjuntos altifalantemicrofone para assim se

poder dar iniacutecio agrave fase de experimentaccedilatildeo

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

source_to_consumer_rev1shtml Acesso em 03Fevereiro2012

[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em

httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012

[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em

httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-

choosehtml Acesso em 04Fevereiro2012

[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em

httpwwwsennheisercomsennheiserproductsnsfresourcesDC5FF0648B51E647C

12574330041AA8C$Fileevo_845_GBpdf Acesso em 8Fevereiro de 2012

[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-

physicsorgphysics180physics180BChaptersmagnetic_forceshtm Acesso em

9Fevereiro2012

[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em

httpwwwaudiotechnologydkizaspid=4|a|119||| Acesso em 9Fevereiro 2012

[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-

wilkinseuSpeakersHome_AudioCM_SeriesCM-Centre-2html Acesso em

10Fevereiro2012

21

Referecircncias sitiograacuteficas

[a] Phase (waves) Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiPhase_28waves29

Acesso em 01Fevereiro2012

[b] Linear Phase Disponiacutevel em httpenwikipediaorgwikiLinear_phase Acesso em

02Fevereiro2012

[c] Physics - Source to consumer Disponiacutevel em

httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters

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Anexos

Anexo A

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Anexos

Anexo A