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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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
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httpwwwbbccoukscotlandlearningbitesizestandardphysicsenergy_matters
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[d] Piezoelectric sensor Disponiacutevel em
httpenwikipediaorgwikiPiezoelectric_sensor Acesso em 3Fevereiro2012
[e] Microphones How to choose Disponiacutevel em
httpenaudiofanzinecommicrophoneeditorialarticlesmicrophones-how-to-
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[f] Microphones | Dynamic Microphone Disponiacutevel em
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[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-
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[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em
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22
Referecircncias bibliograacuteficas
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of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
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Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
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[g] Magnetic Forces and Fields Disponiacutevel em httpsdsu-
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[h] Flex Units Loudspeaker Drivers Disponiacutevel em
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[i] CM Centre 2 Disponiacutevel em httpwwwbowers-
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22
Referecircncias bibliograacuteficas
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Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
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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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
22
Referecircncias bibliograacuteficas
[1] J Blauert and P Laws Group delay distortions in electroacoustical systems Journal
of the Acoustical Society of America vol 63 pp 1478-1483 1978
[2] H Banno K Takeda and F Itakura The effect of group delay spectrum on timbre
Acoustical Science and Technology vol 23 pp 1-9 2002
[3] A V Oppenheim A S Willsky and S H Nawab Signals amp systems 2nd ed Upper
Saddle River NJ Prentice Hall 1997
[4] L L Henrique Acuacutestica musical Lisboa Fundaccedilatildeo Calouste Gulbenkian 2002
[5] G Ballou Electroacoustic devices microphones and loudspeakers Amsterdam
Boston Focal 2009
[6] H M Nussenzveig Curso de fiacutesica baacutesica S Paulo Editora Edgard Blucher 1997
23
Anexos
Anexo A
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