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Equalizador Passivo para Driver de Titanio

Vitorio Felipe Massoni www.eam.com.br

Diversas vezes constatamos que os drivers de compressão apresentam resposta excepcionalmente plana, quando medidos sem corneta, como podemos ver na Fig. 1. A Fig. 2 ilustra a condição da medição do driver D408TI, da Selenium.

Fig 1 – Resposta near field do D408TI.

Fig. 2 – O método de medição do driver.

Para projetar as altas freqüências à longa distância, apenas o driver não poderia realizar esta tarefa. Daí lança-se mão de cornetas que atuam como um transformador acústico entre o driver e o ar, aumentando a eficiência do sistema. Então, o que era uma resposta excelente, deteriora-se na boca da corneta. Na Fig. 3, temos o mesmo driver montado na corneta HL 47-50, também da Selenium®, medido com uma potência de 1W, estando o microfone colocado a 1 metro de distância do centro da mesma.

Fig. 3 – Resposta do driver instalado na corneta HL47-50, sem correção.

fig. 3A – Curva de impedância sem o processador passivo.

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Nota-se grande deterioração na resposta, com o surgimento de vales e picos, antes inexistentes, mesmo sendo a HL 47-50 uma excelente corneta de diretividade constante (bi-radial). Quando, em um sistema de som profissional, de múltiplas vias, programamos a resposta do crossover eletrônico para a via do driver, por exemplo, a partir de 1200Hz, vamos notar que o comportamento acústico do driver fica longe do que, a princípio, deveria ser uma resposta plana. Então, os crossovers eletrônicos não servem para isto? Servem! Ocorre que o fabricante do crossover leva em conta que a resposta acústica das múltiplas vias é plana, porque não há como prever o comportamento destas após os falantes e drivers serem instalados em caixas e cornetas, bem como o efeito do agrupamento de diversas unidades. Espera-se que os usuários lancem mão de equalizadores gráficos ou paramétricos, delays e outros recursos, para a correção das distorções da resposta em freqüência e para a proteção do driver. O que a princípio parecia muito fácil começa a se complicar, e muito! Em campo, alinhar um sistema de múltiplas vias, quando a resposta acústica de cada uma delas não corresponde à resposta elétrica dos crossoveres eletrônicos, é tarefa árdua e muitas vezes não há tempo hábil para tal. O equalizador PP D408TI, foi criado para proporcionar uma resposta bastante plana no driver homônimo, quando montado na corneta HL47-50, o que melhora,

significativamente, o desempenho do sistema. Adicionalmente, obtém-se um maior nível de proteção para o reparo do driver, uma vez que a equalização passiva suprime picos de potência nas regiões onde não eram necessários, fazendo com que a bobina receba menos potência elétrica e produza uma resposta acústica mais plana.

Fig. 4 – Resposta após a aplicação da correção com o processador PP D408TI.

Fig. 4A – Curva de impedância com processador. Na Fig. 4, temos a resposta obtida com o uso do Processador PP D408TI, para o mesmo driver e corneta já mencionados. Na Fig. 4A, vemos a impedância. A medição foi efetuada também a 1m e com 1W (2,83V) aplicados ao conjunto.

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Na figura 4B, as curvas elétricas, obtidas na saída do processador, comprovam a proteção adicional conseguida. O ganho do processador foi sempre negativo, na faixa de 10 Hz a 20KHz, ou seja, ele atenuou o sinal de entrada. O ângulo de fase, abaixo de 200 Hz, é igual a 90 graus, o que indica um comportamento capacitivo, nessa região. Isso foi proposital, para proteger o driver contra baixas freqüências que pudessem ser aplicadas acidentalmente, como ocorreria no caso da ligação da via de graves, erradamente conectada ao driver. O comportamento capacitivo, nas baixas freqüências, oferece uma elevada reatância nessa faixa.

101

102

103

104

−50

0

50

100Função de Transferência do Processador

Frequencia em Hz

Ga

nh

o e

m d

B e

F

ase

e

m G

rau

s

GanhoFase

Fig. 4B – Função de transferência do processador

101

102

103

104

−60

−50

−40

−30

−20

−10

0Medidas de Distorção no D408TI

Frequencia em Hz

Dis

torçã

o

em

d

B

10CmSCSP10CmSCCP1MSCSP1MCCSP1MCCCP

Fig. 4C – Distorção com e sem processador.

No gráfico da figura 4C, podemos notar que o processador passivo também melhorou a distorção do driver, na faixa de utilização.

Fig. 5 – O processador, o driver e a corneta. Em relação ao gráfico da Fig. 3, podemos notar, na Fig. 4, que a resposta é bem mais plana, tendo sido eliminado o extenso pico, que ia desde 600 Hz até 7 KHz. Também o pico, ao redor de 14 KHz, foi bastante suavizado. Obviamente, os processadores passivos não podem elevar os níveis do sinal. Assim, o vale entre 8 e 10KHz não pode ser amplificado, obrigando todo o restante da resposta a descer até próximo dele. Isto é: a resposta plana deu-se em 104 dB SPL, a 1 W e 1 m, pois não há como amplificar o nível do vale em questão. Isto não deve ser considerado uma perda, uma vez que as demais vias do sistema dificilmente atingem este valor de pressão sonora a 1W e 1m. O driver ainda vai ter que ser atenuado, para produzir o mesmo SPL das outras vias. E estamos falando de um sistema com uma corneta com o driver D408 TI e dois alto falantes de graves médios, por caixa! Agora, com o driver respondendo de forma plana ao sinal elétrico do crossover

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ativo, podemos estar seguros de que o resultado sonoro será melhor.

Fig. 6 – Curvas protótipo em 800, 1200 e 1600Hz (amarelo, rosa e preto). Curvas sobrepostas após passar por crossover eletrônico nas mesmas freqüências de corte (vermelho, azul e verde). Na Fig. 6, podemos ver o correto desempenho da resposta do driver junto às curvas protótipo. Isto indica claramente que a resposta acústica está acompanhando a resposta elétrica do crossover eletrônico. Note que quanto maior a freqüência de corte, melhor é o comportamento do driver no início da curva passa altas. Entretanto, valores abaixo de 20 dB da resposta plana não influenciam significativamente o acoplamento com a via adjacente. A esta altura, podemos nos perguntar: e o restante do sistema? Como deverá se comportar? Faremos algumas observações referentes ao ajuste relativo à via abaixo do driver, que provavelmente utilizará falantes de 15, 12 ou 10 polegadas, em caixas tipo corneta, ou não. O assunto é muito extenso e tentaremos ser objetivos para uma rápida obtenção de resultados.

A primeira coisa que deveremos conhecer é o centro acústico de cada via, sua eficiência e a faixa de resposta em freqüência em que atua. Isto é feito utilizando-se um analisador de espectro e excitação por impulso, como acontece no Smart Live da Sia Soft™, que é um programa bastante conhecido no meio profissional (brevemente faremos um artigo sobre sua utilização). Outros programas podem ser usados. Nós, por exemplo, utilizamos o Cliowin, da Audiomática™, que é mais adequado para desenvolvimento de produtos. Recomendamos o Smart, ou outro similar, por economia e por necessitarem, apenas, de uma placa de som full duplex, com algumas conexões simples para funcionar bem. Também pode ser usado com notebooks e uma placa de som analógico / digital externa. Um microfone calibrado deve ser providenciado para a obtenção de resultados confiáveis. Infelizmente, aqueles voltados para o uso vocal ou instrumental não servem para esta finalidade. Uma vez determinado o tempo em que o som de cada via demora para chegar até à frente da caixa acústica, podemos subtrair o menor do maior e determinar o tempo de atraso entre eles. Como exemplo, vamos supor o driver D408TI, montado na corneta HL47-50 e equipado com o processador passivo PP408TI. Ao medir o tempo de propagação da onda com o medidor de impulso, encontramos 1,5 m ou 4,36 ms (0,00436 s). Em seguida, encontramos na via de médios graves um tempo de 1,4 m ou 4,07 ms (0,00407 s).

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Da subtração dos dois tempos temos 0,1 m ou 0,29 ms (0,00029 s). Como o tempo no driver é maior, então aplicaremos um delay de 0,29 ms na via dos graves médios. Lembrete: Para obter o tempo a partir da distância, basta aplicar a fórmula t = x/344 onde x está em metros e o tempo t está em segundos. O número 344 é a distância em metros que o som percorre no ar em 1 segundo, ou sua velocidade em m/s. Ela varia em função da temperatura, da umidade e um pouco com a pressão atmosférica. Mas, para os cálculos de delay basta considerar a variação com a temperatura. É bastante visível que na maioria das vezes o som do driver está atrasado em relação aos falantes da via adjacente, mesmo quando estes últimos estão instalados em cornetas de madeira, com certa profundidade. Não acredite que, mesmo estando as bobinas dos transdutores fisicamente alinhadas na vertical, o mesmo vá ocorrer acusticamente. Somente a medição vai determinar o valor correto. Veja que o ponto que nos interessa é tão somente aquele que ocorre na transição entre as vias, a freqüência de cruzamento. Se for escolhido 1200 Hz como sendo o ponto em que os falantes de médio graves se calam e o driver começa a falar, então este é o local na curva onde vamos observar a atuação do delay. Porque? Muito simples: a resposta na freqüência de cruzamento, entre as duas vias, somente vai ser plana se, e somente se, as respostas acústicas das vias adjacentes estiverem no mesmo nível, alinhadas no tempo, e em fase. No nosso caso, as respostas protótipo serão passa

baixas e passa altas do tipo Linkwitz-Riley, com taxa de atenuação de 24dB/8ª. Neste tipo de filtro, as respostas cruzam-se a exatos -6 dB, o que resultará em uma resposta plana a 0 dB pois estaremos somando 0,5 com 0,5, cujo resultado unitário corresponderá a 0 dB.

Fig. 7 – Pontos de cruzamento entre as vias de um sistema multi amplificado. Vermelho = Grave, Verde = Médio Agudo, Rosa = Full e Azul = full com fase invertida no driver.

fig. 7B – Curvas de impedância dos graves e médio agudos, na caixa do exemplo. Note, no exemplo da Fig. 7, que o nível resultante entre as vias é o mesmo de cada uma, individualmente. Naturalmente, quanto mais perfeito for o cruzamento entre as curvas passa altas e passa baixas, adjacentes, mais plano será o resultado.

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A caixa em teste é uma de duas vias, genérica, que processamos passiva e ativamente, somente para ilustração de teoria e prática. É muito utilizada no Brasil, como side, e mesmo para PA. Foi montada com o driver D408TI, o processador PP D408TI e dois falantes WPU1505. Veja a foto na figura 8.

Fig. 8 – Caixa 2x15 D No final deste artigo vamos apresentar a tabela do processamento utilizado. O centro acústico de cada via foi medido e corrigido através de delay, aplicado pelo processador ativo (que será objeto de um outro artigo). A curva rosa da figura 7 mostra a resposta full range, onde vemos a perfeita transição entre as vias.

Ao invertermos a polaridade do driver, forma-se um vale pronunciado, na freqüência de transição, mostrando mais uma vez que o ajuste foi correto, como podemos ver na curva de cor azul. Aliás, quando se obtém resposta plana em um sistema, tem-se a impressão que o som está baixo, mesmo com picos de 120dBSPL na house mix! Mas não só está forte como uniforme em todo o local.

fig. 9 – A caixa aberta, mostrando o local da instalação do PP D408 TI.

Fig. 10 – Detalhe da instalação do processador na base da caixa.

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fig. 11 – O set up utilizado nas medições. Na figura 11, a foto do set up utilizado nas medições, onde se vê a tela com o programa Cliowin, e o condicionador de sinais desenvolvido pela EAM. Este set up é uma unidade portátil, que utilizamos para testes em campo. A curva da tela é a resposta da caixa exemplo. A arquitetura do processador PP D408TI. Basicamente, trata-se de um filtro passa altas, Linkwitz Riley, com o corte em 800 Hz, e taxa de atenuação de 12 dB/8ª, seguido de filtros rejeita faixa (notch) nas freqüências onde ocorreram picos. A freqüência de corte foi escolhida para proteger o driver contra freqüências baixas que possam chegar à via de médio agudos, até por acidentes. O desenvolvimento do projeto deu-se em etapas: as medições da resposta do driver na corneta, da indutância da bobina, da curva de impedância e dos parâmetros TS.

A análise destes resultados permitiu o traçado da curva teórica desejada que, neste caso, ficou em 104 dB SPL com 1W @1m, e resposta em freqüência de 800 Hz a 16 KHz. Acima desta última, existe um decaimento pronunciado, que não poderia ser levado em consideração, para não reduzir mais a pressão sonora final. Os filtros foram calculados, construídos em forma de protótipo e, depois, foi desenvolvido o produto final. Em som profissional, é comum o uso de filtros passa baixa em 16 KHz, do tipo Butterworth 24 dB/8ª, para impedir que ultra-sons destruam os drivers. Assim, o fato da resposta do driver não se estender muito além de 16 KHz, não constitui nenhum problema. A precisão dos componentes utilizados é da maior importância, uma vez que tolerâncias acima de 5% leva a resultados desastrosos. Para capacitores e indutores em filtros de freqüências mais altas, a tolerância vai para 2%. Todo o conjunto foi desenvolvido em uma placa de circuito impresso em fibra de vidro, com 2mm de espessura, garantindo a robustez necessária às severas exigências do transporte e manuseio a que estão sujeitas as caixas acústicas profissionais. A placa é isolada e separada dos pontos de montagem por espaçadores em alumínio, que permitem a fixação por parafusos auto atarrachantes, cabeça tipo Philips, flangeada, 4x25 mm, fornecidos com o produto. Além disto, a fiação é completa, inclusive para 2 tomadas de entrada. Estes fios possuem terminais de segurança próprios para conectores tipo Speakon®, que não

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escapam acidentalmente após a colocação e o correto travamento. Agora, vamos melhorar a resposta do driver no sistema. Aplicando-se uma leve equalização, conforme a tabela da Fig. 12, com um equalizador gráfico eletrônico ou, no caso da Fig. 13, com os paramétricos de um crossover digital, obteremos curvas mais planas.

Fig. 14 – Curva protótipo com o corte em 1200 Hz (azul) e a resposta com a equalização gráfica da Fig. 12 (vermelho).

Fig. 15 – Curva protótipo com corte em 1200 Hz (azul) e a resposta com equalização paramétrica da Fig. 13 ( vermelho) .

FREQUENCIA

em kHz NÍVEL em dB

1 -0.5 1.25 0 1.6 0 2.0 -1.0 2.5 +1.0 3.15 +1.0 4.0 +1.0 5.0 -0.5 6.3 0 8.0 +1.0 10.0 +0.5 12.5 +0.5 16.0 -2.0 20.0 0

Figura 12 - Equalização gráfica.

Nº Nível kHz BW Q 1 -1.0 1.9 0.25 4.0 2 +1.0 2.35 0.20 5.0 3 -1.5 2.92 0.1 10 4 +0.6 3.85 0.16 6.3 5 +1.8 8.32 0.16 6.3 6 +1.3 11.2 0.14 7.1 7 -1.5 14.5 0.10 10

Figura 13 - Equalização paramétrica.

Compare as Figs. 14 e 15 com a Fig. 6 e veja como a resposta ficou bem mais plana. Se a freqüência de corte escolhida for maior, pode-se usar as mesmas equalizações.

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Tabela de processamento digital para a caixa exemplo.

*ajustar conforme a sensibilidade do amplificador utilizado. ** ajustar em campo. Quando for usada somente a caixa de 2 vias, mudar HPF na via 2 para 40Hz BUT 24

EQUALIZADORES NA VIA 1 - SUB Nº TIPO GANHO dB FREQUÊNCIA Hz BW 8ª Q 1 Paramétrico *** *** *** ***

*** consultar manual do fabricante

EQUALIZADORES NA VIA 2 – LOW (2xWPU1505) Nº TIPO GANHO dB FREQUÊNCIA Hz BW 8ª Q 1 Paramétrico +4.0 168 0.36 2.8 2 Paramétrico -2.0 738 0.14 7.1 3 Paramétrico +2.5 957 0.11 8.9 4 Paramétrico -3.5 1.78k 0.31 3.2

EQUALIZADORES NA VIA 3 – MID HIG (D408TI)

Nº TIPO GANHO dB FREQUÊNCIA Hz BW 8ª Q 1 Paramétrico +1.0 1.5k 0.14 7.1 2 Paramétrico -2.5 2.03k 0.25 4.0 3 Paramétrico -2.5 3.04k 0.28 3.5 4 Paramétrico -2.5 6.57k 0.14 7.1

Em um próximo artigo, vamos explorar mais a forma de ajustar PA’s com o uso de processadores digitais. Ressaltamos, desde já, que os inícios e fins dos filtros passa altas e passa baixas nos crossoveres digitais não são obrigatoriamente coincidentes, como se pode observar na tabela de processamento digital acima. Conforme já dissemos, o que importa é que o sinal acústico seja igual ao sinal elétrico das curvas protótipo. Ainda em relação à caixa exemplo, ela tem uma eficiência de 104 dBSPL com 1W @1m a partir de 100Hz (Na verdade,

como são dois falantes de 15”, e 8 ohms cada um, a potência dobra). As curvas da fig. 7 estão com 100 dB SPL apenas porque adotamos curvas protótipo neste nível. O delay necessário, na caixa de sub woofer, que vier a ser utilizada com a caixa exemplo, deverá ser ajustado conforme a posição da primeira em relação à segunda. Poderá ser o caso de não haver necessidade de atrasos, se o sub woofer for alinhado mecanicamente. De todo modo, os princípios não se alteram: é necessário que a curva acústica passa baixas, do sub woofer, obedeça aos parâmetros já discutidos.

VIA POLARID. HPF Hz LPF Hz GANHO DELAY 1 - SUB + 30 BUT 24 100 LR 24 * ** 2 – LOW + 70 LR 24 1.41k LR 24 0 dB 0.84ms

3 –MID HIG + 1.3k LR 24 19k BUT 24 0 dB 0 ms

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Fig. 16 – Método da medição, na caixa usada como exemplo. A foto da Fig. 16 mostra a forma como a caixa exemplo foi medida. Uma das dificuldades para o alinhamento deste tipo de caixa é o posicionamento adequado do microfone. Como se vê pela foto, ele está em uma região que não corresponde ao meio da caixa. O ponto que melhor vai servir para obter a referência para ajuste depende de experimentação prática. O que se busca é uma posição que mostre a somatória dos falantes de graves, sem perda nas altas freqüências oriundas da corneta, o que nem sempre é possível. Daí a causa, na caixa exemplo, da resposta não chegar até 16 KHz e não termos compensado isso, no processamento.

Do contrário, não haverá resposta plana entre o sub e a caixa de graves médios, obrigando, como muitas vezes temos observado em shows, a um aumento desnecessário de potência da ordem de 10dB, na via de sub, na tentativa de compensar o vale que ocorre devido ao alinhamento incorreto. Agradecimentos: O Autor agradece à Eletronica Selenium S. A., que gentilmente cedeu amostras de seus produtos para os testes, bem como fez a comprovação de algumas das medidas em sua câmara anecoica. Este agradecimento se extende ao Prof. Homero Sette Silva, Consultor da Selenium, por suas sugestões, colaboração no processamento com o MatLab e a cuidadosa revisão do texto, a quem expressamos nossa gratidão.