A importância da ressonância e da frequência ressonante nos sistemas de áudio

Há dois desafios principais para os projetistas que trabalham com sistemas de áudio ressonantes. O primeiro é aproveitar a frequência ressonante e a zona de ressonância de um alto-falante ou buzzer para produzir o maior nível de pressão sonora de saída (SPL). O segundo é evitar zumbidos e chocalhos ressonantes induzidos na caixa e no sistema de montagem de um dispositivo de áudio. Embora a ressonância seja um conceito familiar, este artigo revisará suas implicações no projeto de áudio, incluindo os desafios mencionados acima, fatores que afetam a ressonância, como ler uma curva de resposta de frequência e muito mais.

Teoria básica da ressonância e frequência ressonante

Para compreender o impacto da ressonância, ela precisa primeiro ser compreendida em um nível básico. A ressonância ocorre quando um objeto físico ou circuito eletrônico absorve energia de um impulso inicial e depois continua vibrando na mesma frequência, embora com amplitude decrescente, e nenhuma força adicional agindo sobre ele. A frequência na qual este comportamento ocorre é conhecida como a frequência ressonante do sistema, designada como F0.

A ressonância pode aparecer em muitos contextos. Os violões fornecem um exemplo perfeito no dia-a-dia, pois produzem som inteiramente por vibração. Quando um músico dedilha uma corda de um violão acústico, ela vibra e transmite a energia sonora para o corpo oco de madeira do instrumento, fazendo-o ressoar e amplificando o som que produz. Da mesma forma, um filtro LC pode ressoar como um circuito de tanque sintonizado se for estimulado por um sinal na frequência correta. Este efeito é usado em rádios básicos para capturar um sinal de transmissão ajustando o valor da capacitância ou indutância no circuito tanque de modo que sua frequência ressonante coincida com a frequência de transmissão. A ressonância eletromecânica em um oscilador de cristal piezoelétrico pode ser usada como uma referência de frequência.

Uma visão geral dos componentes de saída de áudio

A ressonância mecânica é afetada pelo peso e a rigidez que conecta diferentes massas juntas. Quando se trata de alto-falantes padrões, esta massa é o diafragma (ou cone) e a rigidez depende da flexibilidade da suspensão que une o diafragma à estrutura. Como os alto-falantes são fabricados de muitas maneiras diferentes, cada tipo de alto-falante pode produzir frequências ressonantes variadas.

Outros fatores que farão com que a frequência de ressonância de um alto-falante varie incluem o material do cone, a espessura da suspensão e o tamanho do eletroímã, que está preso à parte traseira do cone e o peso do impacto. Em geral, materiais mais leves e mais rígidos e suspensões flexíveis resultam em frequências ressonantes mais altas. Por exemplo, os tweeters de alta frequência são pequenos e leves com cones de mylar rígidos e suspensões altamente flexíveis. Ao modificar estes fatores, os alto-falantes padrões passam a ter uma faixa de frequência entre 20 Hz e 20.000 Hz.

Figura 1: Estrutura dos alto-falantes padrões (Fonte da imagem: Same Sky)

Outro tipo de componente de saída de áudio são os buzzers de transdutores magnéticos. Estes separam o mecanismo de acionamento do mecanismo de produção de som de uma forma diferente de um alto-falante. Devido a um diafragma mais leve que se une mais rigidamente à estrutura, os transdutores magnéticos têm uma faixa de frequência normal mais alta, mas com faixa reduzida. Normalmente produzem som de 2 a 3 kHz com o benefício adicional de precisar de menos corrente do que os alto-falantes para produzir o mesmo SPL.

Figura 2: Estrutura do buzzer magnético padrão (Fonte da imagem: Same Sky)

Finalmente, existem buzzers de transdutores piezoelétricos, que são ainda mais eficientes na produção de SPLs mais elevados, dada a mesma quantidade de corrente que seus equivalentes magnéticos. Utilizando o efeito piezoelétrico, elas variam um campo elétrico para fazer com que o elemento piezocerâmico se curve de uma forma e depois de outra, resultando na saída de ondas sonoras. Este material piezoeléctrico é geralmente rígido, e os componentes utilizados nestes tipos de buzzers são pequenos e finos. Os buzzers de transdutores piezo como as versões magnéticas geram ruídos agudos entre 1 a 5 kHz com uma faixa estreita de frequência.

Figura 3: Estrutura do buzzer piezoelétrico padrão (Fonte da imagem: Same Sky)

Considerações sobre o projeto de ressonância

Projetar alto-falantes ou buzzers que aproveitam a ressonância é uma tarefa complexa que envolve considerar a frequência de ressonância desejada ou a faixa de frequência de ressonância, as características do alto-falante ou buzzer que será usado, e a forma e o tamanho da caixa em que será montado. Estes fatores podem influenciar uns aos outros de forma bastante radical.

Por exemplo, a montagem de um pequeno alto-falante em uma caixa muito grande permitirá que ele se mova livremente e, portanto, a frequência ressonante do sistema (alto-falante mais caixa) provavelmente será a mesma que a ressonância intrínseca do alto-falante operando no ar livre. Mas se você colocar um alto-falante em uma pequena caixa hermeticamente fechada, o ar dentro funcionará como uma mola mecânica que interage com o cone do alto-falante e afeta a frequência ressonante do sistema. Existem outras interações, tais como as características de acionamento elétrico não-linear, que também devem ser consideradas para se obter um projeto eficiente.

Dada esta complexidade, a melhor maneira de proceder com qualquer tipo de projeto de áudio é frequentemente construir alguns protótipos, medir suas características e depois ajustar para produzir a melhor saída com a fonte de áudio escolhida. Esta abordagem baseada em protótipos também pode ajudar os projetistas a entender e compensar o fato de que as características dos componentes variarão dentro das tolerâncias de fabricação e as geometrias e rigidezas da caixa estarão sujeitas a variações de produção. Um alto-falante construído à mão, constituído com os melhores componentes selecionados de um lote, muitas vezes atinge um desempenho que é difícil de alcançar repetidamente usando técnicas de produção em massa e componentes padrões.

As caixas, particularmente para alto-falantes, também devem ser projetadas para ter espaço interno suficiente para que a energia de áudio que está sendo produzida se desenvolva sem atenuação. Uma modesta redução de 3 dB no SPL, causada pela cobertura ou materiais da caixa, reduzirá pela metade a potência sonora de saída. A postagem no blog "Como projetar uma microcaixa de alto-falante" da Same Sky discute isso com mais detalhes.

Em geral, é importante observar a resposta de todo o espectro de um componente de áudio, e aproveitar seu desempenho nas frequências que existem em ambos os lados de seu pico de frequência ressonante. Como a frequência ressonante não é um número exato nem necessariamente uma faixa muito estreita, particularmente para alto-falantes, é provável que haja uma resposta de frequência útil que os projetistas possam explorar em ambos os lados do valor de pico especificado em uma ficha técnica. A idéia é otimizar a saída SPL e a frequência para uma determinada potência de entrada. Para conseguir isso, o dispositivo deve ser acionado em sua frequência ressonante e em frequências dentro de suas zonas ressonantes.

Por exemplo, a ficha técnica do alto-falante CSS-10246-108 da Same Sky diz ter uma frequência ressonante de 200 Hz ±40 Hz, mas seu gráfico de resposta de frequência mostra outro pico ressonante a aproximadamente 3,5 kHz. Há também uma zona ressonante de aproximadamente 200 Hz a 3,5 kHz. Os projetistas podem tirar proveito dessas idéias para adequar sua escolha de alto-falante à sua aplicação.

Figura 4: Uma curva de resposta de frequência para o alto-falante CSS-10246-108 (Fonte da imagem: Same Sky)

Como outro exemplo, o buzzer de transdutor magnético CMT-4023S-SMT-TR da Same Sky lista uma frequência ressonante de 4000 Hz em sua ficha técnica. Isto é confirmado através do gráfico de resposta de frequência do buzzer abaixo. Alternativamente, para simplificar as questões de ressonância, os buzzers também estão disponíveis como indicadores de áudio que apresentam circuitos de acionamento integrados. Como sua operação é definida em uma frequência fixa e nominal, estes dispositivos acionados internamente não precisam de um gráfico de resposta de frequência, pois são projetados para maximizar o SPL em sua janela de frequência especificada.

Figura 5: Uma curva de resposta de frequência para o buzzer de transdutor magnético CMT-4023S-SMT-TR (Fonte da imagem: Same Sky)

Conclusão

Ao projetar um dispositivo de áudio em uma aplicação, os engenheiros devem considerar a frequência ressonante do dispositivo para garantir que ele produza o maior SPL sem induzir vibrações indesejadas. Isto significa utilizar os dados fornecidos pelo fornecedor, particularmente a frequência ressonante, como ponto de partida em um projeto e depois otimizar o projeto em toda a zona ressonante que existe em torno deste valor. Uma vez concluído um projeto inicial, devem ser usados protótipos para verificar se a forma como o dispositivo de áudio interage com sua caixa e sua montagem corresponde ao desempenho projetado. A Same Sky oferece uma gama de soluções de áudio em todo o espectro de frequência para ajudar os engenheiros a encontrar o componente certo para o trabalho.