Diafragma: cone e domo

Com o motor eletromagnético consegue-se a primeira conversão: energia elétrica em mecânica. Para transformar energia mecânica em energia acústica, acopla-se à bobina um di- afragma que se movimente junto com ela (na mesma frequência) e desloque (compressão e rarefação) o ar à sua frente de forma a produzir som. Os alto-falantes eletrodinâmicos utilizam dois tipos de diafragma: o cone e o domo. A Figura 2.12 apresenta ambos os tipos de diafragma.

Figura 2.12 – Comparação entre diafragmas do tipo domo e cone. Fonte: (Elaborado pelo autor, 2014)

Cone:

A primeira ideia quando se pensa em um diafragma funcionando como um pistão rígido é utilizar um disco plano. Porém, a massa necessária para torná-lo suficientemente rígido seria muito grande, o que diminuiria a eficiência do alto-falante. A solução encontrada foi fazer um diafragma em forma de cone, cuja rigidez é muito maior, permitindo diminuir a massa até obter uma membrana bem leve.

a) Modos vibracionais:

Dependendo do tamanho, material e geometria do cone, até certa frequência, ele fun- ciona como um “pistão rígido”, ou seja, todos os seus pontos possuem a mesma velocidade e o mesmo deslocamento. Ultrapassada esta frequência o cone se “quebra”, com certas áreas – delimitadas por curvas fechadas onde não há vibração – oscilando com frequência da força motriz.

Cada região oscilante funciona como uma fonte sonora. Estas áreas constituem os mo- dos vibracionais. Eles se formam porque ondas se propagam no cone partindo da bobina, su- bindo até a periferia do cone (borda) e retornando até a bobina formando ondas estacionárias. As formas e materiais do cone e da borda influenciarão na formação das ondas estacionárias. Os modos vibracionais interferem no som que seria produzido: cada área oscilante emite uma onda sonora que interfere com as demais, construtiva ou destrutivamente, em certas frequências, formando vales e picos, na região B, na curva de resposta do alto-falante como mostra a Figura 2.13.

Figura 2.13 – Curva de resposta de um alto-falante do tipo woofer. Fonte: (Elaborado pelo autor, 2014)

O primeiro pico apresentado na região A da Figura 2.13, por exemplo, é o Fs(frequência de ressonância) e não se aplica, porque é uma ressonância do sistema massa (cone) - mola (ara- nha/suspensão). Os modos vibracionais podem ser desejáveis ou não, dependendo da aplicação do alto-falante. Quando se deseja baixas frequências e que o alto-falante só trabalhe como um “pistão rígido”, então é desejável diminuir os modos e procurar obter uma resposta plana em toda a faixa de operação.

Explicar a física dos cones dos alto-falantes, geralmente, implica em iniciar por uma discussão teórica sobre a radiação de um pistão, infinitamente rígido, se movendo no ar, Devido à impedância acústica de radiação aplicada ao pistão, a transferência de movimento do pistão para o ar é limitada e dependente da frequência.

Para um alto-falante ideal, composto por um diafragma rígido ligado ao sistema de sus- pensão mecânica, o limite na faixa inferior do espectro de áudio seria dado pela frequência de ressonância , que é definida pela massa total do elemento móvel e pela rigidez do sistema de suspensão. (abaixo da qual a capacidade de transferir energia diminui).

No caso prático, os cones não são infinitamente rígidos e irão deformar-se de algum modo, dependendo das características do material com que forem construídos , de sua geometria e das condições de contorno as quais estão sujeitos.

b) Formas:

Existem duas formas básicas de cones: os cones retos e os cones curvos ou exponenciais. A diferença entre os dois é que os cones exponenciais possuem modos de vibração menos intensos que os cones retos, portanto, possuem uma curva de resposta mais plana. Porém, eles não suportam altas potências em baixa frequência (região de "pistão rígido") quanto os cones retos pois, para um dado peso, eles não são tão rígidos. A Figura 2.14 apresenta os dois tipos tradicionais de formas para cones.

Segundo Dickason [14], os cones de forma cônica tendem a apresentar um elevado pico no extremo superior da sua faixa de resposta sendo sua localização determinada, em parte, pelo ângulo de abertura do cone. Comparando com a forma convexa, a banda passante é um pouco mais larga, tendendo a produzir uma resposta de frequência mais plana e apenas um moderado pico na resposta de altas frequências (menor eficiência nas altas frequências) com uma ligeira redução na banda passante em comparação com os cones planos.

Dependendo do número, tamanho e espessura da parede do cone, os frisos conseguem dissociar a parte central (região da bobina) da extremidade (região da borda), em termos dos

Figura 2.14 – Formas básicas para cones de alto-falantes. Fonte: (Elaborado pelo autor, 2014)

modos vibracionais. Existem, também, os cones ovais ou em forma de elipse. Eles possuem uma resposta de menos intensidade sonora em baixa frequência em relação ao cone circular, porém, também possuem modos vibracionais com menores amplitudes em comparação aos circulares. Os cones circulares mais utilizados na indústria podem variar seu diâmetro de 11/2” a 3” (tweeter), 4” a 6” (médios), e 8” a 21” (woofers e subwoofers).

Outra forma de diminuir os modos vibracionais são os frisos colocados na parte central do cone, o que é apresentado na Figura 2.15.

Figura 2.15 – Frisos para reforço estrutural do cone do AF. Fonte: (Elaborado pelo autor, 2014)

tes formas de cones possuem diversas características de resposta do transdutor. A resposta de frequência dos cones convexos pode ser modificada e controlada através de sua curvatura (Dickason [14]).

c) Materiais:

Os cones mais utilizados são os de massa celulósica. A massa pode ser composta de fibras de celulose de vários tipos, como: kraft, sulfite, algodão, linho, entre outros. A proporção das fibras na massa e a densidade do cone serão responsáveis pelo seu desempenho mecânico e acústico. Para aumentar a resposta em alta frequência, são utilizadas resinas impregnantes no cone. Mais recentemente, o cone de plástico (o mais utilizado é o de polipropileno) vem se tornando muito popular. Sua estabilidade mecânica é excelente, e ele possui a característica de não absorver água (não é higroscópico), e sua reprodutibilidade na fabricação é muito maior que a do cone de massa celulósica. Ele possui menos modos vibracionais, porém, quando eles começam a ocorrer são muito intensos. Outro problema é que quando submetidos a grande potência podem mudar a sua forma ou até, em casos extremos, rachar. Entretanto, utilizado de maneira correta, dentro de suas especificações, este tipo de cone é de grande eficiência. Existem, também, cones de metal (ligas de alumínio) e espuma com plástico, porém, são menos utilizados que os de plástico e de massa celulósica.

Junto ao cone, formando o diafragma, existe outro componente do alto-falante: a calota ou protetor. Ele é colocado acima da bobina, colado ao cone, como apresentado no esquema técnico do alto-falante. Ele possui a função básica de proteger a região do gap, porém participa da formação do som junto ao cone. Vários materiais são utilizados para sua fabricação, tais como: massa celulósica, acetato, alumínio e tecido. Assim, como no cone, nele se formam modos vibracionais, dependendo do tamanho, forma e material. A faixa de frequência médias- altas pode ser bastante influenciada pelo protetor.

Domo:

Outra Forma utilizada como diafragma é o domo. Ele possui a forma de uma calota esférica e a bobina é colocada em seu perímetro como mostra a Figura 2.16. O domo geralmente é feito de um tecido resinado e sua forma é dada em uma ferramenta quente. São utilizadas, também, membranas de formas e materiais (titânio, berílio ou material plástico por exemplo) diferentes que o domo de tecido apresentado na Figura 2.16.

O domo é utilizado em tweeters e drivers que trabalham em frequências médias-altas. Considera-se que sua radiação sonora é menos diretiva que a do cone, porém, isso só é verdade

Figura 2.16 – Diafragma do tipo domo. Fonte: (Elaborado pelo autor, 2014)

a altíssimas frequências (para um domo de 25 mm de diâmetro, por exemplo, só acima de 16 kHz é menos diretivo).