Em se tratando da totalidade do projeto, o cálculo do volume da caixa é apenas mais um passo; ainda se restam definir o material, a espessura, as dimensões e a geometria da caixa. É importante lembrar de dimensionar as paredes para que o volume interno coincida com o volume calculado.
A teoria apresentada na seção 4.2.2 sugere que o material mais indicado é o MDF, seja pelo custo-benefício ou pela facilidade de encontrá-lo no mercado. Definido o material construtivo, resta escolher a espessura das paredes. Sabe-se que, teoricamente, paredes mais espessas apresentam melhores resultados. No entanto, há de se considerar qual o ganho efetivo e sua necessidade, uma vez que o preço do material aumenta conforme a espessura. O valor mais comumente utilizado é 18 mm; já apresenta um bom isolamento acústico e absorção de vibrações causadas pelo movimento do cone, além de ser financeiramente acessível. A geometria retangular foi escolhida por ser a mais viável de se construir entre as que apresentam boa resposta.
Como o volume é encontrado em litros, transforma-se, então, para mm3, unidade utilizada no decorrer dos cálculos. Agora com 8, 84.106[mm3], será possível encontrar o tamanho das chapas, estas de acordo com a relação escolhida. Retomando os conhecimentos sobre a geometria, sabe-se que o formato cúbico apresenta uma resposta com muitas variações. Por conta disso, é conveniente usar uma relação de altura, largura e profundidade que deixe o enclausurado mais retangular - algo em torno de 1,6:1,0:0,6 é cabível. Não se pode esquecer de considerar o local onde o sistema será utilizado e os limites físicos que possam existir. Na escolha das dimensões, considerando o formato retangular e escolhendo a profundidade como maior dimensão, partiu-se de uma uma altura de 320 mm, 206 mm de largura e 296 mm de profundidade. Estas medidas são externas.
Internamente, o volume deste projeto pode ser encontrado pela equação 55. Ao desconsiderar a espessura de 18 mm de cada parede, restará para o cálculo: 284 mm de altura, 169 mm de largura e 260 mm de profundidade.
V = A.L.P (55)
Onde
V - volume [mm3]; A- altura [mm];
L; largura [mm];
P- profundidade [mm].
O volume final é de 12478960 mm3 ou 12,47 litros. A solução para regular o volume interno conforme Vb e também separar as câmaras do tweeter e mid-bass foi adicionar uma chapa interna e regular sua altura, que fica em torno de 201 mm. Este detalhe também proporciona um aumento na rigidez estrutural do enclausurado. Vale lembrar que, com os falantes em enclausurados distintos, será necessário um furo para passar o cabeamento. É interessante que se tenha uma visualização prévia do resultado final, para facilitar a montagem; a modelagem foi feita no software Sketchup e está exposta na figura 49.
Figura 49: Modelagem via software
Fonte: Autoria Própria
A visualização computacional ajuda como guia na montagem e organização de todos os elementos de forma correta. Antes da construção física, existem alguns pontos de atenção, como o posicionamento das furações e do duto, o espaço restante para o material absorvente e crossover, assim como as próprias técnicas de montagem.
As chapas de MDF foram adquiridas com um marceneiro, enviando-lhe o projeto como mostrado na figura 50. Estas foram fornecidas sem os cortes circulares, que foram projetados
seguindo as dimensões físicas dos falantes e dutos.
Figura 50: Projeto parte à parte para montagem
Fonte: Autoria Própria
A figura 51 apresenta as chapas junto com a maior parte do material necessário para o projeto.
Figura 51: Materiais usados antes da construção
Fonte: Autoria Própria
A construção da caixa só foi possível com o auxílio de ferramentas disponíveis no laboratório da UTFPR. Nem sempre eram ideais para aplicação que precisávamos, fazendo
com que certas adaptações fossem necessárias, aumentando o tempo de conclusão. Dentre as máquinas utilizadas, tem-se a serra tico-tico, para o corte circular do mid-bass; furadeira vertical, para furações circulares menores e furos-guia dos parafusos; furadeira e parafusadeira elétricas. Além disso, claro, o uso de sargentos e morsas para auxílio no posicionamento e fixação. A figura 52 ilustra o uso de algumas dessas ferramentas.
Figura 52: Corte com serra tico-tico para encaixe do mid-range
Fonte: Autoria Própria
Algo interessante durante o processo foi a necessidade de aumentar o furo feito pela serra tico-tico - o corte circular ficou justo demais para montagem do falante. A solução foi adaptar uma lixa na ponta da furadeira, com o intuito de desbastar internamente as aberturas do driver, como pode ser visto na figura 57.
Figura 53: Adaptação necessária para desbaste interno
Fonte: Autoria Própria
Para montagem do enclausurado, utilizam-se os parafusos de 40 mm para fixar uma placa na outra e ainda um reforço estrutural com cola de madeira para evitar as perdas por vazamentos nas junções. A inserção dos parafusos diretamente nas placas pode ocasionar a dilatação do MDF. Por conta disso, é recomendável que se façam furos-guia antes das paredes serem parafusadas. Este procedimento deve ser realizado com muito cuidado, pois a simetria dos furos determinará a qualidade do alinhamento entre as paredes da caixa. A foto 54 ilustra esta etapa.
Figura 54: Usa da furadeira vertical para fazer as guias
Fonte: Autoria Própria
Com todas as furações preparadas, pode-se unir as paredes do enclausurado como visualizado na figura 55. Nesta etapa, os parafusos contribuíram para o posicionamento das paredes durante a secagem da cola.
Figura 55: Estrutura fixada com fita
Fonte: Autoria Própria
Com a estrutura toda montada, em se tratando do enclausurado, resta-se apenas a aplicação do revestimento antes da fixação dos alto-falantes e duto. Como apresentado no início do capítulo 4, é indicado que se utilize um revestimento tão espesso quanto possível. No entanto, não se tem uma regra, sendo sensato que se considerem outros fatores como o impacto no custo final no projeto. Para situação em questão, pelo custo-benefício, optou-se pela espuma
acústica anti-inflamável de 3 cm de espessura como mostra a figura 56. A placa de espuma foi recortada no tamanho exato das paredes internas da caixa, sendo fixada com pingos da cola para madeira.
Figura 56: Revestimento interno e crossover em posição
Fonte: Autoria Própria
A fixação dos drivers e duto é relativamente simples. O cano de PVC foi desbastado para encaixe na furação, sendo preso com a cola de madeira. Já os alto-falantes foram parafusados externamente, utilizando-se dos furos existentes em sua estrutura.
O circuito elétrico referente à alimentação é relativamente simples, compõe-se de dois terminais para entrada do sinal (positivo e negativo) - estes podem ser comprados em casas de materiais de áudio, que seguem até se conectarem ao crossover, que, por sua vez, divide as informações entre o tweeter e mid-range.
Após uma série de etapas e muitas horas de trabalho, o resultado é apresentado na figura 57. A preocupação com os detalhes no decorrer da montagem resultou em uma caixa sólida com paredes bem juntas e alinhadas, fato positivo para as reflexões internas e perdas por vazamento.
Figura 57: Modelagem via software
Fonte: Autoria Própria
Dentre os materiais utilizados, tem-se: - Alto-falantes mid-range e tweeter;
- Capacitores, indutores e placa para o crossover;
- Placa de espuma casca de ovo para o revestimento interno;
- Pinos para entrada do sinal;
- Chapa de MDF cortada conforme projeto;
- Parafusos 40 mm;
- Cola para madeira;
- Fios para ligações;
7 ANÁLISE DE RESULTADOS
Por fim, chega-se no ponto de análise do projeto construído. Em se tratando de qualidade de áudio, muitas das conclusões possíveis sobre os resultados podem ser subjetivas, uma vez que o sucesso do conjunto se resume em uma boa experiência auditiva. Ainda assim, existem técnicas de medição que possibilitam a confirmação de nossas percepções sensoriais.
A figura 58 mostra a sala de som disponibilizada pelo orientador Antônio Carlos Pinho para realização dos testes. Já na primeira audição, o resultado surpreendeu muito. Constatou- se que a resposta era rápida e precisa, com boa execução principalmente nos médios-graves e médios. Os graves são encorpados e não ressoam indevidamente. Também se percebe grande clareza e separação entre os elementos da música. No entanto, foi possível afirmar que faltavam informações na resposta; os médios-agudos pareciam se apresentar com menor evidência, além da menor sensibilidade do tweeter tornar os agudos menos evidentes. Para esclarecer esse ponto, tomou-se a tratativa de mapear a curva de resposta em frequência do falante.
Figura 58: Testes das caixas.
Fonte: Autoria Própria
Na figura 59 está o esquema de ligação entre os equipamentos para executar as medições.
Figura 59: Esquema de ligação dos equipamentos
A metodologia utilizada para o mapeamento envolveu o uso de um CD específico para realização deste teste, chamado "Áudio Teste", do autor Sólon do Valle. A mídia em questão possui 44 faixas de áudio, cada qual com um ponto de frequência fixo a ser reproduzido. A ideia se resume em gravar a informação sonora apresentada pelo conjunto em cada um desses pontos, para, posteriormente, analisar a intensidade com que foram tocados. O software utilizado para gravar as faixas reproduzidas pelas caixas foi o Audacity e tem as gravações nas figuras 60 e 61.
Figura 60: Medição Home Theater
Fonte: Autoria Própria
Figura 61: Medição Sala de Som
Fonte: Autoria Própria
A figura 62 retirada do Audacity permite ver como foi feita a medição de nível [dB] utilizado para gerar o gráfico de cada sala. Por exemplo na figura em 80 Hz tem-se -4,7 dB. Medida essa efetuada na sala de som e apresentada na tabela a seguir.
Figura 62: Análise do nível [dB] ocasionado por cada frequência
Para que os efeitos do ambiente em que a caixa se insere sejam expostos, a medição foi realizada em duas salas distintas, com diferentes medidas.A tabela 8 apresenta os resultados obtidos para ambas as salas.
Tabela 8: Frequências enviadas para testar as caixas
Faixa Frequência [Hz] Nível [dB] Sala de Som Nível [dB] Home Theater
4 20 -42,6 -42,6 5 22 -35,9 -35,9 6 25 -42 -31,9 7 28,1 -34,3 -17 8 31,5 -35,6 -20 9 35,5 -15,6 -18,4 10 40 -16,1 -16,1 11 44,7 -26,2 -15,1 12 50 -39,6 -18,8 13 56,1 -38,5 -4,5 14 63 -23,6 -19,6 15 71 -14 -20,8 16 80 -4,7 -7,9 17 89,4 -8,3 -9,8 18 100 -17,5 -13,9 19 125 -22,7 -12,9 20 160 -17,5 -17,9 21 200 -21,7 -16,8 22 250 -20,2 -12,5 23 315 -21,8 -18,2 24 400 -17,1 -16,8 25 500 -16,8 -17,7 26 630 -12,4 -15,2 27 800 -16,3 -20,7 28 1000 -13,1 -15,4 29 1250 -5,6 -27,4 30 1600 -17,6 -20,1 31 2000 -16,4 -19,9 32 2500 -36,7 -35,8
Faixa Frequência [Hz] Nível [dB] Sala de Som Nível [dB] Home Theater 33 3150 -19,9 -27,2 34 4000 -16,6 -16,5 35 5000 -28,8 -27,7 36 6300 -21,1 -21,8 37 8000 -23,1 -23,7 38 10000 -27,3 -22,3 39 11200 -22,9 -28 40 12500 -25,1 -23,6 41 14100 -26,5 -24,7 42 16000 -34,5 -33,5 43 17900 -35,7 -33,8 44 20000 -38,9 -44,8
Fonte: Autoria Própria
Com base nestes resultados, utilizou-se o software Microsoft Excel para elaboração do gráfico, como mostra a figura 63. A resposta apresentada será o ponto de partida para análise dos resultados.
Figura 63: Curva de resposta em frequência para diferentes ambientes
Fonte: Autoria Própria
Em um primeiro momento, a resposta parece apresentar muitas variações, o que, analisando apenas por esta perspectiva, sugere certo desbalanço ou falta de informação no resultado. No entanto, a qualidade final não depende apenas dessa curva, mas sim de outros
aspectos como a variação dinâmica na resposta, precisão em execução, ausência de ruídos ou execução de micro detalhes, por exemplo; todos os pontos possíveis de serem notados no projeto em questão.
É fácil perceber que, apesar de similares, as duas linhas coincidem em determinados pontos e divergem em outros. Isso sugere que parte do resultado final seja influenciado pelo local onde as caixas estão inseridas. Assim como dentro delas, a reflexão das ondas sonoras no ambiente ocasiona a formação de modais, que podem ser responsáveis por picos e vales na curva de resposta.
A situação dos harmônicos será tratada posteriormente. Por hora, ressalta-se o vale acentuado que se apresenta entre 2 e 3 kHz em ambas as salas. Pelo fato de se repetir com similaridade em ambientes diferentes, considera-se que isso possa ser um problema no projeto. Sabe-se que que o intervalo em questão está próximo do ponto de corte do crossover, 3,3 kHz, o que sugere que o problema esteja na faixa de transição entre as frequências graves e agudas. Como apresentado anteriormente no trabalho, este é um efeito conhecido ocasionado pelo fato dos falantes estarem ligados com a mesma polaridade no crossover, o que gera um cancelamento pela defasagem de 180 que ocorre em filtros de segunda ordem. A correção é possível e se dá invertendo a polaridade do tweeter, evitando o cancelamento destrutivo. Passa-se, então, para análise dos harmônicos.
Embora não existam frequências bem definidas que separem as respostas em baixas e altas frequência em partes da sala, geralmente usamos a frequência de Schroeder como uma divisão definida entre respostas de baixa e alta frequência do recinto. Nesta frequência, três modais se sobrepõem em uma frequência de modal de largura de banda. A frequência de Schroeder fs (não confundir com frequência de ressonância) depende da densidade modal ligada ao volume da sala e ao amortecimento modal relacionado a o tempo de reverberação (KLEINER, 2014).
A equação 56 demonstra esta equação:
f s= 2000 r T60 V (56) Onde fs- frequência de Schroeder [Hz]; T60 - tempo de reverberação [s] V - volume [m3]
frequência sempre apresentará muito mais oscilações, sendo mais difícil identificar o que de fato é influência dos harmônicos. Nas baixas, no entanto, a identificação é muito mais simples. As ondas modais provindas de reflexões que ocorrem entre duas paredes paralelas são chamadas de axiais. Vale notar que estas não acontecem apenas em relação ao comprimento da sala, mas também à largura e altura da mesma, de forma que as reflexões totais são uma resultante entre todas essas interações. Por conta disso, a sala de audição não deve possuir dimensões iguais; nesse caso, os pontos de ressonância serão os mesmos em todas as direções, o que fará com que fiquem mais intensos. A frequência fundamental de ressonância do ambiente em um determinado sentido pode ser calculada segundo a fórmula:
f =344, 4
2 ∗ d (57)
Sendo
f - frequência [Hz]
344,4- velocidade do som no ar [m/s] d- distância entre duas paredes [m]
Dada a fórmula, pode-se realizar o cálculo relativo à cada uma das dimensões do ambiente. Esta seria a frequência fundamental, ou seja, a primeira; os seus múltiplos são chamados de harmônicos e terão efeito similar. As tabelas 64 e 65 mostram como se dá estas frequências nas três dimensões.
Nesta análise não levamos em consideração as particularidades da sala, como janelas, portas, aberturas nas paredes, além da presença de elementos como tapetes, sofás, etc. Tal análise envolve cálculos matemáticos complexos, apenas possíveis com o auxílio de softwares e um estudo muito mais aprofundado especificamente nesse tema. Aqui analisou-se somente para saber quais os tipos de fenômenos que interferem na audição e, obviamente, nas medições. Sala de Home Theater - Largura 3,26 m, Profundidade 5,68 m e Altura 2,65 m. O volume desta sala é de 49,87 m3; utilizando o tempo de reverberação de 0.5s - comum em salas pequenas - tem-se a frequência de Schroeder de 202 Hz. Este número serve de guia para saber até que faixa encontra-se a maior parte dos problemas com as reflexões.
Na linha em vermelho na resposta, pode-se perceber um pequeno vale na região de 30Hz que coincide com a modal de ordem 1 relacionada com o comprimento da sala, esta no mesmo sentido de reprodução das caixas. E segue-se nas frequências seguintes, mas sem tanta
definição por haverem muitas modais interferindo na resposta.
Figura 64: Modais do Home Theater
Fonte: Adaptado de https://www.sonible.com/blog/room-modes/
Sala de Som - Largura 5,1 m, profundidade 8,5 m e altura 2,65 m. Como esta sala possui um volume maior, em torno de 114,88 m3, mantendo o tempo de reverberação igual a anterior, a frequência de Schroeder cai para 132 Hz. Não significa que não haverá interferência acima desse número, mas ele se torna-se menos prejudicial.
Note que, nesta sala, há duas frequências que se repetem no comprimento e largura, além de muitas se apresentarem numa faixa de frequência muito próxima umas das outras - 40 a 80 Hz, por exemplo. Isso faz com que os efeitos dos harmônicos sejam muito mais acentuados, como pode ser visto no gráfico com o vale que se apresenta nessa região.
Figura 65: Modais da Sala de Som
Fonte: Adaptado de https://www.sonible.com/blog/room-modes/
O conjunto das modais presentes nas salas podem interferir de maneira construtiva ou destrutiva no resultado sonoro das caixas, dependendo da forma como as reflexões interagem entre si. Estes resultados dependem de outras análises como posicionamento da fonte e ouvinte, por exemplo, de forma que não são conclusivos por hora, carecendo de mais estudos e novas medições. Todavia, é possível observar a importância dos cuidados com o ambiente em que as caixas serão reproduzidas. Se faz necessário levantar estas discussões e considerar a elaboração de locais adequados para a audição crítica, assim fornecendo melhores informações para aqueles que buscam compreender estes assuntos. O ambiente de reprodução sonora, assim como todos os elementos abordados nesse trabalho, também faz parte de um sistema acústico.
8 CONCLUSÕES
Com o intuito de reunir conhecimentos necessários para se construir caixas acústicas artesanais e obter um conhecimento mais aprofundado e esclarecido sobre as questões envolvidas, percebeu-se o quão amplo e complexo este assunto pode se tornar para quem não possui nenhuma referência ou embasamento prévio. Em cada uma das parcelas abordadas há uma série de particularidades que podem render densas explicações técnicas, todas com a devida influência no resultado final que será atingido. Ao se escolher a tratativa de sintetizar e simplificar temas amplamente explorados em uma abordagem muito mais teórica e robusta por outros autores, possibilitou-se focar na prática e aplicar os conhecimentos adquiridos de forma muito mais palpável. Perceber a influência direta de fenômenos físicos no resultado faz com que a perspectiva sobre a capacidade de controle destes pontos mude completamente.
É interessante perceber que, por maior que seja o desenvolvimento tecnológico que presenciamos todos os dias, temos, no campo da qualidade sonora, contato direto com a expressão da natureza de forma muito mais primitiva. Todos os pontos de estudo são questões físicas muito fundamentais, de forma que seguir a risca o que se sabe como situação ideal será, certamente, positivo para o projeto. Atualmente, o mercado para o público geral busca questões como conveniência, preço, praticidade, etc. para oferecer em seus produtos. No entanto, nenhuma das questões relacionadas à audição crítica é conveniente, prática, não robusta ou barata; tudo é, da forma mais pura, diretamente relacionado com a física.
Comprovar a teoria estudada diretamente na prática permitiu plena expansão de consciência no que diz respeito ao que, de fato, se percebe como qualidade sonora. A separação e clareza na execução dos elementos, variação dinâmica na resposta - que faz o som soar muito mais natural, balanço entre diferentes faixas de frequência, além da presença de detalhes nunca antes percebidos faz com que a experiência auditiva se torne algo quase meditativo; algo completamente diferente do que se experencia todos os dias.
Existe um grande entusiasmo no meio DIY relacionado ao áudio e este apanhado técnico será de grande ajuda para aqueles que desejam a partir do zero modelar sua
própria caixa. O mesmo terá em mente as dificuldades encontradas no processo construtivo relacionados ao espaço de construção e ferramentas necessárias para sua realização. O processo se revelou muito animador para se divulgar em semanas acadêmicas e outros eventos para abrir o mercado que se mantém restrito em poucos grupos e expandir os estudos em outras frentes.
Como sugestão de trabalhos futuros estariam o estudo de salas acústcas domésticas e como elas poderiam ser projetadas junto a arquitetos para se ter uma sala acústica residencial agradável. A aplicação de atenuadores para fazer o balanço da sensibilidade entre duas ou mais vias. Desenvolvimento de crossover ativos e como próximo passo desenvolver amplificadores específicos para cada projeto de forma a embarcar este na composição final da caixa
REFERÊNCIAS
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