O som e suas propriedades

Este capítulo é parte do curso “Como Projetar Caixas de Som”. clique aqui para ver o curso completo

Como aprendemos na escola, o som é uma onda, vibração, que se propaga somente por meios materiais, por exemplo madeira, aço, água e também pelo ar. Sua velocidade de propagação no ar é de aproximadamente 340 metros por segundo na temperatura de 20ºC. Isto é, 1220Km/h! Isso se dá através de ondas de pressão e descompressão que se dispersam pelo ambiente a partir da fonte, crescendo em formato de esfera. Analogamente a representação em duas dimensões seria como uma onda se propagando na superfície da água, visto de cima.

Dependendo das propriedades da onda e dos objetos que ele encontrar pelo caminho, o som pode ser refletido, desviado ou absorvido. Você pode inclusive fazer estas experiências na água, colocando alguns objetos no caminho das ondas e observando como elas se comportam. Estas propriedades básicas deverão ser levadas em conta no projeto de qualquer instrumento musical, e isto inclui nossas caixa acústicas. Tudo isso faz do som uma matéria complexa e que apresenta uma gama muito grande de variantes. Tome como exemplo a musica. Nunca soa igual em cada canto deste mundo. Nos causa sensações diferentes dependendo do instrumento que ouvimos, ambiente em que estamos, etc. Podemos logo perceber que cada instrumento tem seu som característico, sua intensidade e tom.

Intensidade, timbre, freqüência, freqüência audível

Quando analisamos uma onda sonora captada por um microfone por exemplo, é mais ou menos como na figura abaixo que a vemos:

Forma de onda senoidal

No sentido horizontal do pequeno gráfico, corre o tempo, a medida que o tempo passa podemos ver no sentido vertical como varia a intensidade do som. Ainda nesta figura existe uma segunda informação sobre esta onda. É o seu formato. A forma da onda define o timbre do som que estamos ouvindo. Por exemplo, o formato da onda acima poderia ser o som de um diapasão, que gera ondas de formato senoidal. Seriam muito diferentes os formatos de ondas do som de um saxofone ou de um violino, ou até da voz de pessoas diferentes.

A amplitude define a intensidade do som, o período, que é o tempo que dura uma oscilação, define e freqüência (Freq = 1/período), que por sua vez define as notas musicais e a diferenciação grave-agudo.

Variações nestes parâmetros: timbre, intensidade, freqüência  tornam possíveis toda a gama de sons que ouvimos no dia-a -dia. Vamos tomar como exemplo a música clássica. Sabemos claramente a diferença entre os sons de uma harpa e de um violino, mesmo que estejam tocando a mesma nota na mesma intensidade. Isto porque o timbre dos dois é bastante distinto.

de forma ilustrativa, formas de onda (timbre) entre violino e uma harpa

Quanto a intensidade, tem relação com quão forte ouvimos um som. Cabe aqui uma atenção especial. O correto entendimento de como percebemos variações de intensidade é de muito importância para nós.

A unidade de medida de intensidade sonora é o decibel, ou seja 1/10 do Bel. Esta unidade foi criada para se tratar diferenças entre grandezas como voltagem, corrente, potência etc. A razão principal para a criação desta unidade foi que por se tratar de uma escala logarítmica, pode-se comparar e trabalhar intensidades de sinal muito pequenas com outras muito grandes. Como se não bastasse, nossa audição também reage a estímulos de forma logarítmica, de modo que o decibel torna-se uma unidade que se casa perfeitamente com nossa necessidade.

nossa audição reage a estímulos de forma logarítmica

É fácil entender porque percebemos sons em escala logarítmica. Veja na figura acima que se a escala fosse linear (vermelha), teríamos muita dificuldades de ouvir sons fracos, como um sussurro, mas se alguém estourasse uma bombinha perto de nós, pensaríamos que se tratava do fim do mundo. Já a escala logarítmica (azul), devido a sua acentuada curvatura no início da escala, permite que sons muito fracos sejam percebidos e sons quando cada vez mais fortes, vão sendo comprimidos em um limite superior da escala. Por este motivo, as vezes não acreditamos que um som está alto demais, a partir de certo ponto não percebemos tão bem as diferenças de amplitude.

O decibel é definido como uma razão logarítmica:

dB = 10 x log(P1/P0)

Onde P0 é uma potência de referência e P1 é a nova potência. Por exemplo, a diferença em dB que consigo quando injeto 100W em uma caixa que antes tocava com 50W é:

10 x log(100/50) = 10 x log(2) = 3dB

logo, se antes a caixa tocava 110dB a 50W, agora toca 113dB a 100W

na prática, quando se dobra a potência o nível em dB cresce tres unidades.

A menor variação de intensidade sonora que podemos detectar é 1dB, mas na prática, devido a diferenças fisiológicas entre as pessoas, a média corresponde a 3dB.

A intensidade sonora ou SPL, do inglês “Sound Pressure Level”,  também varia com a distância, por isso sempre que especificar uma caixa ou alto-falante, deve-se dizer a que distância o som foi medido, para que sirva como comparação válida.

A fórmula é parecida com a anterior. Para avaliar o SPL em função da distância, troca-se a potências pelas distâncias de referência (d0) e nova distância (d1):

dB = 20 x log(d1/d0)

Você perceberá que na prática o SPL cai seis unidades a medida que se dobra a distância de audição

Níveis de pressão sonora de alguns sons:

Ouvir música em volumes muito altos acaba provocando desconforto e cansaço mesmo que antes dos 100dB. O volume ideal para se ouvir música de forma prolongada e sem que provoque desconforto ou dores de cabeça é em torno de 65dB.

Outro ponto importante que não pode passar batido é com relação à gama de freqüências que podemos ouvir. O ser humano jovem consegue ouvir sons entre 20Hz e 20000Hz. Se forem tocados uma série de sons de 20Hz a 20KHz, todos de mesma intensidade e timbre, vamos perceber que certas faixas ouvimos melhor do que outras. Por exemplo, ouvimos muito bem os tons compreendidos entre 200 e 9000Hz, coincidentemente(?!), a voz humana encontra-se dentro desta faixa.

É muito importante ter conhecimento da faixa de freqüência que queremos reproduzir com uma caixa. Nosso desafio aqui será principalmente com as baixas freqüências. Você poderá ter mais noção disto observando uma curva de resposta de uma caixa acústica:

ploter de resposta de frequencia caixa de som

Este gráfico trata da resposta de freqüência de uma caixa tipo monitor de estúdio de gravação. É nela que os músicos conferem o resultado do que acabaram de gravar, portanto, ela deve atender certos requisitos de qualidade. O primeiro deles é quanto a resposta de freqüências, mais especificamente a planicidade da resposta.  É a faixa de freqüências que a caixa consegue tocar com qualidade. Para se levantar dados para esta curva, faz-se com que um aparelho gerador de sinais de referência, produza uma varredura de freqüências de intensidade constante, que começa antes de 20Hz e vai até depois de 20KHz . Com um microfone capta-se o som da caixa e a intensidade é registrada para cada freqüência.

Repare que a curva torna-se plana a partir de 100Hz (apesar das pequenas irregularidades, considera-se plana) e permanece assim até 20KHz. Esta planicidade é importante pois garante que todos os sons compreendidos dentro desta faixa serão reproduzidos na mesma proporção com que foram gravados. Note que abaixo de 100Hz, a intensidade dos sons da caixa cai quase que linearmente. Isto é perfeitamente normal, depende do conjunto falante-caixa. Como é padrão considerar uma tolerância de +/-3dB, pode-se dizer que esta caixa toca de 70Hz a 20KHz a +/-3db. Este rendimento corresponde a quase todas as caixas de conjunto mini-system do mercado.  Porém estas possuem outras características de menor qualidade que um monitor de estúdio.

Sejamos francos, qualquer alto falante, em qualquer caixa, vai gerar som quando for ligado a um aparelho apropriado. De fato tocará música e provavelmente entenderíamos todas as palavras que o cantor dissesse. Então você deve estar se perguntando: Para que então tanta ladainha? vamos logo construir esta caixa!

Calma que eu explico:

Um alto falante trata-se de um aparelho que retém em si conceitos de engenharia e conhecimentos muito avançados. Um projeto de um alto falante, pode demandar de meses a anos de trabalho, dependendo do grau tecnológico da empresa. Durante este período são estudadas as maneiras para que este componente de mecânica fina reproduza o mais fielmente possível a peça musical tal como ela fora executada no ato da gravação. Deve-se considerar ainda que o principal ator neste processo é o ar e que este altera drasticamente suas propriedades de acordo com a temperatura, pressão, umidade etc. Imagine o esforço dos engenheiros em imaginar um modo de driblar estas variáveis para que o resultado final seja aproximadamente o mesmo independente das condições do ambiente. Durante sua produção, todo o processo é controlado nos mínimos detalhes para que cada peça fabricada seja igual a seguinte, com exatidão de até tres casas decimais. Sendo assim não podemos pegar um alto falante novinho e instala-lo em qualquer caixa, provavelmente estaríamos jogando por água abaixo todo o trabalho daquelas pessoas. O fabricante não está  “nem aí” porque o preço salgado que você pagou pelo falante acaba garantindo o salário deles. Mas o pior nesta história é que você acaba comprando um ótimo produto, mas por colocar em uma caixa não adequada, este acaba por não render como você esperava e a sensação é de que é você que está jogando fora o dinheiro. Pergunte para quem trabalha com campeonatos de intensidade sonora, qual a importância de cálculos precisos. Verá a preocupação que eles tem em extrair o máximo dos alto falantes, o que nem sempre se resume a colocar mais potência, mas sim um projeto de caixa mais preciso.

Se a preocupação for com qualidade de reprodução, aí você realmente terá que executar um trabalho que com certeza deixaria os engenheiros muito felizes. Isto porque estes veriam seu alto falante realizando exatamente o trabalho para o qual fora projetado, que é de tocar com qualidade e planicidade em toda sua faixa de trabalho. E fatalmente isto só é conseguido por poucas caixas (para não falar uma caixa)  dentro de uma infinidade de modelos em que você poderia colocar o seu falante.

Por estas e outras que o leitor compreenderá de agora para frente a importância dos cálculos das caixas acústicas, porque como o próprio título diz, queremos aqui aprender a construir caixas de qualidade superior!