Análise Detalhada do Alto-Falante de Banda Larga
Por que falar sobre unidades de alto-falante? Simples, porque o som que você ouve vem delas. Não importa quão impressionante seja a caixa acústica (ou se nenhuma é usada), ou quão perfeito seja o divisor de frequência, sem uma boa unidade, tudo é inútil. Portanto, a unidade é crucial, e isso é indiscutível.
Então, uma unidade de médios, que não alcança os agudos nem os graves, qual é a sua importância? Mas muitas pessoas dizem que os médios são a faixa de frequência mais importante para a reprodução sonora, e eu concordo plenamente. Se você já foi tão entediado quanto eu, tentando ouvir Tsai Chin cantar usando apenas uma unidade de tweeter, ou ouvindo um concerto para violino de Paganini com apenas uma unidade de graves, você apreciaria profundamente a utilidade de uma unidade de médios. Acredito que você também concordaria que, se forçado a usar apenas uma unidade para ouvir música, você escolheria algo que pareça uma unidade de médios. A razão é simples: você sabe (ou suspeita) que ela reproduzirá as frequências médias, que é onde se concentra a audição humana na Terra e onde reside o corpo principal da música.
Projeto da Unidade de Médios
O conceito do tweeter "dedo único" mencionado anteriormente pode ser estendido à faixa de médios, pois qualquer unidade emissora pode ser desconstruída em diafragma emissor, suspensão do diafragma e sistema de acionamento. No entanto, devido às diferentes faixas de trabalho, esses elementos evoluíram ao longo dos anos para tamanhos dentro de uma faixa específica. Ainda assim, sua forma e materiais apresentam mais variações, especialmente no material do diafragma, que tem sido extremamente diversificado nos últimos anos. Vamos examinar um por um:
Membrana de Cone de Papel
Este é provavelmente o material mais antigo. Simplificando, uma suspensão de polpa de papel é derramada em uma matriz de rede pré-projetada em forma de cone; a polpa deposita-se nela, e quando atinge a espessura adequada, é removida e submetida a processos posteriores como secagem, tornando-se uma membrana de cone de papel. A composição da polpa, como o tipo e comprimento das fibras, os componentes de enchimento, o processo de fabricação do papel e os tratamentos posteriores (como secagem ao ar ou prensagem a quente) afetam as características do produto final e, consequentemente, as características sonoras. Estes são, naturalmente, segredos comerciais (Nota 1)….
(Nota 1: Há muitos anos, li um artigo escrito pelo Sr. Hong Huaigong explicando a fabricação de cones de papel. Além de me maravilhar com a vasta ciência envolvida, fiquei profundamente impressionado com o espírito de pesquisa do Sr. Hong. Minhas poucas palavras aqui não podem transmitir a essência acumulada ao longo de anos de esforço e suor de pioneiros.)
Geralmente, as características sonoras dos cones de papel são suaves, naturais, vivas, claras e sem neuroses. Como contêm inúmeras fibras entrelaçadas, a energia transmitida através delas é rapidamente absorvida, proporcionando um bom amortecimento. Assim, a ressonância de divisão do cone na extremidade superior da faixa de reprodução não é proeminente, e o roll-off na banda de corte é suave. Esta é uma excelente característica, pois permite o uso de divisores de frequência simples, sem corte adicional, resultando em uma integração de sistema saudável. Além disso, os cones de papel têm boa rigidez, proporcionando excelente resposta transiente e detalhes na percepção auditiva. Não se engane pela maciez do papel comum; com forma e espessura adequadas, a rigidez do papel pode ser muito boa. Além disso, se bem projetados e fabricados, os cones de papel podem ser muito leves, mais de 15% mais leves que as membranas plásticas mais leves. Embora sejam um pouco mais pesados que os materiais sintéticos de fibra de alta tecnologia mais recentes, a diferença não é grande, resultando em alta eficiência. A série PR170 de 6,5 polegadas de médios com cone de papel da Audax, por exemplo, tem uma eficiência de 100dB/W. Uma possível fraqueza do cone de papel é que suas características podem variar com a umidade ambiental. O papel, ao absorver umidade, aumenta sua densidade (fica mais pesado) e reduz sua rigidez (fica mais macio), afetando assim as características sonoras. Se essa mudança é boa ou ruim é difícil de dizer; membros do clube Lowther no Reino Unido afirmam que seus alto-falantes Lowther soam particularmente bem em dias chuvosos.
Uma preocupação maior é que muitos ciclos de secagem e umidade podem causar fadiga no material, alterando suas características originais. Mas muitos drivers de cone de papel antigos ainda funcionam bem após décadas, então essa mudança deve ser leve e gradual, como uma maturação para outro estado estável, o que não deve ser um problema para os usuários.
Muitas unidades de cone de papel produzidas recentemente incorporam várias melhorias para aumentar a estabilidade. Métodos comuns incluem revestimento superficial ou modificações na fórmula do papel; alguns fabricantes afirmam que seus cones são à prova d'água, e os alto-falantes PA para uso externo sugerem confiabilidade considerável. Claro, como mencionado antes, para nós, leigos, é difícil avaliar profundamente essas questões. Além disso, não confunda a longa história do cone de papel com "obsoleto". Do ponto de vista da indústria de áudio, os drivers de cone de papel constituem a maior parte de todas as unidades. Basta olhar para sua TV, rádio portátil, sistema de som de cabeceira, computador… a maioria não usa pequenos alto-falantes com unidades de cone de papel? Você pode dizer: "Ei, isso não se compara ao meu alto-falante High-End de alta tecnologia!" Mas, por outro lado, se esses "produtos inferiores" usassem unidades não de papel, soariam pior e seriam mais caros. Isso ocorre porque o material do cone de papel é altamente maduro, oferecendo uma excelente relação custo-benefício. Além disso, muitos alto-falantes lendários que resistiram ao teste do tempo e novos campeões de produção de elite usam cones de papel: WE/ALTEC 755A de banda completa, Goodman Axiom 80 de banda completa, Altec A5/A7, AR 3a, Lowther de banda completa, TAD… e muitos outros. Entusiastas experientes são diretos: "Dê-me cone de papel, e nada mais!" Muitos também consideram a fabricação de cones de papel mais uma arte do que uma ciência, evidenciando seu charme cativante.
Membrana Plástica
Com o desenvolvimento da indústria petroquímica, os plásticos são onipresentes em nossa vida diária. Matéria-prima barata e processos de fabricação convenientes naturalmente atraem várias indústrias, incluindo a de áudio.
Aqui, membrana plástica refere-se a cones moldados por injeção ou outros métodos, sendo o material mais comum o polipropileno (PP). Estamos mais familiarizados com recipientes para micro-ondas e potes de armazenamento feitos de PP por injeção. Além disso, as fitas de reforço amarelas ou cinzas usadas em caixas de papelão também são feitas de fibras de polipropileno. Isso nos mostra que este material é extremamente resistente. A maioria dos polímeros tem alta tenacidade devido à sua estrutura molecular grande e irregular, absorvendo e dissipando rapidamente a energia mecânica, proporcionando bom amortecimento. Essa vantagem, semelhante ao cone de papel, resulta em um roll-off suave na extremidade superior, proporcionando uma reprodução suave e natural e permitindo o uso de divisores de frequência de baixa ordem e simples. Podemos sentir essas boas qualidades em muitos alto-falantes compactos de duas vias europeus; a unidade de médios/graves SCAN de 6,5 polegadas com membrana PP transparente usada pela ProAc é um excelente exemplo.
No entanto, comparado a outros materiais de membrana, o PP tem rigidez moderada e massa relativamente alta. Embora um pote de armazenamento machuque se atingir sua cabeça, isso não significa que ele tenha boa rigidez em movimentos microscópicos de alta velocidade e pequena amplitude – condições que importam para membranas de unidades.
A rigidez relativamente fraca do PP faz com que, durante movimentos rápidos de micro amplitude (trabalho em altas frequências), a energia cinética da bobina móvel não seja transmitida de forma completa e consistente por toda a membrana, ocorrendo o "fenômeno de divisão do cone". Embora o bom amortecimento suprima a ressonância de divisão do cone, o movimento pistônico perfeito é impossível, aumentando a distorção. Subjetivamente, isso resulta em suavidade excessiva, mas falta de resolução e dinâmica. Alguns alto-falantes de duas vias baseados em unidades de médios/graves com membrana PP de 8 polegadas podem apresentar resposta lenta e pesada na região dos médios aos médios-agudos. Escolher unidades de menor diâmetro, sem ser muito ambicioso nos graves, pode aliviar esse problema. Piorando a situação, a espessura necessária para rigidez suficiente em grandes áreas aumenta a massa total. Assim, você não encontrará alto-falantes de alta eficiência usando unidades com membrana PP.
Ao contrário do cone de papel, o PP não tem problemas de absorção de umidade, mas suas características podem mudar com a temperatura. Felizmente, isso não deve nos incomodar, pois, como a umidade para o cone de papel, essa mudança é lenta e gradual – não se preocupe!
Em resumo, o PP pode não parecer ideal para membranas devido à sua rigidez moderada e massa mais alta, mas trata-se de escolher o melhor compromisso. Como a unidade Scan mencionada, apesar de usar membrana PP criticada por mim, ainda pode ser um produto de sucesso com excelente desempenho geral.
Alternativamente, uma abordagem mais ativa é modificar o material, misturando aditivos à base de PP para aumentar sua rigidez. Isso traz melhorias significativas, resultando em unidades com melhor dinâmica, menor distorção, maior detalhamento e melhor eficiência. Dynaudio e Infinity/Genesis usam unidades com esse tratamento; embora os aditivos e métodos variem, os resultados são visíveis.
Além disso, como matérias-primas petroquímicas e moldagem por injeção são convenientes, novos materiais além do PP foram desenvolvidos, como Bextrene, TPX ou Neoflex. Suas composições químicas são desconhecidas, mas parecem com PP. Sua maior rigidez e menor massa proporcionam melhor dinâmica e resolução. Você pode ver esses materiais em folhetos de vários fabricantes – vale a pena verificar.
Membrana Metálica
Se a baixa rigidez causa perda de dinâmica e resolução, usar materiais metálicos de alta rigidez para membranas deve trazer bons resultados. Excluindo drivers de compressão para tweeters de horn, os metais mais comuns para unidades de médios/graves de radiação direta são alumínio e suas ligas. A maior vantagem é a alta rigidez, que evita deformações dentro de certas condições operacionais, resultando em baixa distorção e excelente resolução de detalhes. No entanto, alta rigidez implica baixa perda interna (damping), como no tweeter "dedo único" mencionado anteriormente: a energia não é absorvida pelo material da membrana, então a ressonância de divisão do cone produz picos de ressonância pronunciados na extremidade superior da resposta de frequência. Se não tratado adequadamente, pode facilmente resultar em "som metálico".
O tratamento adequado começa com o projeto do divisor de frequência, suprimindo esse pico de ressonância – posicionando-o na banda de corte do filtro ou além, evitando que sinais que excitem a ressonância de alta frequência cheguem à unidade. Assim, o pico é "escondido" pelo divisor, eliminando o som metálico. Para isso, geralmente é necessário usar uma inclinação de corte de pelo menos segunda ordem para filtrar efetivamente; a primeira ordem é muito suave. Mover o ponto de cruzamento para baixo sacrifica a largura de banda utilizável, o que não é ideal. Portanto, cruzamento de alta ordem e seleção cuidadosa do ponto de cruzamento são essenciais para unidades com membrana metálica.
Alternativamente, ao invés de evitar passivamente, pode-se melhorar ativamente a desvantagem aumentando o amortecimento da membrana: estruturas sanduíche e revestimentos de amortecimento são boas opções. Há cada vez mais produtos desse tipo no mercado, incluindo exemplos muito bem-sucedidos, como a Elac apresentada na edição anterior de "Estudo Aprofundado", ou a suíça Ensemble, com som e preço igualmente nobres.
Além da difícil ressonância de alta frequência, o peso da membrana é outro fator desfavorável. Devido ao custo, unidades de médios com titânio são inexistentes. Assim, embora unidades de médios/graves com cone metálico apresentem dinâmica impressionante sob acionamento forte, sua eficiência geral ainda é relativamente baixa, geralmente exigindo amplificadores mais potentes.
Materiais de Fibra Sintética
Historicamente, os materiais mais avançados parecem ser usados primeiro em armas, uma triste realidade da natureza belicosa humana. Se usados em áudio para apreciar música, trariam harmonia! Anos após a aplicação bem-sucedida de fibra de boro-carbono e estruturas sanduíche tipo favo de mel em caças, esses materiais chegaram ao áudio.
Sendo materiais de grau aeroespacial, combinam as duplas vantagens de leveza e alta resistência. Podem ser mais leves que papel e mais rígidos que metal, com resistência excedendo não só o alumínio, mas até o aço (Nota 2) – ideais para membranas de unidades de alto-falante! Fabricantes de unidades com Kevlar ou fibra de carbono destacam vigorosamente alta rigidez, baixa massa e alto amortecimento. As duas primeiras vantagens são reais, mas o amortecimento intrínseco depende das condições e não é necessariamente melhor.
(Nota 2: Isto refere-se aos melhores resultados alcançáveis com outros métodos de formação, não que uma fina membrana de unidade possa ser mais dura que seu facão de cozinha – pelo menos ainda não.)
Sem tratamento adequado, essas fibras artificiais de alta rigidez enfrentam problemas semelhantes aos cones metálicos: ressonância de divisão do cone em altas frequências. Embora menos severa que em membranas metálicas, essa ressonância existe e pode facilmente se tornar perturbadora. Sem tratamento, a reprodução pode soar dura na região superior dos médios e inferior dos agudos, podendo tornar-se estridente. Li uma crítica anos atrás onde o editor expressou sérias ressalvas sobre o desempenho de médios com Kevlar.
Com tratamento de amortecimento aprimorado (como estruturas sanduíche ou revestimentos) e divisão de frequência adequada, essas unidades podem exibir excelente resolução de detalhes, resposta transiente precisa, dinâmica macro e micro excepcionais, tudo isso com pouca potência. O Focal Audiom 7K, usando membrana sanduíche de Kevlar/espuma polimérica com revestimento de látex, atinge 98dB/W. Embora ligeiramente inferior aos 100 dB/W do cone de papel da Audax, seu desempenho é notável (Nota 3).
(Nota 3: Comparando os dados, o ímã do Focal Audiom 7K é maior (1132g vs. 880g) e a massa móvel é menor (7.3g vs. 9.1g), mas sua eficiência ainda é menor que a da Audax "menos potente". Isso mostra que outros fatores, como conformidade da suspensão, projeto do sistema magnético, bobina móvel, forma da membrana etc., envolvem muito conhecimento e compromissos.)
Além das comuns Carbon e Kevlar Fiber, uma membrana de fibra sintética especial foi lançada há alguns anos – HAD (High Definition Aerogel), pela Audax. Feita de gel de polímero acrílico e várias fibras sintéticas (incluindo carbono e Kevlar) (Nota 4), apresenta características excepcionais: resposta transiente muito boa em medições, distorção extremamente baixa e roll-off suave de alta frequência, sem picos de ressonância. As unidades atuais têm eficiência inferior a cones de papel ou Kevlar, provavelmente devido a escolhas de projeto do sistema magnético. Mas seu desempenho em outras áreas é impressionante. O Allure de três vias da SWANS, projetado pelo renomado Martin Colloms da Stereophile, usa essa unidade. Minha breve experiência auditiva revelou um som descontraído e natural como um bom cone de papel, com resolução e dinâmica mais modernas, sem características indesejadas – um projeto de unidade muito bem-sucedido (a integração do sistema também merece crédito).
(Nota 4: O processo de mistura gel-fibra é único. Do início ao fim, o volume do gel encolhe para um décimo. Mais notável: durante o processo, as longas cadeias moleculares poliméricas crescem ao longo das fibras pré-adicionadas, permitindo controle da direção de alinhamento molecular. Daí vêm a excelente rigidez e amortecimento intrínseco.)
Outros Materiais
Além das quatro categorias principais, muitos outros materiais leves e fortes podem ser usados para membranas de alto-falante: fibra de vidro, celulose, fibra de grafite, baquelite, fibra de seda, espuma de poliestireno, várias espumas plásticas, cerâmica sinterizada a vácuo… Muitos são promissores, alguns adequados para tweeters, outros para médios, graves ou todos. Até ouvi falar de uma pesquisa no Japão usando um molde e um fungo especial para "crescer" um cone! Dizem que sua reprodução natural supera qualquer material. No entanto, acredito que tal obra-prima seja difícil de produzir em massa devido ao alto custo (tempo).
(Aviso: Muitas membranas são projetadas para disfarçar seu material real ou imitar outro. Isso beira a falsificação. Como consumidores, devemos ter cuidado.)
Sistema de Circuito Magnético
Após explorar diversas membranas, examinemos o sistema de circuito magnético. O Sr. Chen Yunshuang já abordou materiais magnéticos em edições anteriores, então focaremos no projeto geral do sistema. Estritamente falando, o sistema magnético inclui a bobina móvel, não apenas o ímã e a estrutura do polo, pois funcionam juntos e devem ser considerados conjuntamente no projeto. Simplificando, o movimento do cone é impulsionado pela bobina móvel, cujo movimento resulta da interação entre seu campo magnético variável (devido à corrente) e o campo fixo do ímã/polos – princípio bem conhecido. O projeto da bobina móvel, a largura e comprimento do entreferro são pontos cruciais.
Projeto da Bobina Móvel
A bobina móvel é um enrolamento de fio esmaltado colado firmemente em um suporte (former). Os materiais do fio incluem cobre, alumínio, prata ou outras ligas; sua seção transversal geralmente é retangular ou hexagonal para máxima densidade de enrolamento. Mais voltas significam maior força magnética, melhor força motriz, maior coeficiente de aceleração do cone, resultando em alta eficiência e grande dinâmica. Para bobinas de fio plano com seção 1:5 (largura:altura), enroladas com o lado curto contra o former, o coeficiente de aceleração pode ser 30% maior que bobinas de fio redondo.
(Nota 5: Comprimento da bobina refere-se à dimensão axial do enrolamento completo, não ao comprimento desenrolado do fio.)
A pressão total do enrolamento sobre o former é enorme. Experimente: enrole um fio (linha de costura, náilon ou fio dental) com força em seu dedo por dez voltas. Em segundos, você sentirá a necessidade de soltá-lo! Algumas bobinas móveis exercem pressão total de toneladas sobre o former. Portanto, o former deve ser extremamente robusto e resistente ao calor gerado pela bobina. Geralmente é feito de alumínio (liga), Kapton ou outros materiais leves, fortes e termorresistentes. Fabricantes exigentes submetem o conjunto bobina/former a múltiplos tratamentos térmicos para maior estabilidade.
Jim Hunter, da Klipsch, mencionou em entrevista à "Speaker Builder" que receberam alto-falantes para reparo onde o driver de tweeter de horn havia se soltado da garganta plástica derretida do horn, indicando calor extremo, mas a bobina móvel ainda estava intacta!
O dimensionamento da bobina móvel envolve dilemas. Buscar força motriz para alta eficiência e grande dinâmica sugere bobinas grandes e longas, mas isso aumenta massa e indutância, prejudicando resposta transiente e de alta frequência. Uma bobina longa significa que apenas parte dela está no entreferro, reduzindo o controle do campo magnético sobre ela e aumentando a distorção por modulação do campo. Bobinas muito pequenas são leves, mas fracas, limitando eficiência, controle e potência suportada. Portanto, o tamanho da bobina deve ser um compromisso ótimo com área da membrana, forma e força magnética.
Ímã e Estrutura do Sistema Magnético
Tradicionalmente, os ímãs em unidades de alto-falante são polarizados axialmente (pólos paralelos ao eixo central do ímã cilíndrico). Materiais magnéticos condutores (pole pieces) guiam as linhas de campo para o entreferro, completando o circuito. A bobina móvel requer campo magnético radial no entreferro (direção paralela ao raio, convergente ou divergente). A intensidade do campo e densidade de fluxo no entreferro dependem do ímã.
A maioria usa ímãs de cerâmica de ferrite (óxido de ferro) devido à boa estabilidade térmica, alta resistência à desmagnetização, boa resistência mecânica e corrosiva, e baixo custo. A desvantagem é o grande tamanho e peso necessários para alta força magnética, resultando em estruturas magnéticas enormes para alta eficiência.
Em tweeters ou drivers de horn, o diâmetro do ímã excede o da membrana. Algumas unidades de médios de 6 a 7 polegadas têm ímãs com diâmetro comparável ao da membrana. Até drivers profissionais de médios/graves de 10 a 12 polegadas podem ter ímãs tão grandes quanto a membrana!
Alta força magnética é desejável para eficiência, dinâmica e controle. Mas grandes ímãs, além de impressionantes, podem prejudicar a propagação sonora. Um ímã grande bloqueia diretamente a parte traseira da membrana, forçando a onda sonora posterior a sair pelas laterais, com parte refletindo de volta. Se a unidade estiver fixada em um painel espesso, o problema piora, pois a distância entre membrana e ímã pode ser semelhante à espessura do painel. Sem tratamento adicional, a onda traseira "esguicha" por uma estreita fresta, criando forte reflexão de curta distância e variações severas de pressão atrás da membrana, prejudicando gravemente resposta de frequência e distorção.
Portanto, unidades com estruturas magnéticas muito grandes exigem tratamento interno do painel, esculpindo canais para guiar a onda traseira, como feito nos alto-falantes Thiel. Ou usar painéis metálicos finos e fortes para evitar o problema.
O projeto do quadro (basket) enfrenta desafios semelhantes. Quadros estampados em aço antigos têm suportes largos; se próximos ao cone, aumentam reflexões e coloração sonora. Quadros fundidos em alumínio modernos permitem formas mais ideais, combinando resistência, estética e baixa coloração.
Alternativamente, usar ímãs pequenos de alta força (como Neodymium) permite melhor expansão da onda traseira. Há cerca de cinco anos, a Vendersteen (Nota 6) usou uma unidade de médios personalizada pela Vifa com pequenos ímãs de Neodymium em seu alto-falante de três vias. No topo de linha Bishop da Wilson Benesch, usando design isobárico grave especial com ímãs voltados para fora, além dos novos ímãs de Neodymium (NeFeB) fortes e compactos, os pole pieces são arredondados e aerodinâmicos, e o quadro tem área frontal mínima com alta resistência, resolvendo elegantemente o problema. A lendária unidade full-range Lowther, apesar de décadas de existência, também aborda esse problema com cuidado. Embora seu ímã seja grande, sua forma é aerodinâmica, liberando espaço atrás do cone, e os suportes do quadro são estreitos, minimizando obstrução à onda traseira.
Além disso, a interação entre a bobina móvel no entreferro e o sistema magnético afeta o desempenho. Estritamente, bobina e sistema magnético empurram/puxam um ao outro; o sistema magnético parece acionar a bobina porque está fixo.
(Nota 6: A filosofia de design da Vendersteen é sólida: custos focados no essencial, embalagem simples, som equilibrado e musical. Parceiro ideal para amantes da música. Infelizmente, seu formato menos atraente não conquistou distribuidores e consumidores locais.)
Reconhecendo isso, surgem problemas: 1) O campo da bobina pode desmagnetizar parcialmente o ímã. O ímã deve resistir para manter dinâmica, força motriz e eficiência. A resistência à desmagnetização afeta as características sonoras; o charme dos médios/agudos em alto-falantes com ímãs Alnico pode estar relacionado. 2) O campo da bobina perturba o campo constante no entreferro, causando distorção. Isso pode ser mitigado com pole pieces banhados a cobre ou anéis de curto-circuito de cobre, que reduzem a modulação do campo e a distorção significativamente, especialmente a distorção de intermodulação em médios/graves, onde grandes excursões graves e rápidos médios coexistem.
Dilemas do Sistema Magnético vs. Inovação: Polarização Radial e Estrutura de Polos
Inicialmente, mencionei que os ímãs são tradicionalmente polarizados axialmente, mas a bobina precisa de campo radial. Por que não polarizar o ímã radialmente desde o início? Dificuldade e alto custo impediram isso até cerca de quatro ou cinco anos atrás.
Quais as desvantagens da estrutura axial tradicional? 1) Volume maior; 2) Dificuldade em obter entreferro profundo com alta densidade de fluxo. O problema do volume já foi discutido; vamos ao entreferro.
Em sistemas magnéticos tradicionais, o comprimento efetivo do entreferro é aproximadamente a espessura da peça polar superior (top plate) na borda do entreferro. Para alta densidade de fluxo com o mesmo ímã, pode-se reduzir a largura do entreferro, mas isso dificulta a montagem da bobina e aumenta custos; além disso, o fluxo magnético nas pole pieces não deve saturar, exigindo considerações sobre material e espessura.
Tentar um entreferro longo com bobina curta (para melhor linearidade de potência) inevitavelmente reduz a densidade de fluxo. Combinado com a bobina mais curta, a eficiência geral cai drasticamente. Embora essa configuração ofereça melhor linearidade de potência, alcançar alta eficiência simultaneamente exige superar muitos dilemas.
Exemplos como a série Altec 515 e TAD 160X, usando bobina curta e entreferro longo, alcançam excelente linearidade de potência e eficiência ultra-alta – uma conquista notável, um triunfo da engenharia.
Usando ímãs radialmente polarizados, sistemas com entreferro longo e alta densidade de fluxo tornam-se viáveis (ainda caros, mas com menos dilemas físicos). O comprimento do entreferro com densidade de fluxo constante pode ser várias vezes maior que em estruturas tradicionais, significando várias vezes mais excursão linear! A distorção em alto SPL é muito baixa. Ideal para reprodução grave, já existem produtos assim, como um subwoofer profissional de 18 polegadas (Nota 7), cujo SPL máximo linear é insuportável ao ouvido humano, com distorção ainda extremamente baixa!
(Nota 7: Aura Sound 1808 – atenção, não é a subdivisão da B&W, mas outra empresa.)
Infelizmente, ainda não há unidades de médios usando essa tecnologia. Embora os médios não exijam grande excursão, essa estrutura permite tamanho pequeno e força magnética alta – duas grandes vantagens para médios. Certamente existe em algum laboratório, e produtos devem surgir em breve.
Rumo ao Full-Range
Ei? Este artigo não era sobre unidades full-range? Por que falamos tanto sobre médios?
Desculpe! As complexidades do full-range exigem abordagem gradual. Começar pelos médios e estender para graves e agudos torna o conceito mais claro.
Uma unidade ideal (agudos, médios ou graves) deve ter:
1. Baixa distorção;
2. Boa linearidade de potência;
3. Alta eficiência;
4. Faixa de trabalho efetiva o mais ampla possível.
Levar o item 4 ao extremo resulta em uma unidade full-range.
Na próxima edição, discutirei como estender uma unidade de médios para full-range, enfrentando dilemas e soluções engenhosas de fabricantes. Aguarde!
Parece simples: basta uma unidade de médios reproduzir mais graves e agudos, certo? Alto-falantes de automóvel, computador, rádios portáteis, sistemas de cabeceira usam essas "unidades full-range" desconhecidas. Não parece grande coisa!
Não é tão simples. Você sabe quão ampla é a faixa que essas unidades reproduzem? Dados de medição são desnecessários; é fácil ouvir que reproduzir voz clara já é bom. Graves de bateria e pratos são apenas reconhecíveis; baixo e instrumentos agudos são frequentemente difusos. Órgão? Harmônicos de cordas? Reverberação de piano? Nem pensar!
O que constitui reprodução full-range adequada será discutido. Agora, vamos explorar os problemas e dilemas de projetar uma unidade para cobrir todo o espectro.
Problema de Extensão em Graves
Visualmente, unidades de médios e graves cônicas de tamanho similar (ex.: 6 ou 7 polegadas) são quase idênticas. Geralmente, unidades graves têm suspensões (surrounds) mais largas e macias para maior excursão, mas isso não é regra absoluta.
Então, é possível modificar uma unidade de médios de 6-7 polegadas para reproduzir graves? Se o objetivo é apenas emitir graves, independente de SPL e distorção, sim. A frequência de ressonância livre (fs) geralmente indica o limite inferior operacional aproximado.
Como reduzir essa frequência? Impedância acústica (Nota 1), massa móvel, força magnética e conformidade da suspensão são fatores-chave. A impedância acústica, relacionada à área radiante e frequência, pode ser considerada igual para unidades de mesmo tamanho na mesma faixa. Portanto, focaremos nos outros fatores.
Em baixas frequências, o movimento do diafragma é essencialmente lento. Pela física básica (F=ma), para uma força constante, a aceleração é inversamente proporcional à massa. Assim, unidades com maior massa móvel geralmente têm fs mais baixa. Comparando dados de unidades, essa relação geralmente se mantém. Subwoofers de 15"+ com fs abaixo de 25Hz frequentemente têm massa móvel acima de 100g.
A forma mais simples de baixar a fs é aumentar a massa do cone. Mas isso não é bom, pois reduz eficiência e extensão de agudos. Impasse. A alternativa é reduzir o amortecimento externo – existem dois tipos: mecânico e elétrico. Ambos atuam como freios no movimento do cone.
Uma analogia com suspensão automotiva: carros americanos antigos tinham suspensão macia (mola de baixa taxa e amortecedor complacente) para conforto, resultando em baixa frequência de ressonância do sistema (Nota 2), absorvendo bem solavancos (impulsos de média/alta frequência). Mas em ondulações longas (baixa frequência), como pontes, causam oscilações lentas – a ressonância do sistema sendo excitada.
Similarmente, em unidades de alto-falante, reduzir a conformidade da suspensão (aumentar a "maci") baixa a frequência de ressonância. Direto.
Mas isso traz problemas:
Amortecimento Mecânico: Refere-se à força de restrição exercida pela suspensão (surround) e pelo spider (teia). Esse sistema não só amortece o movimento global do cone, mas também suprime ressonâncias de divisão do cone, especialmente o surround. Trocar o surround altera drasticamente o timbre. Reduzir muito o amortecimento mecânico para baixar a fs aumenta a coloração sonora, especialmente nos médios. Portanto, ajuste com cautela.
Amortecimento Elétrico: Refere-se ao controle magnético sobre a bobina móvel. Mais força magnética significa mais força motriz e mais amortecimento. Força motriz alta é desejada para eficiência e baixa distorção, mas o alto amortecimento resultante impede a redução da fs. Aqui está um dilema claro, exigindo compromisso. Adicione a isso o problema da extensão de agudos, e o compromisso torna-se mais difícil.
Problema de Extensão em Agudos
Os principais fatores que afetam o desempenho em altas frequências também são "elétricos" e "mecânicos", mas de forma diferente. O fator elétrico é a carga indutiva da bobina móvel.
Por definição, uma bobina móvel é um indutor. Sozinha, seria um indutor de núcleo de ar, com baixa indutância e linear. Infelizmente, ela opera dentro da estrutura magnética. Inevitavelmente, o núcleo de ferro central a transforma em um indutor de núcleo de ferro, aumentando drasticamente a indutância. Pela natureza de passa-baixa de indutores, sinais de alta frequência são severamente atenuados. Pior, a posição relativa entre a bobina e o núcleo muda constantemente com o sinal musical, causando interação complexa entre indutância e campo magnético no entreferro, resultando em modulação cruzada severa, especialmente em alto volume e largura de banda. A distorção aumenta, causando reprodução embaçada, áspera, perda de textura e detalhe, imagem estéreo desfocada e palco sonoro comprimido. A solução é revestir o núcleo com cobre ou inserir um anel de cobre, que "curto-circuita" o campo magnético, reduzindo a modulação cruzada e a indutância da bobina. Isso melhora a extensão de alta frequência e reduz a distorção.
O fator mecânico pode ser entendido pela física básica: Força = Massa x Aceleração (F=ma). Imagine um diafragma desacelerando durante seu movimento para frente, parando no final do curso, e acelerando na direção oposta. A 20kHz, todo esse processo ocorre em 1/40.000 de segundo! O leitor interessado pode calcular a aceleração instantânea no pico desse movimento harmônico. É enorme!
Reproduzir altas frequências exige que o diafragma atinja essa alta aceleração. Pela lei, há dois caminhos: reduzir a massa da membrana ou aumentar a força motriz. Mas isso traz dilemas e contradições.
Dilemas e Contradições Complexas
Massa da Membrana
Como mencionado, aumentar a massa da membrana é a maneira mais simples de baixar a fs. Mas prejudica agudos e eficiência. Impasse. Uma solução engenhosa no design full-range é a "divisão mecânica de frequência": em baixas frequências, todo o cone se move; à medida que a frequência aumenta, o fenômeno de divisão do cone faz com que as partes mais pesadas e com maior impedância acústica periféricas "não consigam acompanhar". Somente a parte mais interna, mais leve, segue a bobina. Assim, a "massa efetiva" varia com a frequência, permitindo resposta em alta e baixa frequência.
O fenômeno de "divisão do cone", mencionado casualmente, é extremamente difícil de controlar. Controlar quando parte da membrana "não consegue acompanhar" é desafiador. Mais crítico é evitar que essas partes vibrem descontroladamente, causando coloração. Durante a reprodução musical real, com múltiplas frequências simultâneas, a distorção seria terrível se a divisão do cone não fosse controlada!
Força Motriz
Para extensão em agudos, é necessária alta força motriz para atingir a aceleração requerida. Existem duas fontes: bobina móvel e sistema magnético. Mais voltas na bobina geram mais força magnética, mas aumentam indutância e massa – prejudicando agudos. Impasse. O projeto da bobina exige compromisso; "pequena e eficiente" é melhor que "grande e ineficaz".
Resta aumentar a força magnética. Embora alta força magnética aumente o amortecimento e dificulte a redução da fs, é essencial para acelerar um cone "não tão leve" (Nota 3) nas altas frequências, sob pena de não diferir de uma unidade de médios comum. O problema do amortecimento excessivo deve ser compensado reduzindo o amortecimento mecânico.
(Nota 3: Membranas full-range geralmente são mais pesadas que unidades dedicadas de médios devido à necessidade de extensão em graves.)
Problema de Integração do Sistema
Sendo apenas uma unidade, que "sistema"? Refere-se a dois aspectos: 1) Ajuste fino do equilíbrio tonal; 2) Projeto de sintonia da caixa acústica. Ambos interagem.
Teoricamente, uma unidade full-range ideal, instalada na caixa ou painel adequado e conectada diretamente ao amplificador, reproduziria perfeitamente. Mas diante dos dilemas mencionados, mesmo unidades lendárias têm compromissos. Até instrumentos musicais exigem enorme esforço para timbre perfeito e volume uniforme; unidades de alto-falante, meras imitações, têm mais dificuldade.
Portanto, uma unidade full-range pode cobrir o espectro, mas não necessariamente com resposta plana.
Problemas comuns: protuberância larga e suave na região dos médios (médios-agudos ou médios-graves), causando coloração; roll-off suave nos agudos, resultando em som "escuro"; ou roll-off excessivo nos graves por amortecimento alto, resultando em graves "magros" e "apertados".
Se uma protuberância for intolerável, pode-se usar um filtro rejeita-faixa (notch filter) para suprimi-la. Se moderada, o resultado é satisfatório. Não despreze essa solução: embora introduza um "obstáculo" entre amplificador e unidade, é apenas um ajuste de resposta de frequência, muito mais simples que a complexa sobreposição e distorção de fase em alto-falantes multi-via com crossovers complexos. Além disso, circuitos notch são comuns em crossovers.
Roll-off em agudos geralmente indica força magnética insuficiente ou cone muito grande, mesmo com "divisão mecânica". Unidades full-range antigas de 12" ou 15" frequentemente têm esse problema. A única solução é adicionar um tweeter. Você pode pensar: "Isso não é full-range!" Mas se bem feito, integrando o tweeter acima de 16-18kHz (ou mais) com inclinação suave de -6dB/oitava, obtém-se bom resultado. O ponto de cruzamento fica fora da faixa sensível da audição humana, e o crossover de primeira ordem preserva a coerência de fase, mantendo a maioria das vantagens do full-range. (Se você tiver Altec 412C e achar que faltam agudos, me avise – estou interessado em comprar! Depois que eu melhorar o som, você não conseguirá recomprar.)
O último caso é roll-off nos graves, indicando alto amortecimento. Os graves soam apertados e curtos, mas detalhados. Usar sintonia de caixa adequada ou carga de horn pode aumentar a impedância acústica nos graves, melhorando a eficiência. Se bem executado, essa combinação oferece excelente desempenho full-range.
Sintonia de Caixa
Mais de 90% dos alto-falantes comerciais usam caixas seladas (acoustic suspension) ou com duto sintonizado (bass reflex). Unidades full-range devem minimizar a excursão (amplitude) em graves, pois grande excursão aumenta a distorção nos graves e severamente afeta médios/agudos. Imagine médios/agudos de pequena excursão rápida "montados" sobre graves de grande excursão lenta: movendo-se para frente e para trás, causando alta distorção de intermodulação e Doppler. Embora todas as unidades enfrentem isso, a larga faixa de trabalho das full-range torna o problema mais crítico.
Entre as duas principais opções, o bass reflex é mais adequado para full-range, pois reduz significativamente a excursão do cone na frequência de sintonia do sistema (geralmente 30-50Hz). Isso reduz distorção, aumenta potência suportada e eficiência. Portanto, a maioria das unidades full-range funciona bem nesse tipo de caixa.
Puristas argumentam que a ressonância da caixa "contamina" a unidade. Assim, alguns usam painéis abertos (open baffle). Unidades com graves suficientes (ex.: WE/Altec 755C) podem soar puros e rápidos nos médios, rivalizando com eletrostáticos e com melhor dinâmica. Desvantagens: tamanho grande (a extensão grave depende da área do painel, mínima ~1m²), menor eficiência e potência suportada, graves mais fracos, radiação direta/traseira complica interação com a sala, e aparência pouco convencional.
Finalmente, a opção mais complexa: carga de horn. Falaremos sobre horns em outra ocasião. Simplificando, um horn é um tubo em forma de trombeta. A resistência acústica na garganta (entrada estreita) é maior que na boca (saída larga), acoplando eficientemente a energia entre o diafragma e o ar, resultando em alta eficiência.
Usando um folded horn traseiro (back-loaded horn), a eficiência dos médios-graves/graves pode ser efetivamente aumentada, combinando perfeitamente com unidades full-range que têm alto amortecimento. Se bem construído, oferece excelente desempenho.
Introdução às Unidades
Numerosas unidades full-range foram produzidas. Listarei algumas notáveis, algumas ainda disponíveis, outras apenas no mercado de usados.
Jordan Watts
Design único: cone de alumínio, suspensão linear especial de alta conformidade em vez do spider tradicional. Meu contato começou com "vasos"; comprei por causa do design e preço. Surpreendentemente, o som de um cone de alumínio de 6" em minha sala de 10 ping tai (≈33m²) tinha graves decentes. Com volume moderado e música de câmara, a pureza e o charme eram comoventes. Desvantagens: coloração nos médios-graves (soando "gordo" em uma região), que desaparecia após 30 minutos de audição; baixa eficiência (clareza prejudicada em volume alto).
Outro modelo de 2" da mesma marca, também com cone de alumínio, é um clássico. Exceto por graves limitados e baixa eficiência, seu desempenho é excelente: resposta a impulsos excepcional, som fresco e agradável.
Diatone P-610 Series
Unidade histórica e aclamada. Cone de papel de 6.5", ímã Alnico, eficiência 90dB/W, graves até ~50Hz (bom para full-range). As nervuras salientes no cone controlam a divisão do cone, implementando divisão mecânica de frequência.
A versão original P-610 (até Mk4) foi descontinuada em 1993. Edições comemorativas são raras. Embora eu não a tenha ouvido, fontes confiáveis a consideram uma das unidades full-range mais equilibradas: som suave e doce, imagem precisa, microdinâmica clara e fácil de usar em caixas bass reflex comuns. Combinação perfeita com amplificadores a válvula SET, especialmente 2A3.
"WE/Altec 755A/C"
Lendária unidade full-range de 8" com cone de papel, alta eficiência. Especificações: 755A: 70Hz–13KHz/8W; 755C: 40Hz–15KHz/15W. Um anel saliente na frente do cone atua como controle de divisão do cone para divisão mecânica.
Unidades WE são raríssimas; Altec também são raras. Aparência e estrutura parecem comuns, possivelmente com problemas de reflexão da onda traseira. Mas entusiastas internacionais elogiam sua pureza, comparando-a ao Quad ESL, porém com melhor dinâmica. Joseph Esmilla (violinista e DIYer) relatou na "Sound Practices" excelente musicalidade em painel aberto simples com amplificadores SET 2A3/300B.
Goodmans Axiom 80
Outra "lenda"! Um amigo colecionador (Lee Jiande) tinha um par. Sua estrutura única (quadro e suspensão) e ímã pequeno (provavelmente Alnico) são marcantes. Especificações originais: 20Hz–20KHz (!)/6W. Infelizmente, nunca a ouvi. Dizem que requer caixa de horn traseiro de alta qualidade e amplificador SET 2A3 (300B tem potência excessiva!) para brilhar.
Lowther Series
Famosa por mais de 50 anos, com raízes nos anos 1920 (P.G.A.H. Voigt). Seu cone branco de papel duplo, quadro de design aerodinâmico e fase plug (central) em forma de cogumelo (em modelos premium) são icônicos. Recentemente, um novo fase plug "OVNI" melhorou a resposta de agudos.
O cone duplo permite divisão mecânica de frequência: médios-graves usam todo o cone; altas frequências usam principalmente o cone interno, com o fase plug otimizando radiação e dispersão. A Lowther ainda fabrica cones manualmente a partir de folhas planas (não polpa moldada), buscando espessura uniforme e mínima massa. Nervuras no cone aumentam rigidez e controlam divisão.
Sistemas magnéticos: ferrite, Alnico ou Neodymium. Todos têm alta eficiência. Alnico (ex.: PM-4A) tem força magnética extremamente alta (2.4 Tesla), extensão até 22kHz. Neodymium visa alta força com tamanho/custo reduzidos; seu desempenho é moderno, mas a preferência entre Neodymium e Alnico é subjetiva.
Requer caixa de horn traseiro para graves, devido à excursão limitada (1mm). Recentemente, o Lowther American Club desenvolveu projetos bass reflex com graves até 40Hz e melhor resolução em médios-graves – um tópico controverso.
Sonoramente, as Lowther compartilham características: presença impressionante, detalhes surpreendentes e dinâmica precisa. Medições frequentemente mostram leve protuberância nos médios-agudos e dispersão de agudos estreita ("sweet spot" pequeno). Personalidade marcante divide opiniões: entusiastas são fiéis; críticos questionam sua fidelidade.
Há Lowther Clubs na Europa, EUA e Japão. São unidades especiais e disponíveis – vale considerar.
Conclusão
Alto-falantes full-range, usados adequadamente, oferecem satisfação musical única: coerência de fase em todo o espectro, sem crossover para degradar o sinal, microdinâmica expressiva, palco sonoro e imagem excepcionais – qualidades difíceis de alcançar em multi-via. Mas nada é perfeito. Se você ouve rock pesado a 120dB, usa som para cinema ou canta alto com amigos, evite full-range – será frustrante para você e as unidades.
Use essas joias com cuidado, volume moderado e música simples, e você experimentará profunda emoção. A própria música será a recompensa, tornando o volume irrelevante.
Então, uma unidade de médios, que não alcança os agudos nem os graves, qual é a sua importância? Mas muitas pessoas dizem que os médios são a faixa de frequência mais importante para a reprodução sonora, e eu concordo plenamente. Se você já foi tão entediado quanto eu, tentando ouvir Tsai Chin cantar usando apenas uma unidade de tweeter, ou ouvindo um concerto para violino de Paganini com apenas uma unidade de graves, você apreciaria profundamente a utilidade de uma unidade de médios. Acredito que você também concordaria que, se forçado a usar apenas uma unidade para ouvir música, você escolheria algo que pareça uma unidade de médios. A razão é simples: você sabe (ou suspeita) que ela reproduzirá as frequências médias, que é onde se concentra a audição humana na Terra e onde reside o corpo principal da música.
Projeto da Unidade de Médios
O conceito do tweeter "dedo único" mencionado anteriormente pode ser estendido à faixa de médios, pois qualquer unidade emissora pode ser desconstruída em diafragma emissor, suspensão do diafragma e sistema de acionamento. No entanto, devido às diferentes faixas de trabalho, esses elementos evoluíram ao longo dos anos para tamanhos dentro de uma faixa específica. Ainda assim, sua forma e materiais apresentam mais variações, especialmente no material do diafragma, que tem sido extremamente diversificado nos últimos anos. Vamos examinar um por um:
Membrana de Cone de Papel
Este é provavelmente o material mais antigo. Simplificando, uma suspensão de polpa de papel é derramada em uma matriz de rede pré-projetada em forma de cone; a polpa deposita-se nela, e quando atinge a espessura adequada, é removida e submetida a processos posteriores como secagem, tornando-se uma membrana de cone de papel. A composição da polpa, como o tipo e comprimento das fibras, os componentes de enchimento, o processo de fabricação do papel e os tratamentos posteriores (como secagem ao ar ou prensagem a quente) afetam as características do produto final e, consequentemente, as características sonoras. Estes são, naturalmente, segredos comerciais (Nota 1)….
(Nota 1: Há muitos anos, li um artigo escrito pelo Sr. Hong Huaigong explicando a fabricação de cones de papel. Além de me maravilhar com a vasta ciência envolvida, fiquei profundamente impressionado com o espírito de pesquisa do Sr. Hong. Minhas poucas palavras aqui não podem transmitir a essência acumulada ao longo de anos de esforço e suor de pioneiros.)
Geralmente, as características sonoras dos cones de papel são suaves, naturais, vivas, claras e sem neuroses. Como contêm inúmeras fibras entrelaçadas, a energia transmitida através delas é rapidamente absorvida, proporcionando um bom amortecimento. Assim, a ressonância de divisão do cone na extremidade superior da faixa de reprodução não é proeminente, e o roll-off na banda de corte é suave. Esta é uma excelente característica, pois permite o uso de divisores de frequência simples, sem corte adicional, resultando em uma integração de sistema saudável. Além disso, os cones de papel têm boa rigidez, proporcionando excelente resposta transiente e detalhes na percepção auditiva. Não se engane pela maciez do papel comum; com forma e espessura adequadas, a rigidez do papel pode ser muito boa. Além disso, se bem projetados e fabricados, os cones de papel podem ser muito leves, mais de 15% mais leves que as membranas plásticas mais leves. Embora sejam um pouco mais pesados que os materiais sintéticos de fibra de alta tecnologia mais recentes, a diferença não é grande, resultando em alta eficiência. A série PR170 de 6,5 polegadas de médios com cone de papel da Audax, por exemplo, tem uma eficiência de 100dB/W. Uma possível fraqueza do cone de papel é que suas características podem variar com a umidade ambiental. O papel, ao absorver umidade, aumenta sua densidade (fica mais pesado) e reduz sua rigidez (fica mais macio), afetando assim as características sonoras. Se essa mudança é boa ou ruim é difícil de dizer; membros do clube Lowther no Reino Unido afirmam que seus alto-falantes Lowther soam particularmente bem em dias chuvosos.
Uma preocupação maior é que muitos ciclos de secagem e umidade podem causar fadiga no material, alterando suas características originais. Mas muitos drivers de cone de papel antigos ainda funcionam bem após décadas, então essa mudança deve ser leve e gradual, como uma maturação para outro estado estável, o que não deve ser um problema para os usuários.
Muitas unidades de cone de papel produzidas recentemente incorporam várias melhorias para aumentar a estabilidade. Métodos comuns incluem revestimento superficial ou modificações na fórmula do papel; alguns fabricantes afirmam que seus cones são à prova d'água, e os alto-falantes PA para uso externo sugerem confiabilidade considerável. Claro, como mencionado antes, para nós, leigos, é difícil avaliar profundamente essas questões. Além disso, não confunda a longa história do cone de papel com "obsoleto". Do ponto de vista da indústria de áudio, os drivers de cone de papel constituem a maior parte de todas as unidades. Basta olhar para sua TV, rádio portátil, sistema de som de cabeceira, computador… a maioria não usa pequenos alto-falantes com unidades de cone de papel? Você pode dizer: "Ei, isso não se compara ao meu alto-falante High-End de alta tecnologia!" Mas, por outro lado, se esses "produtos inferiores" usassem unidades não de papel, soariam pior e seriam mais caros. Isso ocorre porque o material do cone de papel é altamente maduro, oferecendo uma excelente relação custo-benefício. Além disso, muitos alto-falantes lendários que resistiram ao teste do tempo e novos campeões de produção de elite usam cones de papel: WE/ALTEC 755A de banda completa, Goodman Axiom 80 de banda completa, Altec A5/A7, AR 3a, Lowther de banda completa, TAD… e muitos outros. Entusiastas experientes são diretos: "Dê-me cone de papel, e nada mais!" Muitos também consideram a fabricação de cones de papel mais uma arte do que uma ciência, evidenciando seu charme cativante.
Membrana Plástica
Com o desenvolvimento da indústria petroquímica, os plásticos são onipresentes em nossa vida diária. Matéria-prima barata e processos de fabricação convenientes naturalmente atraem várias indústrias, incluindo a de áudio.
Aqui, membrana plástica refere-se a cones moldados por injeção ou outros métodos, sendo o material mais comum o polipropileno (PP). Estamos mais familiarizados com recipientes para micro-ondas e potes de armazenamento feitos de PP por injeção. Além disso, as fitas de reforço amarelas ou cinzas usadas em caixas de papelão também são feitas de fibras de polipropileno. Isso nos mostra que este material é extremamente resistente. A maioria dos polímeros tem alta tenacidade devido à sua estrutura molecular grande e irregular, absorvendo e dissipando rapidamente a energia mecânica, proporcionando bom amortecimento. Essa vantagem, semelhante ao cone de papel, resulta em um roll-off suave na extremidade superior, proporcionando uma reprodução suave e natural e permitindo o uso de divisores de frequência de baixa ordem e simples. Podemos sentir essas boas qualidades em muitos alto-falantes compactos de duas vias europeus; a unidade de médios/graves SCAN de 6,5 polegadas com membrana PP transparente usada pela ProAc é um excelente exemplo.
No entanto, comparado a outros materiais de membrana, o PP tem rigidez moderada e massa relativamente alta. Embora um pote de armazenamento machuque se atingir sua cabeça, isso não significa que ele tenha boa rigidez em movimentos microscópicos de alta velocidade e pequena amplitude – condições que importam para membranas de unidades.
A rigidez relativamente fraca do PP faz com que, durante movimentos rápidos de micro amplitude (trabalho em altas frequências), a energia cinética da bobina móvel não seja transmitida de forma completa e consistente por toda a membrana, ocorrendo o "fenômeno de divisão do cone". Embora o bom amortecimento suprima a ressonância de divisão do cone, o movimento pistônico perfeito é impossível, aumentando a distorção. Subjetivamente, isso resulta em suavidade excessiva, mas falta de resolução e dinâmica. Alguns alto-falantes de duas vias baseados em unidades de médios/graves com membrana PP de 8 polegadas podem apresentar resposta lenta e pesada na região dos médios aos médios-agudos. Escolher unidades de menor diâmetro, sem ser muito ambicioso nos graves, pode aliviar esse problema. Piorando a situação, a espessura necessária para rigidez suficiente em grandes áreas aumenta a massa total. Assim, você não encontrará alto-falantes de alta eficiência usando unidades com membrana PP.
Ao contrário do cone de papel, o PP não tem problemas de absorção de umidade, mas suas características podem mudar com a temperatura. Felizmente, isso não deve nos incomodar, pois, como a umidade para o cone de papel, essa mudança é lenta e gradual – não se preocupe!
Em resumo, o PP pode não parecer ideal para membranas devido à sua rigidez moderada e massa mais alta, mas trata-se de escolher o melhor compromisso. Como a unidade Scan mencionada, apesar de usar membrana PP criticada por mim, ainda pode ser um produto de sucesso com excelente desempenho geral.
Alternativamente, uma abordagem mais ativa é modificar o material, misturando aditivos à base de PP para aumentar sua rigidez. Isso traz melhorias significativas, resultando em unidades com melhor dinâmica, menor distorção, maior detalhamento e melhor eficiência. Dynaudio e Infinity/Genesis usam unidades com esse tratamento; embora os aditivos e métodos variem, os resultados são visíveis.
Além disso, como matérias-primas petroquímicas e moldagem por injeção são convenientes, novos materiais além do PP foram desenvolvidos, como Bextrene, TPX ou Neoflex. Suas composições químicas são desconhecidas, mas parecem com PP. Sua maior rigidez e menor massa proporcionam melhor dinâmica e resolução. Você pode ver esses materiais em folhetos de vários fabricantes – vale a pena verificar.
Membrana Metálica
Se a baixa rigidez causa perda de dinâmica e resolução, usar materiais metálicos de alta rigidez para membranas deve trazer bons resultados. Excluindo drivers de compressão para tweeters de horn, os metais mais comuns para unidades de médios/graves de radiação direta são alumínio e suas ligas. A maior vantagem é a alta rigidez, que evita deformações dentro de certas condições operacionais, resultando em baixa distorção e excelente resolução de detalhes. No entanto, alta rigidez implica baixa perda interna (damping), como no tweeter "dedo único" mencionado anteriormente: a energia não é absorvida pelo material da membrana, então a ressonância de divisão do cone produz picos de ressonância pronunciados na extremidade superior da resposta de frequência. Se não tratado adequadamente, pode facilmente resultar em "som metálico".
O tratamento adequado começa com o projeto do divisor de frequência, suprimindo esse pico de ressonância – posicionando-o na banda de corte do filtro ou além, evitando que sinais que excitem a ressonância de alta frequência cheguem à unidade. Assim, o pico é "escondido" pelo divisor, eliminando o som metálico. Para isso, geralmente é necessário usar uma inclinação de corte de pelo menos segunda ordem para filtrar efetivamente; a primeira ordem é muito suave. Mover o ponto de cruzamento para baixo sacrifica a largura de banda utilizável, o que não é ideal. Portanto, cruzamento de alta ordem e seleção cuidadosa do ponto de cruzamento são essenciais para unidades com membrana metálica.
Alternativamente, ao invés de evitar passivamente, pode-se melhorar ativamente a desvantagem aumentando o amortecimento da membrana: estruturas sanduíche e revestimentos de amortecimento são boas opções. Há cada vez mais produtos desse tipo no mercado, incluindo exemplos muito bem-sucedidos, como a Elac apresentada na edição anterior de "Estudo Aprofundado", ou a suíça Ensemble, com som e preço igualmente nobres.
Além da difícil ressonância de alta frequência, o peso da membrana é outro fator desfavorável. Devido ao custo, unidades de médios com titânio são inexistentes. Assim, embora unidades de médios/graves com cone metálico apresentem dinâmica impressionante sob acionamento forte, sua eficiência geral ainda é relativamente baixa, geralmente exigindo amplificadores mais potentes.
Materiais de Fibra Sintética
Historicamente, os materiais mais avançados parecem ser usados primeiro em armas, uma triste realidade da natureza belicosa humana. Se usados em áudio para apreciar música, trariam harmonia! Anos após a aplicação bem-sucedida de fibra de boro-carbono e estruturas sanduíche tipo favo de mel em caças, esses materiais chegaram ao áudio.
Sendo materiais de grau aeroespacial, combinam as duplas vantagens de leveza e alta resistência. Podem ser mais leves que papel e mais rígidos que metal, com resistência excedendo não só o alumínio, mas até o aço (Nota 2) – ideais para membranas de unidades de alto-falante! Fabricantes de unidades com Kevlar ou fibra de carbono destacam vigorosamente alta rigidez, baixa massa e alto amortecimento. As duas primeiras vantagens são reais, mas o amortecimento intrínseco depende das condições e não é necessariamente melhor.
(Nota 2: Isto refere-se aos melhores resultados alcançáveis com outros métodos de formação, não que uma fina membrana de unidade possa ser mais dura que seu facão de cozinha – pelo menos ainda não.)
Sem tratamento adequado, essas fibras artificiais de alta rigidez enfrentam problemas semelhantes aos cones metálicos: ressonância de divisão do cone em altas frequências. Embora menos severa que em membranas metálicas, essa ressonância existe e pode facilmente se tornar perturbadora. Sem tratamento, a reprodução pode soar dura na região superior dos médios e inferior dos agudos, podendo tornar-se estridente. Li uma crítica anos atrás onde o editor expressou sérias ressalvas sobre o desempenho de médios com Kevlar.
Com tratamento de amortecimento aprimorado (como estruturas sanduíche ou revestimentos) e divisão de frequência adequada, essas unidades podem exibir excelente resolução de detalhes, resposta transiente precisa, dinâmica macro e micro excepcionais, tudo isso com pouca potência. O Focal Audiom 7K, usando membrana sanduíche de Kevlar/espuma polimérica com revestimento de látex, atinge 98dB/W. Embora ligeiramente inferior aos 100 dB/W do cone de papel da Audax, seu desempenho é notável (Nota 3).
(Nota 3: Comparando os dados, o ímã do Focal Audiom 7K é maior (1132g vs. 880g) e a massa móvel é menor (7.3g vs. 9.1g), mas sua eficiência ainda é menor que a da Audax "menos potente". Isso mostra que outros fatores, como conformidade da suspensão, projeto do sistema magnético, bobina móvel, forma da membrana etc., envolvem muito conhecimento e compromissos.)
Além das comuns Carbon e Kevlar Fiber, uma membrana de fibra sintética especial foi lançada há alguns anos – HAD (High Definition Aerogel), pela Audax. Feita de gel de polímero acrílico e várias fibras sintéticas (incluindo carbono e Kevlar) (Nota 4), apresenta características excepcionais: resposta transiente muito boa em medições, distorção extremamente baixa e roll-off suave de alta frequência, sem picos de ressonância. As unidades atuais têm eficiência inferior a cones de papel ou Kevlar, provavelmente devido a escolhas de projeto do sistema magnético. Mas seu desempenho em outras áreas é impressionante. O Allure de três vias da SWANS, projetado pelo renomado Martin Colloms da Stereophile, usa essa unidade. Minha breve experiência auditiva revelou um som descontraído e natural como um bom cone de papel, com resolução e dinâmica mais modernas, sem características indesejadas – um projeto de unidade muito bem-sucedido (a integração do sistema também merece crédito).
(Nota 4: O processo de mistura gel-fibra é único. Do início ao fim, o volume do gel encolhe para um décimo. Mais notável: durante o processo, as longas cadeias moleculares poliméricas crescem ao longo das fibras pré-adicionadas, permitindo controle da direção de alinhamento molecular. Daí vêm a excelente rigidez e amortecimento intrínseco.)
Outros Materiais
Além das quatro categorias principais, muitos outros materiais leves e fortes podem ser usados para membranas de alto-falante: fibra de vidro, celulose, fibra de grafite, baquelite, fibra de seda, espuma de poliestireno, várias espumas plásticas, cerâmica sinterizada a vácuo… Muitos são promissores, alguns adequados para tweeters, outros para médios, graves ou todos. Até ouvi falar de uma pesquisa no Japão usando um molde e um fungo especial para "crescer" um cone! Dizem que sua reprodução natural supera qualquer material. No entanto, acredito que tal obra-prima seja difícil de produzir em massa devido ao alto custo (tempo).
(Aviso: Muitas membranas são projetadas para disfarçar seu material real ou imitar outro. Isso beira a falsificação. Como consumidores, devemos ter cuidado.)
Sistema de Circuito Magnético
Após explorar diversas membranas, examinemos o sistema de circuito magnético. O Sr. Chen Yunshuang já abordou materiais magnéticos em edições anteriores, então focaremos no projeto geral do sistema. Estritamente falando, o sistema magnético inclui a bobina móvel, não apenas o ímã e a estrutura do polo, pois funcionam juntos e devem ser considerados conjuntamente no projeto. Simplificando, o movimento do cone é impulsionado pela bobina móvel, cujo movimento resulta da interação entre seu campo magnético variável (devido à corrente) e o campo fixo do ímã/polos – princípio bem conhecido. O projeto da bobina móvel, a largura e comprimento do entreferro são pontos cruciais.
Projeto da Bobina Móvel
A bobina móvel é um enrolamento de fio esmaltado colado firmemente em um suporte (former). Os materiais do fio incluem cobre, alumínio, prata ou outras ligas; sua seção transversal geralmente é retangular ou hexagonal para máxima densidade de enrolamento. Mais voltas significam maior força magnética, melhor força motriz, maior coeficiente de aceleração do cone, resultando em alta eficiência e grande dinâmica. Para bobinas de fio plano com seção 1:5 (largura:altura), enroladas com o lado curto contra o former, o coeficiente de aceleração pode ser 30% maior que bobinas de fio redondo.
(Nota 5: Comprimento da bobina refere-se à dimensão axial do enrolamento completo, não ao comprimento desenrolado do fio.)
A pressão total do enrolamento sobre o former é enorme. Experimente: enrole um fio (linha de costura, náilon ou fio dental) com força em seu dedo por dez voltas. Em segundos, você sentirá a necessidade de soltá-lo! Algumas bobinas móveis exercem pressão total de toneladas sobre o former. Portanto, o former deve ser extremamente robusto e resistente ao calor gerado pela bobina. Geralmente é feito de alumínio (liga), Kapton ou outros materiais leves, fortes e termorresistentes. Fabricantes exigentes submetem o conjunto bobina/former a múltiplos tratamentos térmicos para maior estabilidade.
Jim Hunter, da Klipsch, mencionou em entrevista à "Speaker Builder" que receberam alto-falantes para reparo onde o driver de tweeter de horn havia se soltado da garganta plástica derretida do horn, indicando calor extremo, mas a bobina móvel ainda estava intacta!
O dimensionamento da bobina móvel envolve dilemas. Buscar força motriz para alta eficiência e grande dinâmica sugere bobinas grandes e longas, mas isso aumenta massa e indutância, prejudicando resposta transiente e de alta frequência. Uma bobina longa significa que apenas parte dela está no entreferro, reduzindo o controle do campo magnético sobre ela e aumentando a distorção por modulação do campo. Bobinas muito pequenas são leves, mas fracas, limitando eficiência, controle e potência suportada. Portanto, o tamanho da bobina deve ser um compromisso ótimo com área da membrana, forma e força magnética.
Ímã e Estrutura do Sistema Magnético
Tradicionalmente, os ímãs em unidades de alto-falante são polarizados axialmente (pólos paralelos ao eixo central do ímã cilíndrico). Materiais magnéticos condutores (pole pieces) guiam as linhas de campo para o entreferro, completando o circuito. A bobina móvel requer campo magnético radial no entreferro (direção paralela ao raio, convergente ou divergente). A intensidade do campo e densidade de fluxo no entreferro dependem do ímã.
A maioria usa ímãs de cerâmica de ferrite (óxido de ferro) devido à boa estabilidade térmica, alta resistência à desmagnetização, boa resistência mecânica e corrosiva, e baixo custo. A desvantagem é o grande tamanho e peso necessários para alta força magnética, resultando em estruturas magnéticas enormes para alta eficiência.
Em tweeters ou drivers de horn, o diâmetro do ímã excede o da membrana. Algumas unidades de médios de 6 a 7 polegadas têm ímãs com diâmetro comparável ao da membrana. Até drivers profissionais de médios/graves de 10 a 12 polegadas podem ter ímãs tão grandes quanto a membrana!
Alta força magnética é desejável para eficiência, dinâmica e controle. Mas grandes ímãs, além de impressionantes, podem prejudicar a propagação sonora. Um ímã grande bloqueia diretamente a parte traseira da membrana, forçando a onda sonora posterior a sair pelas laterais, com parte refletindo de volta. Se a unidade estiver fixada em um painel espesso, o problema piora, pois a distância entre membrana e ímã pode ser semelhante à espessura do painel. Sem tratamento adicional, a onda traseira "esguicha" por uma estreita fresta, criando forte reflexão de curta distância e variações severas de pressão atrás da membrana, prejudicando gravemente resposta de frequência e distorção.
Portanto, unidades com estruturas magnéticas muito grandes exigem tratamento interno do painel, esculpindo canais para guiar a onda traseira, como feito nos alto-falantes Thiel. Ou usar painéis metálicos finos e fortes para evitar o problema.
O projeto do quadro (basket) enfrenta desafios semelhantes. Quadros estampados em aço antigos têm suportes largos; se próximos ao cone, aumentam reflexões e coloração sonora. Quadros fundidos em alumínio modernos permitem formas mais ideais, combinando resistência, estética e baixa coloração.
Alternativamente, usar ímãs pequenos de alta força (como Neodymium) permite melhor expansão da onda traseira. Há cerca de cinco anos, a Vendersteen (Nota 6) usou uma unidade de médios personalizada pela Vifa com pequenos ímãs de Neodymium em seu alto-falante de três vias. No topo de linha Bishop da Wilson Benesch, usando design isobárico grave especial com ímãs voltados para fora, além dos novos ímãs de Neodymium (NeFeB) fortes e compactos, os pole pieces são arredondados e aerodinâmicos, e o quadro tem área frontal mínima com alta resistência, resolvendo elegantemente o problema. A lendária unidade full-range Lowther, apesar de décadas de existência, também aborda esse problema com cuidado. Embora seu ímã seja grande, sua forma é aerodinâmica, liberando espaço atrás do cone, e os suportes do quadro são estreitos, minimizando obstrução à onda traseira.
Além disso, a interação entre a bobina móvel no entreferro e o sistema magnético afeta o desempenho. Estritamente, bobina e sistema magnético empurram/puxam um ao outro; o sistema magnético parece acionar a bobina porque está fixo.
(Nota 6: A filosofia de design da Vendersteen é sólida: custos focados no essencial, embalagem simples, som equilibrado e musical. Parceiro ideal para amantes da música. Infelizmente, seu formato menos atraente não conquistou distribuidores e consumidores locais.)
Reconhecendo isso, surgem problemas: 1) O campo da bobina pode desmagnetizar parcialmente o ímã. O ímã deve resistir para manter dinâmica, força motriz e eficiência. A resistência à desmagnetização afeta as características sonoras; o charme dos médios/agudos em alto-falantes com ímãs Alnico pode estar relacionado. 2) O campo da bobina perturba o campo constante no entreferro, causando distorção. Isso pode ser mitigado com pole pieces banhados a cobre ou anéis de curto-circuito de cobre, que reduzem a modulação do campo e a distorção significativamente, especialmente a distorção de intermodulação em médios/graves, onde grandes excursões graves e rápidos médios coexistem.
Dilemas do Sistema Magnético vs. Inovação: Polarização Radial e Estrutura de Polos
Inicialmente, mencionei que os ímãs são tradicionalmente polarizados axialmente, mas a bobina precisa de campo radial. Por que não polarizar o ímã radialmente desde o início? Dificuldade e alto custo impediram isso até cerca de quatro ou cinco anos atrás.
Quais as desvantagens da estrutura axial tradicional? 1) Volume maior; 2) Dificuldade em obter entreferro profundo com alta densidade de fluxo. O problema do volume já foi discutido; vamos ao entreferro.
Em sistemas magnéticos tradicionais, o comprimento efetivo do entreferro é aproximadamente a espessura da peça polar superior (top plate) na borda do entreferro. Para alta densidade de fluxo com o mesmo ímã, pode-se reduzir a largura do entreferro, mas isso dificulta a montagem da bobina e aumenta custos; além disso, o fluxo magnético nas pole pieces não deve saturar, exigindo considerações sobre material e espessura.
Tentar um entreferro longo com bobina curta (para melhor linearidade de potência) inevitavelmente reduz a densidade de fluxo. Combinado com a bobina mais curta, a eficiência geral cai drasticamente. Embora essa configuração ofereça melhor linearidade de potência, alcançar alta eficiência simultaneamente exige superar muitos dilemas.
Exemplos como a série Altec 515 e TAD 160X, usando bobina curta e entreferro longo, alcançam excelente linearidade de potência e eficiência ultra-alta – uma conquista notável, um triunfo da engenharia.
Usando ímãs radialmente polarizados, sistemas com entreferro longo e alta densidade de fluxo tornam-se viáveis (ainda caros, mas com menos dilemas físicos). O comprimento do entreferro com densidade de fluxo constante pode ser várias vezes maior que em estruturas tradicionais, significando várias vezes mais excursão linear! A distorção em alto SPL é muito baixa. Ideal para reprodução grave, já existem produtos assim, como um subwoofer profissional de 18 polegadas (Nota 7), cujo SPL máximo linear é insuportável ao ouvido humano, com distorção ainda extremamente baixa!
(Nota 7: Aura Sound 1808 – atenção, não é a subdivisão da B&W, mas outra empresa.)
Infelizmente, ainda não há unidades de médios usando essa tecnologia. Embora os médios não exijam grande excursão, essa estrutura permite tamanho pequeno e força magnética alta – duas grandes vantagens para médios. Certamente existe em algum laboratório, e produtos devem surgir em breve.
Rumo ao Full-Range
Ei? Este artigo não era sobre unidades full-range? Por que falamos tanto sobre médios?
Desculpe! As complexidades do full-range exigem abordagem gradual. Começar pelos médios e estender para graves e agudos torna o conceito mais claro.
Uma unidade ideal (agudos, médios ou graves) deve ter:
1. Baixa distorção;
2. Boa linearidade de potência;
3. Alta eficiência;
4. Faixa de trabalho efetiva o mais ampla possível.
Levar o item 4 ao extremo resulta em uma unidade full-range.
Na próxima edição, discutirei como estender uma unidade de médios para full-range, enfrentando dilemas e soluções engenhosas de fabricantes. Aguarde!
Parece simples: basta uma unidade de médios reproduzir mais graves e agudos, certo? Alto-falantes de automóvel, computador, rádios portáteis, sistemas de cabeceira usam essas "unidades full-range" desconhecidas. Não parece grande coisa!
Não é tão simples. Você sabe quão ampla é a faixa que essas unidades reproduzem? Dados de medição são desnecessários; é fácil ouvir que reproduzir voz clara já é bom. Graves de bateria e pratos são apenas reconhecíveis; baixo e instrumentos agudos são frequentemente difusos. Órgão? Harmônicos de cordas? Reverberação de piano? Nem pensar!
O que constitui reprodução full-range adequada será discutido. Agora, vamos explorar os problemas e dilemas de projetar uma unidade para cobrir todo o espectro.
Problema de Extensão em Graves
Visualmente, unidades de médios e graves cônicas de tamanho similar (ex.: 6 ou 7 polegadas) são quase idênticas. Geralmente, unidades graves têm suspensões (surrounds) mais largas e macias para maior excursão, mas isso não é regra absoluta.
Então, é possível modificar uma unidade de médios de 6-7 polegadas para reproduzir graves? Se o objetivo é apenas emitir graves, independente de SPL e distorção, sim. A frequência de ressonância livre (fs) geralmente indica o limite inferior operacional aproximado.
Como reduzir essa frequência? Impedância acústica (Nota 1), massa móvel, força magnética e conformidade da suspensão são fatores-chave. A impedância acústica, relacionada à área radiante e frequência, pode ser considerada igual para unidades de mesmo tamanho na mesma faixa. Portanto, focaremos nos outros fatores.
Em baixas frequências, o movimento do diafragma é essencialmente lento. Pela física básica (F=ma), para uma força constante, a aceleração é inversamente proporcional à massa. Assim, unidades com maior massa móvel geralmente têm fs mais baixa. Comparando dados de unidades, essa relação geralmente se mantém. Subwoofers de 15"+ com fs abaixo de 25Hz frequentemente têm massa móvel acima de 100g.
A forma mais simples de baixar a fs é aumentar a massa do cone. Mas isso não é bom, pois reduz eficiência e extensão de agudos. Impasse. A alternativa é reduzir o amortecimento externo – existem dois tipos: mecânico e elétrico. Ambos atuam como freios no movimento do cone.
Uma analogia com suspensão automotiva: carros americanos antigos tinham suspensão macia (mola de baixa taxa e amortecedor complacente) para conforto, resultando em baixa frequência de ressonância do sistema (Nota 2), absorvendo bem solavancos (impulsos de média/alta frequência). Mas em ondulações longas (baixa frequência), como pontes, causam oscilações lentas – a ressonância do sistema sendo excitada.
Similarmente, em unidades de alto-falante, reduzir a conformidade da suspensão (aumentar a "maci") baixa a frequência de ressonância. Direto.
Mas isso traz problemas:
Amortecimento Mecânico: Refere-se à força de restrição exercida pela suspensão (surround) e pelo spider (teia). Esse sistema não só amortece o movimento global do cone, mas também suprime ressonâncias de divisão do cone, especialmente o surround. Trocar o surround altera drasticamente o timbre. Reduzir muito o amortecimento mecânico para baixar a fs aumenta a coloração sonora, especialmente nos médios. Portanto, ajuste com cautela.
Amortecimento Elétrico: Refere-se ao controle magnético sobre a bobina móvel. Mais força magnética significa mais força motriz e mais amortecimento. Força motriz alta é desejada para eficiência e baixa distorção, mas o alto amortecimento resultante impede a redução da fs. Aqui está um dilema claro, exigindo compromisso. Adicione a isso o problema da extensão de agudos, e o compromisso torna-se mais difícil.
Problema de Extensão em Agudos
Os principais fatores que afetam o desempenho em altas frequências também são "elétricos" e "mecânicos", mas de forma diferente. O fator elétrico é a carga indutiva da bobina móvel.
Por definição, uma bobina móvel é um indutor. Sozinha, seria um indutor de núcleo de ar, com baixa indutância e linear. Infelizmente, ela opera dentro da estrutura magnética. Inevitavelmente, o núcleo de ferro central a transforma em um indutor de núcleo de ferro, aumentando drasticamente a indutância. Pela natureza de passa-baixa de indutores, sinais de alta frequência são severamente atenuados. Pior, a posição relativa entre a bobina e o núcleo muda constantemente com o sinal musical, causando interação complexa entre indutância e campo magnético no entreferro, resultando em modulação cruzada severa, especialmente em alto volume e largura de banda. A distorção aumenta, causando reprodução embaçada, áspera, perda de textura e detalhe, imagem estéreo desfocada e palco sonoro comprimido. A solução é revestir o núcleo com cobre ou inserir um anel de cobre, que "curto-circuita" o campo magnético, reduzindo a modulação cruzada e a indutância da bobina. Isso melhora a extensão de alta frequência e reduz a distorção.
O fator mecânico pode ser entendido pela física básica: Força = Massa x Aceleração (F=ma). Imagine um diafragma desacelerando durante seu movimento para frente, parando no final do curso, e acelerando na direção oposta. A 20kHz, todo esse processo ocorre em 1/40.000 de segundo! O leitor interessado pode calcular a aceleração instantânea no pico desse movimento harmônico. É enorme!
Reproduzir altas frequências exige que o diafragma atinja essa alta aceleração. Pela lei, há dois caminhos: reduzir a massa da membrana ou aumentar a força motriz. Mas isso traz dilemas e contradições.
Dilemas e Contradições Complexas
Massa da Membrana
Como mencionado, aumentar a massa da membrana é a maneira mais simples de baixar a fs. Mas prejudica agudos e eficiência. Impasse. Uma solução engenhosa no design full-range é a "divisão mecânica de frequência": em baixas frequências, todo o cone se move; à medida que a frequência aumenta, o fenômeno de divisão do cone faz com que as partes mais pesadas e com maior impedância acústica periféricas "não consigam acompanhar". Somente a parte mais interna, mais leve, segue a bobina. Assim, a "massa efetiva" varia com a frequência, permitindo resposta em alta e baixa frequência.
O fenômeno de "divisão do cone", mencionado casualmente, é extremamente difícil de controlar. Controlar quando parte da membrana "não consegue acompanhar" é desafiador. Mais crítico é evitar que essas partes vibrem descontroladamente, causando coloração. Durante a reprodução musical real, com múltiplas frequências simultâneas, a distorção seria terrível se a divisão do cone não fosse controlada!
Força Motriz
Para extensão em agudos, é necessária alta força motriz para atingir a aceleração requerida. Existem duas fontes: bobina móvel e sistema magnético. Mais voltas na bobina geram mais força magnética, mas aumentam indutância e massa – prejudicando agudos. Impasse. O projeto da bobina exige compromisso; "pequena e eficiente" é melhor que "grande e ineficaz".
Resta aumentar a força magnética. Embora alta força magnética aumente o amortecimento e dificulte a redução da fs, é essencial para acelerar um cone "não tão leve" (Nota 3) nas altas frequências, sob pena de não diferir de uma unidade de médios comum. O problema do amortecimento excessivo deve ser compensado reduzindo o amortecimento mecânico.
(Nota 3: Membranas full-range geralmente são mais pesadas que unidades dedicadas de médios devido à necessidade de extensão em graves.)
Problema de Integração do Sistema
Sendo apenas uma unidade, que "sistema"? Refere-se a dois aspectos: 1) Ajuste fino do equilíbrio tonal; 2) Projeto de sintonia da caixa acústica. Ambos interagem.
Teoricamente, uma unidade full-range ideal, instalada na caixa ou painel adequado e conectada diretamente ao amplificador, reproduziria perfeitamente. Mas diante dos dilemas mencionados, mesmo unidades lendárias têm compromissos. Até instrumentos musicais exigem enorme esforço para timbre perfeito e volume uniforme; unidades de alto-falante, meras imitações, têm mais dificuldade.
Portanto, uma unidade full-range pode cobrir o espectro, mas não necessariamente com resposta plana.
Problemas comuns: protuberância larga e suave na região dos médios (médios-agudos ou médios-graves), causando coloração; roll-off suave nos agudos, resultando em som "escuro"; ou roll-off excessivo nos graves por amortecimento alto, resultando em graves "magros" e "apertados".
Se uma protuberância for intolerável, pode-se usar um filtro rejeita-faixa (notch filter) para suprimi-la. Se moderada, o resultado é satisfatório. Não despreze essa solução: embora introduza um "obstáculo" entre amplificador e unidade, é apenas um ajuste de resposta de frequência, muito mais simples que a complexa sobreposição e distorção de fase em alto-falantes multi-via com crossovers complexos. Além disso, circuitos notch são comuns em crossovers.
Roll-off em agudos geralmente indica força magnética insuficiente ou cone muito grande, mesmo com "divisão mecânica". Unidades full-range antigas de 12" ou 15" frequentemente têm esse problema. A única solução é adicionar um tweeter. Você pode pensar: "Isso não é full-range!" Mas se bem feito, integrando o tweeter acima de 16-18kHz (ou mais) com inclinação suave de -6dB/oitava, obtém-se bom resultado. O ponto de cruzamento fica fora da faixa sensível da audição humana, e o crossover de primeira ordem preserva a coerência de fase, mantendo a maioria das vantagens do full-range. (Se você tiver Altec 412C e achar que faltam agudos, me avise – estou interessado em comprar! Depois que eu melhorar o som, você não conseguirá recomprar.)
O último caso é roll-off nos graves, indicando alto amortecimento. Os graves soam apertados e curtos, mas detalhados. Usar sintonia de caixa adequada ou carga de horn pode aumentar a impedância acústica nos graves, melhorando a eficiência. Se bem executado, essa combinação oferece excelente desempenho full-range.
Sintonia de Caixa
Mais de 90% dos alto-falantes comerciais usam caixas seladas (acoustic suspension) ou com duto sintonizado (bass reflex). Unidades full-range devem minimizar a excursão (amplitude) em graves, pois grande excursão aumenta a distorção nos graves e severamente afeta médios/agudos. Imagine médios/agudos de pequena excursão rápida "montados" sobre graves de grande excursão lenta: movendo-se para frente e para trás, causando alta distorção de intermodulação e Doppler. Embora todas as unidades enfrentem isso, a larga faixa de trabalho das full-range torna o problema mais crítico.
Entre as duas principais opções, o bass reflex é mais adequado para full-range, pois reduz significativamente a excursão do cone na frequência de sintonia do sistema (geralmente 30-50Hz). Isso reduz distorção, aumenta potência suportada e eficiência. Portanto, a maioria das unidades full-range funciona bem nesse tipo de caixa.
Puristas argumentam que a ressonância da caixa "contamina" a unidade. Assim, alguns usam painéis abertos (open baffle). Unidades com graves suficientes (ex.: WE/Altec 755C) podem soar puros e rápidos nos médios, rivalizando com eletrostáticos e com melhor dinâmica. Desvantagens: tamanho grande (a extensão grave depende da área do painel, mínima ~1m²), menor eficiência e potência suportada, graves mais fracos, radiação direta/traseira complica interação com a sala, e aparência pouco convencional.
Finalmente, a opção mais complexa: carga de horn. Falaremos sobre horns em outra ocasião. Simplificando, um horn é um tubo em forma de trombeta. A resistência acústica na garganta (entrada estreita) é maior que na boca (saída larga), acoplando eficientemente a energia entre o diafragma e o ar, resultando em alta eficiência.
Usando um folded horn traseiro (back-loaded horn), a eficiência dos médios-graves/graves pode ser efetivamente aumentada, combinando perfeitamente com unidades full-range que têm alto amortecimento. Se bem construído, oferece excelente desempenho.
Introdução às Unidades
Numerosas unidades full-range foram produzidas. Listarei algumas notáveis, algumas ainda disponíveis, outras apenas no mercado de usados.
Jordan Watts
Design único: cone de alumínio, suspensão linear especial de alta conformidade em vez do spider tradicional. Meu contato começou com "vasos"; comprei por causa do design e preço. Surpreendentemente, o som de um cone de alumínio de 6" em minha sala de 10 ping tai (≈33m²) tinha graves decentes. Com volume moderado e música de câmara, a pureza e o charme eram comoventes. Desvantagens: coloração nos médios-graves (soando "gordo" em uma região), que desaparecia após 30 minutos de audição; baixa eficiência (clareza prejudicada em volume alto).
Outro modelo de 2" da mesma marca, também com cone de alumínio, é um clássico. Exceto por graves limitados e baixa eficiência, seu desempenho é excelente: resposta a impulsos excepcional, som fresco e agradável.
Diatone P-610 Series
Unidade histórica e aclamada. Cone de papel de 6.5", ímã Alnico, eficiência 90dB/W, graves até ~50Hz (bom para full-range). As nervuras salientes no cone controlam a divisão do cone, implementando divisão mecânica de frequência.
A versão original P-610 (até Mk4) foi descontinuada em 1993. Edições comemorativas são raras. Embora eu não a tenha ouvido, fontes confiáveis a consideram uma das unidades full-range mais equilibradas: som suave e doce, imagem precisa, microdinâmica clara e fácil de usar em caixas bass reflex comuns. Combinação perfeita com amplificadores a válvula SET, especialmente 2A3.
"WE/Altec 755A/C"
Lendária unidade full-range de 8" com cone de papel, alta eficiência. Especificações: 755A: 70Hz–13KHz/8W; 755C: 40Hz–15KHz/15W. Um anel saliente na frente do cone atua como controle de divisão do cone para divisão mecânica.
Unidades WE são raríssimas; Altec também são raras. Aparência e estrutura parecem comuns, possivelmente com problemas de reflexão da onda traseira. Mas entusiastas internacionais elogiam sua pureza, comparando-a ao Quad ESL, porém com melhor dinâmica. Joseph Esmilla (violinista e DIYer) relatou na "Sound Practices" excelente musicalidade em painel aberto simples com amplificadores SET 2A3/300B.
Goodmans Axiom 80
Outra "lenda"! Um amigo colecionador (Lee Jiande) tinha um par. Sua estrutura única (quadro e suspensão) e ímã pequeno (provavelmente Alnico) são marcantes. Especificações originais: 20Hz–20KHz (!)/6W. Infelizmente, nunca a ouvi. Dizem que requer caixa de horn traseiro de alta qualidade e amplificador SET 2A3 (300B tem potência excessiva!) para brilhar.
Lowther Series
Famosa por mais de 50 anos, com raízes nos anos 1920 (P.G.A.H. Voigt). Seu cone branco de papel duplo, quadro de design aerodinâmico e fase plug (central) em forma de cogumelo (em modelos premium) são icônicos. Recentemente, um novo fase plug "OVNI" melhorou a resposta de agudos.
O cone duplo permite divisão mecânica de frequência: médios-graves usam todo o cone; altas frequências usam principalmente o cone interno, com o fase plug otimizando radiação e dispersão. A Lowther ainda fabrica cones manualmente a partir de folhas planas (não polpa moldada), buscando espessura uniforme e mínima massa. Nervuras no cone aumentam rigidez e controlam divisão.
Sistemas magnéticos: ferrite, Alnico ou Neodymium. Todos têm alta eficiência. Alnico (ex.: PM-4A) tem força magnética extremamente alta (2.4 Tesla), extensão até 22kHz. Neodymium visa alta força com tamanho/custo reduzidos; seu desempenho é moderno, mas a preferência entre Neodymium e Alnico é subjetiva.
Requer caixa de horn traseiro para graves, devido à excursão limitada (1mm). Recentemente, o Lowther American Club desenvolveu projetos bass reflex com graves até 40Hz e melhor resolução em médios-graves – um tópico controverso.
Sonoramente, as Lowther compartilham características: presença impressionante, detalhes surpreendentes e dinâmica precisa. Medições frequentemente mostram leve protuberância nos médios-agudos e dispersão de agudos estreita ("sweet spot" pequeno). Personalidade marcante divide opiniões: entusiastas são fiéis; críticos questionam sua fidelidade.
Há Lowther Clubs na Europa, EUA e Japão. São unidades especiais e disponíveis – vale considerar.
Conclusão
Alto-falantes full-range, usados adequadamente, oferecem satisfação musical única: coerência de fase em todo o espectro, sem crossover para degradar o sinal, microdinâmica expressiva, palco sonoro e imagem excepcionais – qualidades difíceis de alcançar em multi-via. Mas nada é perfeito. Se você ouve rock pesado a 120dB, usa som para cinema ou canta alto com amigos, evite full-range – será frustrante para você e as unidades.
Use essas joias com cuidado, volume moderado e música simples, e você experimentará profunda emoção. A própria música será a recompensa, tornando o volume irrelevante.