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Engenheiros de Som, Vamos Falar sobre Ganho do Sistema de uma Forma "Padronizada"

2025-05-29
  No início do mundo de PA, obter ganho de som usando alto-falantes e amplificadores era algo árduo. Na época, quando um estágio de potência atingia 100W ou mesmo 150W, conectado a um alto-falante, era realmente o máximo! Ou seja, o principal tópico de discussão era quantos watts, e não o padrão atual de ganho de pressão sonora.
  Hoje, amplificadores de 100 watts não são mais o padrão. Processos de fabricação de alto-falantes de alta tecnologia estão profundamente enraizados no mercado de consumo, com amplificadores de 1000W ou potências ainda maiores. Na tecnologia industrial atual, o ganho é algo que se pode obter facilmente, desde que se tenha orçamento suficiente. Porém, quando as regras do jogo se estabelecem, a percepção das pessoas não se atualiza simultaneamente, e lacunas de conhecimento frequentemente surgem, especialmente porque não somos uma unidade de declaração de especificações, e problemas de linguagem aumentam ainda mais a taxa de "User Bug".
  No nosso círculo de áudio atual, quantas pessoas usam as regras físicas e logarítmicas padronizadas para calcular o número necessário de alto-falantes no local ou o ganho do amplificador? Quase sempre se define aproximadamente o número de alto-falantes pelo preço. Esse problema nunca foi discutido seriamente abertamente. Vamos agora entender a capacidade do nosso próprio sistema de uma forma padronizada.
  Introdução
  Estruturar um sistema de reforço/suporte de som é algo que muitas pessoas não conseguem alcançar plenamente. Há grandes razões para precisar de suporte na transmissão sonora. A conversa cara a cara é direta e clara, mas se estivermos a 30 metros de distância? Para falar com descontração e clareza, precisamos de suporte. Com o quê? De um sistema eletroacústico, usando equipamentos eletrônicos para estender a audição necessária no local. Isso requer alguns cálculos de combinação de equipamentos de som. (Seguindo a prática anterior, vamos tentar evitar matemática tanto quanto possível para tornar o artigo mais interessante. Os dados aqui introduzidos são leis físicas existentes e a característica logarítmica comparativa do ouvido humano, não o novo algoritmo de "matriz".)
  De quanto ganho precisamos?
  Um bom Sound Man sempre define claramente o sistema de som que vai usar no show, entendendo como funciona o SPL (nível de pressão sonora) antes e depois, para poder controlar as nuances do programa musical durante o evento. Sem esse valor de pressão sonora pré-estabelecido na estrutura operacional, você perceberá que está sempre abaixo ou até acima da especificação total de ganho necessária do sistema, e infelizmente essa situação é comum no meio.
  É crucial notar: nunca force um sistema com condições de ganho de som insuficientes. Danifica não apenas o equipamento, mas sua própria capacidade técnica será questionada. Por outro lado, quando a condição total de ganho sonoro excede a demanda nominal do local, o Sound Man no painel terá um processo tranquilo e agradável.
  Vamos supor uma situação de trabalho: em um ambiente de local médio interno (um cenário comum para muitos), desejamos que a pressão sonora de desempenho normal do programa musical seja de 95dB da posição do alto-falante até a do ouvinte. Relativamente, seu pico dinâmico seria de 101dB. Em seguida, adicionamos os 10dB de pico dinâmico (Head Room) que desejamos, para atender à demanda dinâmica instantânea de desempenho no local.
  Todos sabemos que o som dos alto-falantes se espalha de forma aproximadamente esférica. A atenuação do ponto de origem do som com a distância é proporcional ao quadrado da distância. Segundo essa conversão de medição, sempre que a distância dobra, o nível de pressão sonora diminui em 6dB (nota: esta conversão não se aplica a matrizes verticais).
  Suponhamos também que a mesa de som esteja montada a 80 pés (24.24 metros), e a sensibilidade do alto-falante seja referenciada ao padrão AES (Audio Engineering Society) de 1W a 1 metro, obtido pela injeção de potência no alto-falante. A fórmula para a perda de nível devido à distância é então:
  Fórmula 1
  Valor de perda de pressão sonora por distância = 20log(distância em pés / 3.3)
  Valor de perda de pressão sonora por distância = 20log(distância em metros)
  A primeira linha da Fórmula 1 é para converter distâncias medidas em pés para metros. Agora, inserindo nossos dados hipotéticos (não esqueça a calculadora de engenharia), usando a "Fórmula 1", esses 80 pés convertidos são aproximadamente 24.242424... arredondamos para 24 metros. Então, pegamos o logaritmo (log) de 24 metros, o valor obtido é 1.38457..... Multiplicado por 20, a resposta final é 27.6915...., arredondado para 28dB.
  Portanto, a história nos diz: a uma distância de 80 pés (24 metros) entre a posição do ouvinte e o ponto de emissão do som, haverá uma perda de pressão sonora de 28dB. Certo! Pegando o pico dinâmico de 101dB do exemplo anterior, mais os 10dB de pico dinâmico pré-definidos, mais os 28dB de perda por distância, temos 101dB + 10dB + 28dB = 139dB. Sabemos então que do mixer até a posição de emissão do alto-falante, seu SPL máximo precisa ser de 139dB. Claro, se um único alto-falante pudesse emitir 139dB a partir de sua posição original mesmo depois de 80 pés, um único alto-falante resolveria. Mas a tecnologia ainda não está tão avançada, então devemos escolher obedientemente um alto-falante que atenda ao padrão AES de pico nominal de pressão sonora de 139dB medido a 1 metro com 1W, e depois aumentar o número de alto-falantes com essa especificação. É por isso que os sistemas principais de alto-falantes precisam de tantas unidades. Entendeu?
  Os alto-falantes principais usados hoje quase nunca são de via única (full-range), são principalmente de três vias (3way), divididos em faixas de alta (HF), média (MF) e baixa (LF) frequência.
  Os valores mínimos de especificação de potência nominal declarados pela AES para cada faixa são:
  Faixa do Alto-falante —— HF —— MF —— LF
  Valor 1W@1m ———— 112dB —— 109dB —— 103dB
  Valor Nominal de Potência AES —— 200W —— 400W —— 1000W
  Valor Máximo de SPL Calculado —— 141dB —— 141dB —— 139dB
  Cálculo do SPL Máximo (MAX.SPL) do Alto-falante:
  Suponha um alto-falante de certa marca com sensibilidade (1W@1m) de 112dB para agudos (HF), 109dB para médios (MF) e 110dB para graves (LF). Podemos usar esta fórmula para calcular sua pressão sonora máxima (1W@1m).
  Fórmula 2:
  Pressão Sonora Máxima = Sensibilidade do alto-falante 1W@1m + 10log(Potência Nominal Mínima Declarada AES) + Pico de 6dB
  SPL = Agudos 112 + 10log(200W) + 6dB
  SPL = 112 + 23 + 6
  SPL = 141dB
  Na calculadora de engenharia, você pode inserir tudo de uma vez e ver o valor total. Em uma calculadora comercial comum, primeiro calcule o log(aritmo) de 200W para agudos, seu valor multiplicado por 10 é aproximadamente 23.010299..., mais 112dB = 135.0102...., mais o coeficiente de pico de 6dB. O componente de agudos deste alto-falante é 141dB, maior que o requisito de 139dB.
  Aqui vemos uma matemática útil: a fórmula para converter qualquer potência do amplificador final em dBW (decibéis-watt) é:
  Fórmula 3:
  10log(potência em watts)
  O componente de médios também é calculado usando a Fórmula 2. Como o SPL do componente de baixa frequência está abaixo do padrão, é necessário adicionar o dobro de alto-falantes graves com a mesma resposta de frequência para atender a esse padrão de pressão sonora hipotético.
  Uma segunda maneira é reduzir a energia das faixas de médios/agudos para combinar com a pressão sonora da faixa completa, o que equivale a reduzir o valor padrão de pressão sonora anterior.
  Reduzir de 141 dB SPL para 139 dB SPL não é apenas uma questão de 3dB. Um artigo anterior mencionou que a percepção humana de mudança no volume do som é de +-3dB, e essa mudança de 3dB já representa uma mudança de +-10 vezes na potência do amplificador final.
  O exemplo acima usou 8 ohms. Em aplicações reais de investimento, quase todos usam conexões paralelas de 4 ohms, significando dois alto-falantes conectados a um canal do amplificador. Vamos ver como isso difere. Um alto-falante de agudos de 112dB, mais outro, dá 115dB.
  10log(10^(112/10) + 10^(112/10)) = 115
  Além disso, quando um amplificador de 200W opera a 4 ohms, geralmente aumenta a energia em 75%. Não é 100% devido a requisitos de potência elétrica, perdas na linha, etc., resultando em aproximadamente 300W para alimentar esses dois tweeters.
  Aplicando a Fórmula 2:
  Pressão Sonora Máxima = Sensibilidade do alto-falante 1W@1m + 10log(Potência Nominal Mínima Declarada AES) + Pico de 6dB
  MaxSPL = 115dB + 10log(300) + 6dB
  MaxSPL = 115 + 24.7 + 6
  MaxSPL = 145.7 = 146dB
  Este resultado atende ao nosso padrão hipotético de pressão sonora. Sem aumentar o amplificador final, a pressão sonora aumentou. Qual é a diferença? Aumentamos o número de alto-falantes e, mais importante, cada amplificador final está consumindo o dobro da corrente. O mais crítico é a proteção térmica. Muitos amplificadores finais, quando a temperatura sobe, frequentemente desligam ou colapsam, reduzindo a potência de saída para baixar rapidamente a temperatura do circuito. Isso é um problema.
  OK, voltando ao conteúdo anterior de 8 ohms. Os entendidos já sabem que para sentir o dobro da pressão sonora, é necessária uma diferença de quase 10dB para que você realmente perceba.
  Portanto, sejamos práticos. Explicamos aqui, caros leitores, que conhecendo os valores máximos de SPL de cada faixa do alto-falante mencionado, devemos selecionar amplificadores com a potência nominal adequada. Use esta fórmula para calcular a potência nominal de cada faixa:
  Fórmula 4:
  dBW = Pico de Pressão Sonora – Sensibilidade do Componente de Faixa + Perda por Distância
  O (Pico de Pressão Sonora) na fórmula é o pico dinâmico hipotético anterior de 101dB (95dB de audição + 6dB de pico dinâmico), mais os 10dB de Head Room que desejamos, então 101dB + 10dB = 111dB. A sensibilidade do componente de faixa é o valor 1W@1m de cada componente dentro do alto-falante. A perda por distância é o valor de perda de pressão sonora de 28dB calculado anteriormente para 80 pés (24 metros). Ok, agora inserimos os valores de cada faixa para calcular sua potência nominal:
  Agudos: (111dB – 112dB) + 28dB = 27dBW.
  Médios: (111dB – 109dB) + 28dB = 30dBW.
  Graves: (111dB – 103dB) + 28dB = 36dBW.
  Convertendo dBW de volta para watts, como mostrado na tabela anexa, podemos ver algumas pistas:
  Agudos 27dBW = 500W
  Médios 30dBW = 1000W
  Graves 36dBW = 4000W
  Após organizar, vemos uma diferença: os dados para os graves exigem muito mais reforço. Podemos usar múltiplos amplificadores finais de 1000W com alto-falantes graves, ou o método de 4 ohms mencionado anteriormente para atingir o padrão hipotético. Após ler este artigo, você também obteve algumas fórmulas matemáticas simples que podem ajudar no planejamento inicial, calculando quanto SPL e quais valores dinâmicos usar, etc. Você pode verificar as especificações dos seus próprios alto-falantes principais. Usando meus próprios MARTIN VRS-1000 como exemplo,
  1m@1W=106dB, eu uso um amplificador final de 1000W, então 106 + 30 = 136dB
  na posição de 1m. Então, usando o método comum de conexão de 4 ohms, obtemos 109 + 31.5 = 140.5dB nessa posição (1m).
  O objetivo deste artigo é permitir que você entenda quanta energia seus amplificadores finais e alto-falantes podem fornecer. Isso ainda não inclui se soa bem ou não, trata-se apenas do amplificador final e alto-falantes. Indo mais adiante, há a seção de pré-amplificação: onde devem ser ajustados? Qual é o padrão? Tudo isso precisa ser ajustado e compreendido após a montagem de um sistema.
  Mesa de Mixagem & Processadores (Mixing Console & Processors)
  O nível de saída da mesa de mixagem e o nível de sinal entre os processadores downstream são cruciais. Ao conectar-se finalmente ao amplificador final, você deve entender claramente: qual indicação de nível de sinal na mesa de mixagem faz seu amplificador final operar em plena carga? Qual indicação de nível faz o amplificador atingir o corte máximo de pico? Isso é extremamente importante.
  Mesas de mixagem comuns podem lidar com níveis de saída entre +18dBu e até +24dBu. Simplificando, se você usar +4dBu (1.23V) = 0VU; e seu equipamento de processamento digital opera a -18dB (dBFS) ou -20dB (dBFS) = +4dBu, então, se seu amplificador final estiver configurado para operação em plena carga a 0.775V ou 1.4V, você entenderá claramente em que faixa o amplificador está operando. Portanto, é muito importante entender e definir o ponto de corte de pico do amplificador e a relação entre ganho do amplificador em dB e tensão.