Uma caixa de som antiga pode se transformar em uma excelente plataforma para experiências de áudio.
Neste projeto, aproveitei uma caixa de som de sucata e adaptei nela um tweeter piezoelétrico, utilizando uma pastilha de cristal piezo. Além da montagem, fiz algo que considero especialmente interessante: ouvir o tweeter funcionando separadamente, permitindo perceber claramente qual parte do espectro sonoro ele reproduz.
É uma experiência simples, mas que ajuda a entender o funcionamento de sistemas de caixas acústicas com mais de um tipo de alto-falante.
Para que serve o tweeter em uma caixa de som?
Um único alto-falante pode tentar reproduzir uma grande faixa de frequências, mas existem limitações mecânicas.
Por isso, muitas caixas utilizam diferentes transdutores:
woofer → frequências mais baixas
mid-range → frequências médias
tweeter → frequências mais altas
O tweeter é responsável principalmente pelos agudos.
Pratos de bateria, harmônicos dos instrumentos e vários detalhes de uma gravação possuem componentes importantes nessa região.
Quando adicionamos um tweeter a uma caixa que possui apenas um alto-falante principal, a intenção é justamente melhorar a reprodução das frequências mais altas.
O que é um tweeter piezoelétrico?
Diferentemente de um alto-falante eletrodinâmico convencional, o tweeter piezoelétrico não depende necessariamente do conjunto tradicional:
ímã + bobina móvel + cone
Seu funcionamento explora o efeito piezoelétrico.
Determinados materiais piezoelétricos sofrem pequenas deformações mecânicas quando submetidos a um campo elétrico.
Aplicamos o sinal de áudio:
tensão alternada → material piezoelétrico se deforma → elemento vibra → produz som
É essa propriedade que permite utilizar uma pequena pastilha piezoelétrica como transdutor.
A pastilha de cristal piezo é o coração da experiência
Aquela pequena pastilha que encontramos em buzzers, alarmes e outros dispositivos é um excelente componente para experiências.
Normalmente vemos uma região metálica circular com material piezoelétrico associado a ela.
Ao aplicarmos uma tensão variável, ocorrem pequenas deformações.
Se essa tensão contém um sinal de áudio, as deformações acompanham suas variações.
O resultado é:
sinal elétrico de áudio
↓
deformação mecânica
↓
vibração
↓
onda sonora
O princípio é bastante diferente daquele utilizado em um alto-falante de bobina móvel.
Por que o piezo reproduz principalmente os agudos?
Um tweeter piezo apresenta um comportamento elétrico predominantemente capacitivo. Sua reatância varia com a frequência segundo a relação:
Xc = 1 / (2πfC)
Isso significa que sua oposição elétrica diminui à medida que a frequência aumenta.
Mas o comportamento acústico não depende apenas disso. As características mecânicas do elemento, sua montagem, dimensões, ressonâncias e eventual corneta também determinam a faixa que ele consegue reproduzir adequadamente.
Por isso, esses elementos são especialmente apropriados para trabalhar na região dos agudos.
Ouvindo somente o tweeter
Essa é uma parte da experiência que considero bastante didática.
Quando ouvimos uma caixa completa, recebemos simultaneamente graves, médios e agudos.
Fica difícil perceber exatamente o que cada componente está fazendo.
Quando ouvimos somente o tweeter, a diferença fica evidente.
Não devemos esperar ouvir:
graves fortes + corpo da voz + peso dos instrumentos.
O que aparece principalmente são os componentes de alta frequência.
O som isolado pode até parecer estranho, fino ou incompleto.
Isso não significa necessariamente que o tweeter esteja funcionando mal.
Ele foi projetado justamente para complementar o restante da caixa.
Juntando o alto-falante e o tweeter
Podemos pensar na caixa de maneira bastante simplificada:
Sinal de áudio
↙︎ ↘︎
alto-falante principal tweeter
↓ ↓
graves/médios agudos
↘︎ ↙︎
som reproduzido pela caixa
Na prática, projetar corretamente uma caixa acústica exige considerar resposta em frequência, sensibilidade, impedância, fase, nível acústico e crossover.
Mas uma montagem experimental como esta permite visualizar o conceito básico de maneira muito clara.
O piezo é eletricamente diferente de um tweeter convencional
Aqui temos um detalhe importante.
Não devemos tratar automaticamente um tweeter piezo como se fosse simplesmente um tweeter convencional de 4 Ω ou 8 Ω.
O elemento piezo apresenta uma carga predominantemente capacitiva, e sua impedância varia bastante com a frequência.
Isso afeta a forma como projetamos sua ligação ao amplificador.
É justamente por isso que circuitos destinados a tweeters piezo podem utilizar resistores e redes específicas para controlar nível, carga e faixa de funcionamento.
Precisa colocar capacitor em série?
Essa pergunta merece cuidado porque existe uma diferença entre um tweeter convencional e um piezo.
Em um tweeter eletrodinâmico tradicional, colocar um capacitor em série é uma maneira clássica de criar um filtro passa-altas, reduzindo as frequências baixas que chegam ao tweeter.
No piezo, entretanto, o próprio transdutor já possui comportamento capacitivo. Portanto, simplesmente aplicar a mesma fórmula de crossover utilizada para um tweeter resistivo de 8 Ω pode produzir resultados incorretos.
Dependendo da aplicação, pode-se utilizar uma rede com resistor em série, resistor em paralelo e capacitor, criando uma carga mais previsível para o amplificador e controlando melhor a resposta.
Para esta experiência, o mais importante é compreender que piezo e tweeter convencional não devem ser tratados eletricamente como se fossem exatamente a mesma coisa.
O formato da montagem também influencia o som
A pastilha sozinha consegue produzir som, mas a maneira como sua vibração é acoplada ao ar influencia bastante o resultado.
É por isso que tweeters piezo comerciais podem apresentar formatos de corneta.
Não estamos apenas lidando com eletricidade.
Temos uma cadeia completa:
circuito elétrico → transdutor → vibração mecânica → acústica → ouvido
Alterar a montagem mecânica pode modificar o resultado percebido mesmo sem alterar o circuito eletrônico.
E por que utilizar uma caixa de sucata?
Porque ela transforma um componente que poderia ser descartado em uma bancada experimental.
Em vez de simplesmente jogar fora uma caixa antiga, podemos desmontá-la, observar sua construção e experimentar:
alto-falantes
tweeters
filtros
materiais acústicos
ligações
amplificadores
Esse tipo de reaproveitamento é particularmente interessante para aprender eletrônica aplicada ao áudio.
Veja a adaptação e ouça o tweeter piezo
No vídeo abaixo mostro a adaptação de um tweeter piezoelétrico em uma caixa de som reaproveitada e faço o teste para que seja possível ouvir o áudio produzido pelo elemento piezo.
Uma experiência simples para entender melhor uma caixa acústica
Quando olhamos uma caixa pronta, enxergamos apenas os alto-falantes instalados na frente.
Mas por trás dela existe uma divisão de trabalho.
Cada transdutor pode ser responsável por uma parte diferente do espectro sonoro.
Ao colocar um tweeter piezo para funcionar separadamente e ouvir seu som, fica muito mais fácil compreender por que ele existe e o que acrescenta ao conjunto.
E uma simples pastilha piezoelétrica acaba permitindo estudar vários conceitos ao mesmo tempo:
piezoeletricidade → transdução → frequência → impedância → filtros → acústica → reprodução de áudio.
É mais um exemplo de como componentes simples e até materiais de sucata podem se transformar em experiências bastante úteis para aprender eletrônica na prática.