Caixa acústica

Caixa acústica

Vista em corte de uma caixa acústica exibindo em seu
interior os alto-falantes para os sons graves,
médios e agudos e o divisor de frequências.

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Caixa acústica ou Caixa de Som, no Brasil, ou Coluna, em Portugal, é uma caixa construída em madeira, MDF ou plástico, contendo uma abertura para um amplificador sonoro (ou alto-falante), melhorando a reprodução sonora.

Função

Caixa acústica doméstica.

Caixas acústicas esféricas.

A finalidade desse aparato é impedir que se misturem as ondas sonoras dianteiras e traseiras emitidas pelos alto-falantes, o que causa interferência destrutiva e anula o som. No entanto, também são usadas para melhorar a acústica da reprodução sonora tanto em resposta em frequência quanto em tempo de resposta.

As caixas acústicas normalmente possuem mais de um alto-falante no intuito de cobrir melhor todas as faixas de frequências audíveis (em torno de 20 Hz a 20 kHz para seres humanos). As unidades pequenas são chamadas de tweeters e são responsáveis pelos sons agudos. As unidades de média frequência são chamadas de mid-ranges e as de frequências graves de woofer. Quando alto falantes reprodutores de diferentes faixas de áudio são instalados simultaneamente na mesma caixa acústica, é necessário o uso de crossovers (divisores de frequências), que podem ser ativos ou passivos (ver: Filtro ativo e Filtro passivo). Divisores de frequências ativos tem maior custo e complexidade mas, são mais eficientes.

Para otimizar o funcionamento de cada tipo de alto-falante, o sinal que chega à caixa passa por um circuito divisor de frequências (crossover em inglês), uma espécie de filtro eletrônico que distribui o espectro sonoro adequadamente entre as diversas unidades. Assim, após esse filtro somente os agudos são passados para os tweeters, os médios para os mid-ranges e somente os graves para os subwoofers.

Para audição em aparelhos de som de alta fidelidade são usadas caixas acústicas aos pares para obter o efeito da estereofonia. Em cinemas e home-theaters são usados múltiplas caixas acústicas para obter o efeito de surround.

Tipos de aparelhos

Existem vários tipos de caixas acústicas, e no seu projeto são usados os parâmetros T/S dos alto-falantes.

Selada

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As caixas acústicas seladas, ou suspensão acústica, são caracterizadas pelo quase completo isolamento da massa de ar traseira do falante em relação à da dianteira. Como o ar dentro da caixa é comprimido e expandido conforme a movimentação do cone do alto-falante, a pressão interna tem efeito similar a uma mola, expelindo o cone quando ele entra e puxando o cone quando ele sai. Esta é uma caixa relativamente fácil de ser projetada, sendo sua única variável o volume interno de ar livre.

No entanto, a suspensão (mola ou alto-falante) acústica é bastante menos linear que a mecânica. Por isso é aconselhável projetar o alto-falante e a caixa de forma que a força de restituição predominante seja a mecânica.

Acusticamente, ela é caracterizada por tempos de resposta rápidos, isto é, a variação do tempo de resposta do alto-falante varia pouco em função da frequência, ficando geralmente abaixo de 10ms. Assim, ela é responsável por graves rápidos e precisos, percebido em tambores e bumbos rápidos. Porém, sua desvantagem é a extensão dos graves, isto é, a resposta em frequência cai relativamente bastante conforme se entra na região dos sub-graves (<50 Hz). A resposta do alto-falante numa caixa deste tipo está 180 graus fora de fase acima da ressonância com a resposta abaixo da ressonância.

No entanto, abaixo da ressonância o nível sonoro é tão baixo que existe pouco efeito audível, daí que neste tipo de caixa só se considera a resposta dum driver acima da ressonância. Quanto maior for a força do ímã mais rapidamente se dá esta mudança de fase, daí que ímãs mais fortes representam melhores transientes mas pior extensão do grave...

Dutada (com pórtico)

Esquema de caixa acústica dutada

Também chamada de refletora de graves, esta caixa também é selada em toda sua extensão com exceção de um duto. Este duto, ou pórtico, é nada mais que um tubo de diâmetro e comprimento projetados para ressonar em uma frequência desejada. É um projeto mais complexo por envolver estas variáveis a mais além do volume da caixa, e necessita de um estudo de compromisso entre resposta em frequência e tempo de pergunta.

Um fator prático a ser considerado é a velocidade do ar no duto, que se for muito alta pode "soprar" e causar ruídos indesejados. Este tipo de caixa tem grande versatilidade pois pode ter seu comportamento drasticamente alterado por uma simples alteração do comprimento do duto.

Acusticamente, ela tem um reforço de amplitude na região de ressonância do duto de 3dB, e pode ser projetada para que fique plana e capaz de responder com força na região dos sub-graves. Porém, sua desvantagem está no alto tempo de resposta e a sua variação em frequência, podendo ficar com valores de até 20-30ms de diferença entre 20 Hz e 80 Hz. Isso significa que uma batida de um tambor pode ter o impacto inicial no tempo da música, e o sub-grave demorar para responder, ficando um som embolado e atrasado. Se bem projetada, a caixa oferece um compromisso adequado em tempo de resposta, resposta em frequência e um grave forte e contínuo.

Esquema de caixa passa banda de 4ª ordem

Passa Banda

Caixas Passa Banda ou Band-Pass são caracterizadas por reproduzir somente uma faixa de frequência. Seu projeto é muito complicado e difícil de acertar, e seu comportamento se assemelha a de uma dutada. Dependendo da configuração de dutos, são chamadas de 4ª ou 6ª ordem. Em som automotivo é ideal para aplicação em sedãs e camionetes .

Linha de transmissão

Linha de Transmissão

É uma caixa diferente das anteriores. Ela pouco se parece com uma caixa pois na verdade não é selada nem tem dutos, mas sim se assemelha a um grande corredor na traseira do alto-falante, cuja área é equivalente à do cone, aberto na outra extremidade. Possui um projeto refinado e alia o baixo tempo de resposta de uma caixa selada com a extensão de resposta de uma caixa dutada. Entretanto, seu uso é restrito devido a suas grandes dimensões.

Esférica

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1: Propagação das ondas sonoras em caixa retangular e esférica.
2: Vibração natural em caixa retangular e esférica.

A forma esférica traz vantagens na reprodução sonora dentro e fora da caixa.

• 1 - Há menos interferência dentro de uma caixa de alto-falante esférica do que numa de formato retangular. Mais especificamente, menos ondas estacionárias porque não existem paredes paralelas.
• 2 - Além disso, o invólucro pode ser projetado com uma espessura de parede constante e homogênea, que distribui os impulsos de forma mais uniforme por todo o invólucro.
• 3 - A esfera é o corpo geométrico, com a menor superfície em relação ao volume. Menos área significa menos vibrações indesejadas.
• 4 - Com a forma esférica, a propagação sonora, que flui da membrana do alto-falante, não é prejudicada por cantos retos. Isso minimiza o fenômeno indesejável do "Sweet Spot": o efeito de que um som equilibrado só é alcançado em uma determinada posição de audição.

Desvantagens: vantagens como baixa vibração natural são efetivas somente numa forma esférica sem emendas. No entanto, este é um desafio na produção, especialmente com caixas acústicas esféricas de madeira ou porcelana.

Ver também

• Caixa acústica sem fio
• Subwoofer
• Thiele/Small - parâmetros usados no projeto de caixas acústicas
• Tweeter

Ligações externas

• «Som automotivo». - tutorial caixas acústicas 
• «Quarter-Wave» (em inglês). - detalhes da configuração Linha de Transmissão