Sensibilidade dos alto-falantes.

Lançando alguma ''Luz" sobre a especificação de sensibilidade e como ela pode se traduzir no desempenho do mundo real de um sistema de alto-falante ...

A especificação da sensibilidade de um alto-falante é provavelmente uma das mais comuns, mas talvez uma das mais incompreendidas. É comum ver a resposta de magnitude de um sistema de alto-falante reduzida a um único número como uma classificação de sensibilidade. Este é talvez o causa da confusão.

Alguém poderia pensar que essa medição deve dar alguma indicação de quanto o alto falante reproduzirá um sinal. Também se pode pensar que dois alto-falantes com a mesma classificação de sensibilidade serão igualmente altos ao reproduzir o mesmo sinal. Cada uma dessas afirmações é apenas parcialmente verdadeira.

A sensibilidade de um alto-falante pode fornecer uma indicação do seu nível de saída, mas apenas para um sinal com largura de banda específica e conteúdo espectral.

Da mesma forma, dois alto-falantes com a mesma sensibilidade podem não emitir o mesmo SPL quando excitados pelo mesmo sinal se os limites de resposta de frequência dos dois alto-falantes forem diferentes. Vamos analisar a causa subjacente de cada um desses efeitos, a largura de banda e o papel que desempenha, e também o porquê da sensibilidade não precisar mais ser referenciada a um watt.

De acordo com a norma IEC60268-5, a sensibilidade de um alto-falante é determinada medindo sua saída quando acionada por um sinal de ruído rosa limitado por banda com um tensão Vrms igual à raiz quadrada da impedância nominal do alto-falante e referenciando este SPL a uma distância de 1 metro.

A largura de banda do ruído rosa é limitada em função da faixa de frequência efetiva do DUT (Dispositivo em teste). Isso é feito para garantir que o sinal de teste fique confinado a uma parte do espectro de frequência na qual o DUT possui uma saída especifica.

Se um alto-falante em particular não for capaz de reproduzir sinais abaixo de 150 Hz, não adianta excitá-lo com esses sinais além de gerar calor. O mesmo vale se o alto-falante não conseguir reproduzir sinais acima de algum limite de alta frequência.

Uma medição da função de transferência de alta resolução do DUT também pode produzir uma classificação de sensibilidade idêntica quando a magnitude média é calculada com base na frequência do log. Como exemplo, vejamos a abaixo . Aqui vemos a resposta no eixo de um alto-falante. Sua classificação de sensibilidade é mostrada como a linha reta.

Resposta à magnitude e classificação de sensibilidade de número único do sistema de alto-falantes A.

O comprimento dessa linha coincide com os limites de frequência superior e inferior do ruído rosa usado para medir a classificação de sensibilidade. O conteúdo espectral desse sinal de ruído é mostrado na abaixo .

Conteúdo espectral do sinal usado para determinar a classificação de sensibilidade do alto-falante A.

Se um sinal com conteúdo espectral diferente, mas o mesmo nível de banda larga fosse usado para acionar esse alto-falante, isso resultaria no mesmo SPL que a sensibilidade?

É impossível determinar isso sem conhecer o conteúdo espectral do sinal e a resposta do alto-falante. (Observe que 20 Hz a 20 kHz, ou no caso da Figura 1, 110 Hz-8,3 kHz, não especifica a resposta de um alto-falante. Um gráfico da curva de resposta realmente precisa ser conhecido.)

Com conhecimento disso, certamente podemos fazer uma estimativa para responder a essa pergunta. O conteúdo espectral de três sinais diferentes é mostrado abaixo .

Conteúdo espectral do sinal usado para determinar a classificação de sensibilidade do alto-falante A na Figura 1 (vermelho), fala (cinza) e ruído em forma de fala com aproximadamente o mesmo conteúdo espectral da fala (azul).

Um é o sinal de ruído rosa com banda limitada usado para determinar a sensibilidade do alto-falante. Os outros são fala e um sinal de ruído modelado com aproximadamente o mesmo conteúdo espectral que a fala. Esse ruído em forma de fala é usado em vez da fala, pois seu nível de RMS é mais consistente em função do tempo do que a fala real.

Assim, será mais fácil determinar a saída SPL pelo DUT com este sinal. Todos os três sinais têm aproximadamente o mesmo nível de banda larga RMS. De aproximadamente 200 a 800 Hz, o sinal de ruído em forma de fala tem um nível maior que o sinal de ruído rosa.

Acima e abaixo dessa região de frequência, o sinal de ruído rosa possui um nível muito maior do que o sinal de ruído em forma de fala.

Comparando isso com a resposta do alto-falante na Figura 1, vemos que o alto-falante tem uma saída limitada abaixo de 150 Hz. A maior saída na resposta do alto-falante ocorre na região de 300 Hz a 3 kHz.

Se o sinal de ruído em forma de fala fosse usado para acionar o alto-falante com o mesmo nível de banda larga que o ruído, poderíamos razoavelmente esperar que o SPL de banda larga fosse maior do que quando acionado com o sinal de ruído rosa. É exatamente o que acontece.

A sensibilidade do alto-falante é de 97,1 dB. Quando acionado com o ruído em forma de fala, o SPL é de 98,1 dB, um aumento de 1,0 dB. Isso resulta do nível mais alto do sinal em forma de fala na região de frequência em que o alto-falante possui maior capacidade de saída em comparação com o restante de sua banda de passagem.

Por outro lado, se o ruído rosa limitado por banda de baixa frequência mostrado na figura abaixo for usado para acionar o alto-falante, é razoável esperar que o SPL seja menor do que quando acionado pelo sinal de ruído. Isso resulta do sinal de ruído rosa de baixa frequência ter um nível mais alto na região de frequência em que o alto-falante possui menor capacidade de saída. O SPL produzido pelo ruído rosa de baixa frequência é de 94,9 dB, uma diminuição de 2,2 dB.

Conteúdo espectral do sinal usado para determinar a classificação de sensibilidade do alto-falante A na Figura 1 (vermelho) e do ruído rosa limitado da banda de baixa frequência (verde).

Agora vamos comparar dois alto-falantes diferentes. A Figura abaixo mostra o alto-falante A comparado ao alto-falante B. Observe que ambos têm a mesma sensibilidade, 97,1 dB. O alto-falante B, no entanto, tem maior frequência baixa e extensão de alta frequência do que o alto-falante A.

Resposta à magnitude e classificação de sensibilidade de número único do sistema de alto-falantes A (vermelho) e do alto-falante B (preto).

Por esse motivo,a largura de banda do ruído rosa usada para determinar a sensibilidade do alto-falante B é maior que a largura de banda do ruído usado no alto-falante A (figura abaixo ). Como resultado, o nível de ruído na banda média do alto-falante B é um pouco menor do que o ruído usado no alto-falante A. É um pouco difícil de ver, mas após uma observação cuidadosa, o traço preto pode ser visto como uma média de 0,5 dB abaixo do traço vermelho de aproximadamente 100 Hz a 10 kHz.

Conteúdo espectral do sinal usado para determinar a classificação de sensibilidade do alto-falante A (vermelho), do alto-falante B (preto) e do ruído de banda larga rosa (verde).

Isso se deve à maior largura de banda do sinal usado no alto-falante B (traço preto). Lembre-se de que os níveis de banda larga de ambos os sinais são idênticos. S o que acontece quando cada uma destas colunas é accionado pelo sinal de banda larga rosa ruído (20 Hz, 20 kHz), também mostrada na Figura 6? Como cada um dos alto-falantes usados ​​neste exemplo não é marcadamente plano na resposta da banda média, pode haver algumas diferenças tonais e potencialmente mensuráveis ​​no SPL.

Felizmente, o leitor pode deixar essas questões de lado por enquanto. Todas as outras coisas são iguais, o alto-falante com a maior faixa de freqüência efetiva (extensão de baixa e alta frequência) deve ter uma saída SPL maior.

O alto-falante B deve ter uma saída um pouco maior quando acionado por esse sinal de ruído rosa de banda larga. De fato, o alto-falante B mediu 0,8 dB maior que o alto-falante A, 97,0 dB em comparação com 96,2 dB.

A partir desses exemplos, deve-se ver que o SPL gerado por um alto-falante é uma função da função de transferência do alto-falante e do espectro do sinal que está sendo reproduzido.

Vários programas de modelagem acústica de salas levam isso em consideração ao calcular o SPL produzido em uma área de audiência pretendida. Eles podem permitir a seleção de ruído rosa, algum tipo de espectro de fala ou um espectro definido pelo usuário.

Isso deve ajudar o projetista do sistema de som, enquanto ainda está no estágio de desenho, a entender melhor os recursos potenciais de SPL do sistema de som com o material de programa típico que o sistema provavelmente está reproduzindo.

O outro item que mencionei no início deste artigo foi referenciar medidas de sensibilidade a um watt dissipado pelo DUT.

Existem várias razões pelas quais acho que isso não é benéfico nos sistemas de som modernos.

Primeiro, é um pouco complicado determinar quanta tensão é necessária em um DUT específico, de modo que a corrente de entrada extraída da fonte de acionamento produz 1 watt. Isso pode ser feito usando sistemas de medição FFT de canal duplo e um monitor ou sonda de corrente apropriada.

Mas isso nos daria informações úteis para o design e / ou especificação de alto-falantes ou sistemas de som?

Podemos simplificar esse procedimento de medição para não nos preocuparmos com a dissipação de um watt real pelo DUT. Em vez disso, aplicamos uma tensão no DUT que dissiparia um watt em uma resistência pura, tendo o valor da impedância nominal do DUT.

Isso certamente é mais fácil, mas, novamente, isso nos fornece informações úteis para o design e / ou especificação de alto-falantes ou sistemas de som? Possivelmente.

Meu pensamento é que informações comparativas mais úteis seriam obtidas pela aplicação da mesma tensão no DUT, independentemente de sua impedância.

Atualmente, a maioria dos amplificadores usados ​​em sistemas de som é de tensão constante. Ou seja, a tensão de saída permanece constante, independentemente da carga colocada sobre eles. Obviamente, a carga deve estar dentro dos limites operacionais especificados para um determinado amplificador. O ponto importante é que, para uma determinada tensão de unidade, um alto-falante com impedância menor terá uma saída SPL maior do que um alto-falante com impedância mais alta; todos os outros itens são iguais.

Pense nisso desta maneira; vamos conectar dois alto-falantes praticamente idênticos a um seletor A / B acionado pelo mesmo amplificador. A única diferença entre esses alto-falantes é que um é metade da impedância (classificada em 4 ohms) que a outra (classificada em 8 ohms).

Ao alternar entre esses dois alto-falantes, a tensão de saída do amplificador não muda, no entanto, a corrente consumida pelo amplificador muda.

Isso resulta no alto-falante com a impedância nominal mais baixa produzindo maior SPL.

Medir e especificar a sensibilidade com a mesma tensão, independentemente da impedância do DUT, revelaria com precisão as diferenças de SPL que ocorrem.

A partir desses exemplos, espero que fique claro que o sinal de entrada e a resposta de magnitude (frequência) de um alto-falante determinarão o SPL gerado, não apenas a classificação de sensibilidade do alto-falante. É muito melhor ter conhecimento da resposta do alto-falante na forma de gráfico do que um único número de sensibilidade. O último pode ser derivado do primeiro.

Até próxima....