sonorização de ambientes

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Aldo Soares trabalha há 19 anos com
áudio, é operador de PA, engenheiro
projetista e educador de áudio.
aldo@arsnet.com.br
Figura 1
Sonorização de ambientes
Luciano Freitas
A cobertura vertical de uma caixa acústica ou, de um arranjo “array” de caixas acústicas
irradiará sua energia e determinará o alcance e a forma que um ambiente será sonorizado
Quando tratamos de uma caixa somente para sonorizar um ambiente, ou seja, um elemento sozinho
no ambiente, tratamos com as interferências, e suas conseqüências, provocadas pelas reflexões
dentro desse ambiente. Quando temos mais de uma caixa interagindo dentro do ambiente, lidamos
com as interações provocadas pelas caixas e com as reflexões do próprio ambiente.
Agora, não são poucos os casos em que para sonorizarmos um ambiente temos que montar um
arranjo de caixas acústicas para cobrir toda a extensão do ambiente. E as interações das ondas
sonoras dentro desse arranjo poderão ser destrutivas a ponto de piorar a sonorização com o
aumento de caixas, em vez de melhorar. A questão aqui são as sobreposições das ondas produzidas
pelas interações e as suas conseqüências no espectro de freqüências audíveis e ao longo do ambiente. Qual será o resultado dessa interação
e, principalmente, como vamos lidar com as conseqüências dessas interações.
A ONDA SONORA
O fenômeno das ondas sonoras é produzido pelos movimentos ondulatórios das vibrações das moléculas do ar. Ondulatórios porque as
moléculas do ar são elásticas e reagem proporcionalmente aos movimentos provocados pela compressão sobre elas, produzindo um
movimento de descompressão, veja a figura 1.
Esse fenômeno é percebido nos dois domínios que regem a nossa percepção
auditiva, o domínio do tempo e da intensidade. O produto desses domínios são as
várias características que os sons possuem, como as freqüências, os tons e os
timbres dentre outros. Em nosso caso, que vamos lidar com o fenômeno das
interações entre as ondas, vamos lidar com os domínios e suas características.
A sua interação pode se dar por diferença de fase, que é conseqüência da diferença
de tempo, ou mais claro, pelo atraso de uma onda sonora em relação a outra onda
sonora. O resultado dessa alteração é uma onda alterada em seu formato, seja
positivamente ou negativamente, mas, sempre alterada da sua forma original.
FREQÜÊNCIA
Os sons que escutamos são formados pelo conjunto de freqüências. A freqüência é
formada pela quantidade de ciclos por segundo. Veja na figura 2 em que temos 10
ciclos no período de um segundo, ou seja, temos 10 hertz (nome em homenagem ao
físico alemão Heinrich Rudolf Hertz). Da mesma forma podemos dizer que uma onda
de 100Hz é na verdade 100 ciclos no intervalo de um segundo, e uma onda de 5kHz
(5.000 Hz) serão 5 mil ciclos dentro do mesmo intervalo de um segundo.
As ondas sonoras possuem dimensões físicas, largura de freqüência. Por exemplo, a
distância percorrida entre o semiciclo positivo e o negativo de uma onda de 100Hz é
de 3,4 metros (velocidade do som dividida pela freqüência). Já em uma onda de
5kHz, a largura será consideravelmente pequena, só 6,8 centímetros. E em nosso caso vale ressaltar as diferenças de larguras dessas ondas.
Parte do resultado dessas discrepâncias pode ser observado pelo resultado físico provocado pela propagação dessas ondas. Uma onda de
100Hz pode perfeitamente movimentar um objeto sobre um móvel em função da sua intensidade e pelas suas dimensões físicas. Já o mesmo
efeito não poderá ser alcançado por uma onda de 5kHz. Ou você já percebeu que somente os sons mais graves, kick do bumbo e o
contrabaixo, por exemplo, é que são capazes de fazer tremer tudo. Ou alguém já viu o mesmo acontecer com um som de um prato de bateria?
Figura 2

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Figura 3
Figura 4
INTERFERÊNCIAS ENTRE AS ONDAS SONORAS
As interferências entre as ondas são provocadas pelos cancelamentos e sobreposição entre as ondas sonoras. As sobreposições das
freqüências mais baixas, abaixo de 300Hz, ocorrem da mesma forma que as freqüências mais altas, acima de 2Khz. Porém, o resultado pode
ser percebido de formas diferentes, principalmente pelas diferentes larguras das freqüências altas, que são bem menores.
Os cancelamentos são provocados pela inversão da fase da onda, resultando em anulação da mesma. Isso ocorre quando duas ondas se
encontram, só que com um atraso entre elas igual a meio ciclo. E isso faz com que as fases delas estejam em oposição, uma com o semiciclo
da compressão e a outra com o semiciclo da descompressão. O resultado é a anulação, já que uma compensa a outra pelas forças
magnéticas.
Já o efeito das somas entre as ondas é análogo ao do cancelamento, só que nesse caso o atraso provocado é igual a um ciclo inteiro de onda.
O resultado é que o encontro de duas compressões, ou entre duas descompressões, resulta em soma entre as mesmas, produzindo uma onda
dobrada em relação à original.
CONSEQÜÊNCIAS
Quando temos duas fontes de produção sonora no mesmo ambiente elas se interagem.
Observe na figura 3 que temos duas situações simuladas. No exemplo (a),
demonstramos duas fontes produzindo uma mesma freqüência, só que a distância que
separa as duas fontes é praticamente do mesmo tamanho da largura da onda produzida
por ambas as fontes. Veja que, inclusive, elas estão se sobrepondo em fase.
Já no exemplo (b) elas foram separadas por duas vezes a largura da mesma onda
produzida por ambas. Agora você percebe claramente o que ocorre com a interação entre
as ondas produzidas pelas duas fontes, veja que temos pelo menos quatro lóbulos, em
formato de raios, que foram formados pela interação e que resultam em energia próxima
do zero, cancelamentos. Aos nossos ouvidos a percepção será que naquelas áreas, em
que se encontram os lóbulos, os sons ou sumiram ou estão muito baixos.
Quando essa mesma interação ocorre nas regiões mais altas do espectro, e vão
ocorrendo de forma gradativa, conforme a freqüência vai aumentando, a sensação
auditiva piora, isso pelo fato das freqüências serem menores, as distâncias físicas serem
também menores e que resultam no “Comb Filter”, efeito provocado por essas interações
das ondas ao longo do espectro provocando diversos cancelamentos e somas de ondas
que acabam resultando algo análogo a um pente. Sendo que a inteligibilidade de um
sistema de sonorização acaba sendo prejudicada por esse efeito, também conhecido
como o efeito do filtro pente, figura 4.
Quando tratamos da cobertura vertical de uma caixa acústica, como
começamos a tratar na última coluna, devemos levar em consideração essa
interação, porque o resultado sofrerá com a interação entre as caixas ou entre
as paredes! Paredes? Sim.
Vejamos alguns exemplos e não se assuste com os cálculos, é um mero
exercício de matemática e física:
Observe na figura 5 que a caixa está posicionada a 1,2 metro da parede.
Como a onda para interagir com a outra deverá refletir na parede e voltar ao
encontro dela mesma, ela percorrerá todo o caminho até a parede e será
refletida, com o ângulo proporcionalmente inverso ao ângulo de incidência
somado ao ângulo de curvatura da parede, caso ela seja inclinada, e fazer o
mesmo percurso voltando, ou seja, refletido.
Como estamos
lidando com
tempo e
espaço, todo
esse percurso
percorrido pela
onda sofreu um
atraso e,
quando ele
encontrar o sinal na mesma linha do eixo axial por onde ele saiu, ele irá interagir
com o sinal, só que como ele está com esse atraso, a onda resultante desse
processo será alterada. Vejamos, se a caixa está a 1,2 metro da parede o
percurso de ida e volta seria 2,4 metros, em caso de uma linha reta, mas, não é
o caso. Nesse caso vamos traçar um triângulo retângulo (figura 6), em que a
caixa se encontra a 1,2 metro da parede, a reflexão se dará a 45º à frente e
retornará nos 90º, formando um triângulo retângulo em que os catetos que se
formarão terão 1,7 metro cada, ou seja, a reflexão percorrerá 3,4 metros
enquanto o sinal principal percorreu 2,4 metros (hipotenusa). Um atraso de 1
metro em relação ao sinal principal.
Quando mensuramos atraso em tempo, e esse tempo em freqüência, veremos
que estamos tratando da freqüência principal em 343hz (20 Cº) ou 2,91
milisegundos.

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Figura 5
Figura 7
milisegundos.
Os cancelamentos das ondas ocorrem entre 120º e 240º de atraso entre as fases
das ondas, sendo o ângulo principal de cancelamento em 180º (semiciclo
invertido). As somas de freqüências ocorrem antes e depois desse intervalo. Em
ambos os casos, somas e cancelamentos são proporcionais até os seus ápices.
Em nosso exemplo a freqüência de cancelamento principal será a de 2 metros,
172Hz (lembrando que nesse caso, cada semiciclo corresponde a 1 metro,
nosso atraso) e se estenderá de 120º, ou seja, uma onda correspondente a 3
metros, onda de 114,5Hz, até 240º, uma onda de 1,5 metro, onda de 229Hz.
Ou seja, aqueles lóbulos provocados pela interação entre as fontes sonoras, demonstrados através da figura 3, agora ocorrerão da mesma
forma, só que em função da distância que a caixa está da parede. Nesse caso não temos duas fontes produzindo sons, como no exemplo,
mas, temos um som original e outro som refletido, só que atrasado.
E esse fenômeno provocado por essa reflexão poderá ser observado ao longo de todo o espectro de freqüências e percebido o comb filter
como resultado.
Figura 6
Só para exemplificarmos mais um pouco essa questão. Se exercitarmos um pouco mais a matemática em questão, com os mesmos exemplos
acima, poderemos encontrar para o mesmo atraso de 180º para 3,60kHz, cancelamento, e ao mesmo tempo, para a freqüência de 3,77kHz
haverá uma soma, atraso de 360º. Veja que são freqüências próximas.
Esse assunto pode se estender para própria interação entre as caixas, quando montamos e configuramos um arranjo de caixas para
trabalharem juntas, seus centros acústicos de propagação estarão afastados pelos seus gabinetes. E essas distâncias produzirão o mesmo
efeito citado acima e o arranjo sofrerá as mesmas conseqüências dos efeitos das interações em diversas freqüências.
Veja que o próprio desenvolvimento de algumas tecnologias foi fruto dessas
necessidades.
Isso porque, ao contrário do que a grande maioria pode acreditar, quanto mais caixas
acústicas dentro de um arranjo, pior será o resultado em função dessa interação. Mais
comb filter e mais lóbulos nas coberturas horizontais e verticais poderão ser
percebidos, menor será a eficiência do conjunto, quando na verdade se esperava o
contrário.
Isso porque serão várias fontes de irradiação, limitadas pelas suas distâncias físicas,
entre elas mesmas e dentro do arranjo. O que dificulta ou quase impossibilita termos
um conjunto irradiando energia em diversas freqüências e com as suas fases
acopladas.
Os projetistas de caixas acústicas trabalharam durante anos para tentar amenizar
essas interações, e foi construindo elementos com ângulos de dispersão menores que
conseguiram lidar melhor com esses fenômenos. Isso para diminuir a sobreposição das
coberturas das caixas dentro do arranjo. Para a cobertura de um elemento não
sobrepor a cobertura de outro elemento.
O desenvolvimento do Line Array, assunto para outro momento, mas, que a grande
maioria já ouviu falar, foi pela necessidade de uma maior coerência e acoplamento
entre as caixas acústicas. Uma das características presentes na maioria dos lines, pelo
menos dos que funcionam, é uma cobertura extremamente estreita na dispersão
vertical. Realmente é quase impossível viver sem o comb filter. O que nós, projetistas, fazemos é tentar diminuir ao máximo esse efeito. A
primeira providência ao sonorizar um ambiente é tentar evitar a incidência de sons diretos, produzidos pelas caixas acústicas, sobre as
paredes e teto.
Vejam as simulações na figura 7 sobre as diferenças de resultados com dois posicionamentos diferentes, sendo uma com maior incidência
sobre as paredes, no exemplo de 1,2 metro e a 2 metros do piso, e outra com menos incidência sobre a parede, maior inclinação e, 2,7 metros
da parede e 4 metros do piso. Perceba a diferença em termos de distribuição da energia e dos efeitos das reflexões.

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A idéia fundamental é tentar direcionar ao máximo as caixas acústicas ou o arranjo de caixas acústicas para o público, evitando as paredes.
Trabalhar com caixas acústicas com os ângulos mais estreitos será um benefício sob esse aspecto. A cobertura horizontal deverá distribuir os
sons ao longo do horizonte coberto pela vertical. E, indo direto ao ponto, você terá que lidar sempre com a interação entre as caixas em casos
de montagens do sistema em estéreo ou distribuído. Já na montagem de um arranjo central, um cluster, as únicas interações serão entre as
caixas e o ambiente, comum às duas montagens.
No próximo mês continuaremos.
Tenham todos um feliz e próspero ano 2009!