Este blog tem como finalidade expor a realização de um projeto para construção de um alto-falante. A idéia desse projeto é aprofundar os conhecimentos dos alunos de Engenharia Elétrica da Ufes no conhecimento do Eletromagnetismo. É válido dizer que as orientações citadas a seguir no desenvolvimento do projeto para confecção de um alto-falante também podem ser de grande utilidade no reparo de alto-falantes.
A seguir temos um relatório mostrando o desenvolvimento do projeto inclusive com fotos demonstrando passo a passo a montagem do alto-falante.
Nos links ao lado à é possível baixar arquivos relacionados ao projeto, como o Relatório Final, a Apresentação do projeto e um vídeo mostrando um teste feito para identificarmos a faixa de trabalho do nosso alto-falante construído.
quarta-feira, 5 de dezembro de 2007
INTRODUÇÃO
Este projeto apresenta a importância do eletromagnetismo num dispositivo que está presente em todos os lugares nestes tempos modernos, o Alto-Falante. Criado na primeira parte do século XX, a maioria dos alto-falantes ainda segue o mesmo princípio de funcionamento (uma bobina móvel percorrida por corrente e imersa num campo magnético), sem mudanças significativas até o momento.
Poderá ser verificada a seguir uma análise mais detalhada de cada componente do alto-falante de bobina móvel; assim como o seu princípio de funcionamento e as leis físicas que servem como base teórica para todos os cálculos de dimensionamento do projeto. Além disso, serão mostradas ainda as diferenças entre os diversos tipos de alto-falantes e também um breve estudo relacionado à potência RMS e PMPO do mesmo.
Poderá ser verificada a seguir uma análise mais detalhada de cada componente do alto-falante de bobina móvel; assim como o seu princípio de funcionamento e as leis físicas que servem como base teórica para todos os cálculos de dimensionamento do projeto. Além disso, serão mostradas ainda as diferenças entre os diversos tipos de alto-falantes e também um breve estudo relacionado à potência RMS e PMPO do mesmo.
COMPONENTES
Abaixo temos uma imagem demonstrativa ilustrando os componentes de um alto-falante e logo a seguir uma breve explicação da importância de cada componente do alto-falante para um melhor entendimento do funcionamento do alto-falante que será explicado posteriormente.
Figura 1: Composição do alto-falante.
http://autosom.net/artigos_user/artigo_20060926142437ArtigoBobinasRev.pdf
30/11/2007
Figura 1: Composição do alto-falante.
http://autosom.net/artigos_user/artigo_20060926142437ArtigoBobinasRev.pdf
30/11/2007
1 - Ímã
O Ímã é fundamental no funcionamento do alto-falante, pois ele fornece o campo magnético permanente presente no entreferro. É composto por um material denominado ferrite. Seu formato é circular com uma abertura central (como um anel).
2 - Peças Polares
As peças polares são a Arruela inferior, a Arruela superior e o Pólo. Foram projetadas para conduzir o campo magnético a fim de posicioná-lo no entreferro, paralelo às arruelas. São feitos de ferro doce e o pólo tem formato cilíndrico.
3 - Entreferro
O entreferro é o espaço que fica entre os pólos e as aberturas das arruelas e do ímã. É onde será colocada a bobina, local de grande concentração do campo magnético gerado pelo ímã permanente.
4 - Carcaça
A carcaça é a base do alto-falante. Feita geralmente de aço ou alumínio. Nela são coladas as peças polares, o ímã, a centragem o cone, ou seja, todos os componentes do alto-falante. Os alto-falantes são determinados se são de 8 ou 10 polegadas de acordo com o tamanho da carcaça e com a determinação da carcaça é que se definem as dimensões dos outros componentes.
5 - Bobina
Chamada de “o coração do alto-falante” é localizada no entreferro, onde fica imersa em um campo. Quando é percorrida por corrente sofre ação de uma força. Como essa corrente é alternada essa força varia a sua direção na mesma freqüência que a corrente. Isso determina o movimento da bobina que também movimenta o cone e com isso gera o som. É normalmente composta por um fio de cobre ou alumínio, enrolado em uma base que pode ser de Fibra de Vidro, Alumínio ou Kapton.
6 - Centragem
Como o próprio nome já diz, a centragem tem como função fixar a bobina centralizada no entreferro eqüidistante ao pólo. Sua “flexibilidade” permite ao cone e a bobina um movimento oscilatório na vertical. Um tecido de algodão especial é o material utilizado em sua confecção.
7 - Cone
Juntamente com a bobina vibram na freqüência da corrente que passa pela bobina, assim movimentam o ar e geram o som. Encontrado normalmente em papel ou em polipropileno. É o maior responsável pela qualidade do som.
8 - Suspensão
A suspensão é uma extensão do cone, normalmente feita de borracha, que é colada na parte superior da carcaça e que também tem a função de manter a bobina centralizada no entreferro.
9 - Guarnição
A Guarnição tem como objetivo selar o contato entre o alto-falante e a caixa, para que não vaze ar e também evitar o contato entre o cone e a borda da caixa, evitando assim alguns ruídos.
10 - Terminais
Os Terminais são uma espécie de porta de alimentação do alto-falante, por onde entra a corrente alternada que comandará o movimento do mesmo.
11 – Cordoalha
São os condutores que levam o sinal recebido nos terminais à bobina. Seu comprimento é normalmente um pouco maior do que o necessário para que não se rompam quando a bobina e o cone se movimentam.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Um alto-falante funciona basicamente da maneira inversa de um microfone. É um tipo de transdutor que recebe o sinal elétrico e o converte em vibrações físicas, criando uma variação na pressão no ar à sua volta e conseqüentemente dando origem às ondas sonoras.
O principal componente do alto-falante é o seu conjunto magnético, ou seja, o ímã permanente e a bobina móvel (que produzirá um campo magnético à medida que for percorrida por corrente). Entre estes dois componentes existe um espaço livre, denominado entreferro, com permeabilidade magnética equivalente a do ar. Por tratar-se de um alto-falante de 8 polegadas, foi possível determinar a direção do campo magnético do ímã permanente com o uso de um teslâmetro. O resultado encontrado em laboratório foi uma densidade de fluxo magnético radial no entreferro, de dentro para fora, de modo que podemos concluir que o pólo norte magnético está localizado no centro do ímã, enquanto o sul encontra-se em sua periferia, conforme pode ser visto na figura abaixo.
Figura 2: Interação do conjunto magnético, bobina móvel percorrida por corrente, magnetização do ímã permanente e força resultante.
http://tonydude.net/physics180/physics180B/p180b_images/speaker2.gif
30/11/2007
O processo acontece da seguinte maneira, a bobina móvel está imersa neste campo magnético do ímã permanente e, à medida que se aplica uma corrente alternada em seus terminais, é gerada também uma densidade de fluxo magnético pela bobina. A interação entre estes dois campos magnéticos faz com que a bobina móvel se desloque num determinado sentido. Como estamos lidando com corrente alternada, o sentido do campo magnético gerado pela bobina varia de acordo com a variação do sentido da corrente, fazendo com que ora tenhamos uma força resultante para fora e ora uma resultante para dentro. A grandeza física que estabelece esta resultante é a Força de Lorentz, a qual é determinada de acordo com a regra da mão direita (veja figura 2). A mudança de direção da força gerada dá origem ao movimento da bobina móvel e, conseqüentemente, da centragem e do cone, ocasionando também a movimentação do ar na mesma freqüência e gerando a onda sonora. Toda esta análise pode ser esquematizada pela figura acima.
Figura 3: Regra da mão direita
http://pt.wikipedia.org/wiki/Regra_da_mão_direita
30/11/2007
É importante ressaltar que é essencial que o material da carcaça do alto-falante seja diamagnético, para que não haja interferência no campo do conjunto magnético e os resultados não sejam inesperados.
Para assistir uma breve demonstração do funcionamento citado acima vale a pena acessar o link abaixo onde será encontrado um applet demonstrando o movimento da bobina e do cone e as ondas sonoras geradas.
http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/speaker/index.html
O principal componente do alto-falante é o seu conjunto magnético, ou seja, o ímã permanente e a bobina móvel (que produzirá um campo magnético à medida que for percorrida por corrente). Entre estes dois componentes existe um espaço livre, denominado entreferro, com permeabilidade magnética equivalente a do ar. Por tratar-se de um alto-falante de 8 polegadas, foi possível determinar a direção do campo magnético do ímã permanente com o uso de um teslâmetro. O resultado encontrado em laboratório foi uma densidade de fluxo magnético radial no entreferro, de dentro para fora, de modo que podemos concluir que o pólo norte magnético está localizado no centro do ímã, enquanto o sul encontra-se em sua periferia, conforme pode ser visto na figura abaixo.
Figura 2: Interação do conjunto magnético, bobina móvel percorrida por corrente, magnetização do ímã permanente e força resultante.
http://tonydude.net/physics180/physics180B/p180b_images/speaker2.gif
30/11/2007
O processo acontece da seguinte maneira, a bobina móvel está imersa neste campo magnético do ímã permanente e, à medida que se aplica uma corrente alternada em seus terminais, é gerada também uma densidade de fluxo magnético pela bobina. A interação entre estes dois campos magnéticos faz com que a bobina móvel se desloque num determinado sentido. Como estamos lidando com corrente alternada, o sentido do campo magnético gerado pela bobina varia de acordo com a variação do sentido da corrente, fazendo com que ora tenhamos uma força resultante para fora e ora uma resultante para dentro. A grandeza física que estabelece esta resultante é a Força de Lorentz, a qual é determinada de acordo com a regra da mão direita (veja figura 2). A mudança de direção da força gerada dá origem ao movimento da bobina móvel e, conseqüentemente, da centragem e do cone, ocasionando também a movimentação do ar na mesma freqüência e gerando a onda sonora. Toda esta análise pode ser esquematizada pela figura acima.
Figura 3: Regra da mão direita
http://pt.wikipedia.org/wiki/Regra_da_mão_direita
30/11/2007
É importante ressaltar que é essencial que o material da carcaça do alto-falante seja diamagnético, para que não haja interferência no campo do conjunto magnético e os resultados não sejam inesperados.
Para assistir uma breve demonstração do funcionamento citado acima vale a pena acessar o link abaixo onde será encontrado um applet demonstrando o movimento da bobina e do cone e as ondas sonoras geradas.
http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/speaker/index.html
MONTAGEM
O processo de montagem será ilustrado abaixo passo a passo para uma clara demonstração dos procedimentos que adotamos na construção do nosso protótipo. Compramos a maioria do material em lojas especializadas em alto-falante, tendo como base a idéia de que construiríamos um alto-falante de 8 polegadas, e conseguimos emprestada uma oficina especializada1, que nos emprestou todo o equipamento necessário para a confecção do nosso protótipo, inclusive uma imantadora. Além de nos emprestar os equipamentos ele nos forneceu ainda o fio utilizado no enrolamento da bobina e a base em que este fio é enrolado. Todas imagens desse processo de montagem foram obtidas nessa oficina.
Vale citar que utilizamos em nosso protótipo colas de secagem rápida, pois seria o único dia em que teríamos acesso a tal oficina e, portanto precisávamos terminar toda a montagem naquele dia.
Vale citar que utilizamos em nosso protótipo colas de secagem rápida, pois seria o único dia em que teríamos acesso a tal oficina e, portanto precisávamos terminar toda a montagem naquele dia.
Figura 4: Peças do alto-falante
Utilizando as peças demonstra das na figura 4 começamos a montar o nosso protótipo. Para uma melhor clareza do procedimento de montagem, o mesmo será descrito em etapas e a cada etapa será associada uma imagem para melhor demonstrar as atividades executadas:
1º PASSO: Colagem do Ferrite na Arruela Inferior+ Pólo
A Arruela Inferior já vem com o Pólo ao centro. O Ferrite é colado à chapa com cola de sapateiro. É necessário que a abertura do Ferrite fique toda eqüidistante do Pólo. Para conseguir isso colocamos um “molde” ao redor do Pólo e posteriormente centralizamos o Ferrite fixando-o.
Figura 5: Fixação do Ferrite às Peças Polares
2º PASSO: Fixação da Arruela Superior à Carcaça
A Arruela Superior é Fixada à carcaça por meio de parafusos
Figura 6: Fixação da Arruela Superior à Carcaça
3º PASSO: Acoplamento do Ferrite + Arruela Inferior à Carcaça + Arruela Superior
Esse passo é o acoplamento das duas partes obtidas nos dois passos anteriores. Essa parte concluída é a parte fixa do alto-falante.
3º PASSO: Acoplamento do Ferrite + Arruela Inferior à Carcaça + Arruela Superior
Esse passo é o acoplamento das duas partes obtidas nos dois passos anteriores. Essa parte concluída é a parte fixa do alto-falante.
Figura 7: Acoplamento do Ferrite + Arruela Inferior à Carcaça + Arruela Superior
4º PASSO: Confecção da Bobina
Como o conseguimos grátis o fio AWG 29 e a Fibra de Vidro, preferimos confeccionar nossa própria bobina ao invés de comprar uma pronta. Na Oficina havia uma máquina que nos auxiliou nesse processo. Primeiramente cortamos um pedaço de Fibra de Vidro com uns cinco centímetros de largura e o comprimento suficiente para dar a volta no tubo base do equipamento que nos auxiliou. Depois de fixada a Fibra à máquina, começamos o processo de enrolar a bobina de duas camadas. A todo instante passávamos uma mistura de cola de sapateiro com thinner para que as espiras da bobina ficassem unidas umas com as outras e também à Fibra. Nosso objetivo era que essa bobina tivesse 4 ohms, para isso enrolamos em torno de 100 voltas em cada camada, com isso atingimos um valor um pouco superior ao desejado e fomos reduzindo volta a volta a bobina até que conseguíssemos os 4 ohms.
Figura 8: Corte da Fibra e Fixação da mesma no equipamento de enrolar bobina
Figura 9: Bobina sendo enrolada e no canto inferior direito a mistura de cola com thinner
Figura 10: Resistência do fio do multímetro e Resistência do Fio + Bobina
5º PASSO: Secagem da Bobina
Bobina foi posta para secar em uma “estufa” improvisada com uma lâmpada de alta potência.
Figura 11: Bobina Secando
Figura 12: Bobina pronta para ser usada
6º PASSO: Centralização da Bobina no entreferro
Esse é um processo delicado e exige um pouco de precisão. Primeiramente cortamos quatro pedaços de filme de radiografia, os colocamos no entreferro, e em volta dos mesmos, também no entreferro, coloca-se a bobina. Ajusta-se a bobina a uma altura adequada e sem permitir que ela toque no Ferrite e nas Arruelas.
Figura 13: Filme para ajuste da centragem da bobina e Colocação da Bobina
7º PASSO: Fixação da Centragem
Para fixar a centragem primeiro a cortamos com um furo no centro, com um diâmetro um pouco menor que o diâmetro da bobina para ficar bem justo a ela ao ser inserida. Passamos cola na carcaça e também nas bordas da centragem e fixamos. Com ela fixada também passamos cola entre a base de Fibra da Bobina e a Centragem, terminando assim de fixar a Centragem.
Figura 14: Fixação da Centragem
8º PASSO: Fixação do Cone
Assim como na centragem, fizemos uma abertura no centro do cone, com diâmetro um pouco menor que a bobina, para um melhor ajuste. Passamos cola na borda superior da carcaça colamos o cone e depois colamos o cone na fibra (base da bobina). Após uns 10 minutos estava seca a cola e assim a colagem do cone concluída.
Figura 15: Fixação do Cone
9º PASSO: Ligar a Bobina aos Terminais
Nesse processo, soldamos as cordoalhas às duas pontas da bobina, foram feitos dos furos no cone (próximo ao local onde ele é colado à bobina) para passar as cordoalhas, depois soldamos as cordoalhas aos terminais. É importante que a cordoalha tenha um pouco de folga para que ao entrar em funcionamento o alto-falante, não a deixe muito esticada, para que não rompa.
Figura 16: Cone sendo furado e a cordoalha já passada pelo furo
10º PASSO: Colagem da Calota de Proteção
Passamos cola nas bordas da calota de proteção e a fixamos. Ela cobre as aberturas centras do Cone e da Centragem onde ficava aparecendo a bobina além de cobrir também os furos por onde passam as Cordoalhas. Assim protege a bobina de sujeira.
Figura 17: Fixação da Calota de Proteção
11º PASSO: Colagem da Guarnição
Processo simples que consiste apenas em passar a cola na guarnição e colá-la sobre a borda superior do cone, atentando para não colá-las sobre os espaços por onde passaram os parafusos.
Figura 18: Colagem da Guarnição
12º PASSO: Impermeabilização do Cone
Foi passado um produto para impermeabilizar o cone do nosso alto-falante para ajudar a protegê-lo contra eventuais exposições à água. Lembrando que ele não tornara o alto-falante “a prova d’água”, apenas ajudará a protegê-lo.
Figura 19: Impermeabilizando o Cone
13º PASSO: Imantação do Ferrite
Este processo foi o último no processo de montagem. Esta etapa é de suma importância pois a partir desse momento o ímã já terá o seu campo magnético permanente perpendicular às arruelas e localizado no entreferro. Faltando apenas a alimentação do alto-falante para que ele funcione.
Figura 20: Imantando o Ímã
CÁLCULOS
NÚMEROS DE ESPIRAS
No projeto de um alto-falante o valor da impedância da bobina prevalece sobre outros fatores como: número de espiras e comprimento do fio, por exemplo. Isso acontece em virtude da padronização comercial do produto, temos alto-falantes de 2Ω, 4Ω, 6Ω, 8Ω e etc. Assim, cálculo do número de espiras e do comprimento do fio é feito a partir do valor da impedância que será utilizada. No nosso projeto temos que R = 4Ω, e podemos encontrar o comprimento do fio através da equação (1):
L = RA/ρ ( 1 )
Onde: R = 4Ω
ρ = 1,72x10-8Ωm
A = πdfio²/4 = 0,064197511mm²
Daí: L = 14,929m
Para encontrarmos o número de espiras devemos saber que:
L = 2πrfioN = πdbobN (2)
Igualando (1) e (2) chegaremos em:
N= (Rdfio²)/(4ρdbob) (3)
Onde: R = 4Ω
ρ = 1,72x10-8Ωm
dfio = 0,2859mm
dbob = 32mm
Então: N = 148,50 espiras
N é aproximadamente 150 espiras
FORÇA
Conforme dito anteriormente, é a Força de Lorentz que provoca o movimento da bobina móvel e, por conseguinte, o movimento da centragem e do cone. Logo, esta grandeza constitui um dos princípios essenciais para o funcionamento do alto-falante. Pode ser observado pela figura abaixo que a bobina móvel está imersa no campo magnético do ímã permanente. Desta forma, a medida que alimentamos esta bobina com corrente alternada, é gerado também um campo magnético no solenóide. A interação entre estes dois campos ( permanente e gerado pela corrente no solenóide ) dá origem a força de Lorentz, fomando regiões de compressão e de rarefação do ar, e então, forma-se o som.
Figura 21: Bobina móvel imersa no campo magnético do ímã permanente
http://autosom.net/artigos_user/artigo_20060926142437ArtigoBobinasRev.pdf
30/11/2007
Durante os testes de laboratório foi possível perceber que a densidade de fluxo magnético no interior do entreferro varia de acordo com a profundidade do entreferro. Obtemos valores de densidade de fluxo menores na parte inferior do entreferro e maiores na parte superior. De acordo com os testes, foram encontrados valores de 40mT no fundo e até 700mT na borda do entreferro.
Apesar da diferença observada, podemos utilizar um valor médio da densidade de fluxo magnético em nossos cálculos, visto que é sabido que a bobina móvel ocupa a altura da faixa central da peça polar. O valor adotado em nossos cálculos será de 400mT.
O cálculo da Força de Lorentz é realizado segundo a equação (4):
dF = IdlxB ( 4 )
Em virtude do formato do solenóide, convém a utilização de coordenadas cilíndricas para o cálculo da força desejada. Teremos então:
F = 2πrNIB ( 5 )
Onde: r à raio do solenóide
N à número de espiras do solenóide
I à corrente que percorre a bobina
B à densidade de fluxo magnético média no entreferro
Encontraremos a segiur a força máxima gerada para as especificações do nosso alto-falante, isto é, para um solenóide composto por um fio de 29 AWG. O fio em questão suporta uma corrente máxima de até 4A. Assim:
FMAX = 24,13N
POTÊNCIA
Existem duas formas de encontrar a potência de um alto-falante, através da potência que é fornecida a ele ou medindo a intensidade do som que é produzido por ele. Nossos estudos se concentram no primeiro método citado.
Primeiramente, é importante ressaltar a potência média de um alto-falante varia com o passar do tempo, pois estamos trabalhando com corrente e tensão alternadas. Podemos chamá-la também de potência instantânea devido a este fato, e equacioná-la da seguinte maneira:
PotenciaMedia = 1/tv(t)i(t)dt ( 6 )
Analisaremos a seguir a classe de potência que segue a norma 10303 da ABNT, a potência em RMS. O cálculo desta potência consiste na utilização da corrente máxima suportada pelo fio de 29 AWG, considerando-a como o valor de pico da senóide gerada por i(t), no nosso caso Imax = 4A. Como a impedância do nosso alto-falante é de 4Ω, tem-se que:
Prms = RImax² ( 7 )
Prms = 64Wrms
A classe de potência a ser analisada desta vez é a potência em PMPO. A forma como se encontra este tipo de potência varia de acordo com o fabricante do produto, de modo que não existe uma fórmula exata para transformação de uma potência em PMPO para RMS, ou vice-versa. Então, adotaremos a seguinte metodologia para o cálculo da potência do alto-falante em PMPO.
Em nosso caso, a potência em PMPO será dada através do valor de pico a pico da corrente i(t), que corresponde a duas vezes o valor da corrente máxima, ou seja, Ipp = 2Imax. Daí, de forma análoga a equação (4), temos:
Ppmpo = 256Wpmpo
No projeto de um alto-falante o valor da impedância da bobina prevalece sobre outros fatores como: número de espiras e comprimento do fio, por exemplo. Isso acontece em virtude da padronização comercial do produto, temos alto-falantes de 2Ω, 4Ω, 6Ω, 8Ω e etc. Assim, cálculo do número de espiras e do comprimento do fio é feito a partir do valor da impedância que será utilizada. No nosso projeto temos que R = 4Ω, e podemos encontrar o comprimento do fio através da equação (1):
L = RA/ρ ( 1 )
Onde: R = 4Ω
ρ = 1,72x10-8Ωm
A = πdfio²/4 = 0,064197511mm²
Daí: L = 14,929m
Para encontrarmos o número de espiras devemos saber que:
L = 2πrfioN = πdbobN (2)
Igualando (1) e (2) chegaremos em:
N= (Rdfio²)/(4ρdbob) (3)
Onde: R = 4Ω
ρ = 1,72x10-8Ωm
dfio = 0,2859mm
dbob = 32mm
Então: N = 148,50 espiras
N é aproximadamente 150 espiras
FORÇA
Conforme dito anteriormente, é a Força de Lorentz que provoca o movimento da bobina móvel e, por conseguinte, o movimento da centragem e do cone. Logo, esta grandeza constitui um dos princípios essenciais para o funcionamento do alto-falante. Pode ser observado pela figura abaixo que a bobina móvel está imersa no campo magnético do ímã permanente. Desta forma, a medida que alimentamos esta bobina com corrente alternada, é gerado também um campo magnético no solenóide. A interação entre estes dois campos ( permanente e gerado pela corrente no solenóide ) dá origem a força de Lorentz, fomando regiões de compressão e de rarefação do ar, e então, forma-se o som.
Figura 21: Bobina móvel imersa no campo magnético do ímã permanente
http://autosom.net/artigos_user/artigo_20060926142437ArtigoBobinasRev.pdf
30/11/2007
Durante os testes de laboratório foi possível perceber que a densidade de fluxo magnético no interior do entreferro varia de acordo com a profundidade do entreferro. Obtemos valores de densidade de fluxo menores na parte inferior do entreferro e maiores na parte superior. De acordo com os testes, foram encontrados valores de 40mT no fundo e até 700mT na borda do entreferro.
Apesar da diferença observada, podemos utilizar um valor médio da densidade de fluxo magnético em nossos cálculos, visto que é sabido que a bobina móvel ocupa a altura da faixa central da peça polar. O valor adotado em nossos cálculos será de 400mT.
O cálculo da Força de Lorentz é realizado segundo a equação (4):
dF = IdlxB ( 4 )
Em virtude do formato do solenóide, convém a utilização de coordenadas cilíndricas para o cálculo da força desejada. Teremos então:
F = 2πrNIB ( 5 )
Onde: r à raio do solenóide
N à número de espiras do solenóide
I à corrente que percorre a bobina
B à densidade de fluxo magnético média no entreferro
Encontraremos a segiur a força máxima gerada para as especificações do nosso alto-falante, isto é, para um solenóide composto por um fio de 29 AWG. O fio em questão suporta uma corrente máxima de até 4A. Assim:
FMAX = 24,13N
POTÊNCIA
Existem duas formas de encontrar a potência de um alto-falante, através da potência que é fornecida a ele ou medindo a intensidade do som que é produzido por ele. Nossos estudos se concentram no primeiro método citado.
Primeiramente, é importante ressaltar a potência média de um alto-falante varia com o passar do tempo, pois estamos trabalhando com corrente e tensão alternadas. Podemos chamá-la também de potência instantânea devido a este fato, e equacioná-la da seguinte maneira:
PotenciaMedia = 1/tv(t)i(t)dt ( 6 )
Analisaremos a seguir a classe de potência que segue a norma 10303 da ABNT, a potência em RMS. O cálculo desta potência consiste na utilização da corrente máxima suportada pelo fio de 29 AWG, considerando-a como o valor de pico da senóide gerada por i(t), no nosso caso Imax = 4A. Como a impedância do nosso alto-falante é de 4Ω, tem-se que:
Prms = RImax² ( 7 )
Prms = 64Wrms
A classe de potência a ser analisada desta vez é a potência em PMPO. A forma como se encontra este tipo de potência varia de acordo com o fabricante do produto, de modo que não existe uma fórmula exata para transformação de uma potência em PMPO para RMS, ou vice-versa. Então, adotaremos a seguinte metodologia para o cálculo da potência do alto-falante em PMPO.
Em nosso caso, a potência em PMPO será dada através do valor de pico a pico da corrente i(t), que corresponde a duas vezes o valor da corrente máxima, ou seja, Ipp = 2Imax. Daí, de forma análoga a equação (4), temos:
Ppmpo = 256Wpmpo
RMS x PMPO
A diferença entre a potência em RMS e PMPO pode criar pelo fabricante uma falsa ilusão da verdadeira potência de operação do alto-falante. A potência em RMS é a regulamentada pela norma NBR 10303 da ABNT e contempla a potência elétrica real dos alto-falantes e amplificadores. Esta forma de potência é a que realmente interessa ao consumidor, já que ela reflete a máxima intensidade sonora com boa qualidade que chegará aos seus ouvidos.
Por outro lado, a potência em PMPO, que significa a Potência de Saída de Pico Musical e, no nosso caso, a potência correspondente ao valor de pico a pico da senóide i(t), é a potência máxima que o equipamento é capaz de fornecer num curto período de tempo. Sendo assim, ela informa apenas a potência instantânea que esse aparelho pode fornecer. Outra particularidade da potência em PMPO é que a forma como ela é obtida é estabelecida de acordo com o fabricante, em conseqüência disso não existe uma fórmula exata para transformação de uma potência em PMPO para RMS, ou vice-versa, conforme já foi frisado anteriormente.
A título de exemplo, pode-se observar a tabela a seguir, que demostra a relação entre a potência em PMPO e RMS declarada por alguns fabricantes, segundo o INMETRO:
Tabela 1: Relação entre potências RMS e PMPO declaradas pelos fabricantes
http://www.inmetro.gov.br/consumidor/produtos/potSonora.asp
Por outro lado, a potência em PMPO, que significa a Potência de Saída de Pico Musical e, no nosso caso, a potência correspondente ao valor de pico a pico da senóide i(t), é a potência máxima que o equipamento é capaz de fornecer num curto período de tempo. Sendo assim, ela informa apenas a potência instantânea que esse aparelho pode fornecer. Outra particularidade da potência em PMPO é que a forma como ela é obtida é estabelecida de acordo com o fabricante, em conseqüência disso não existe uma fórmula exata para transformação de uma potência em PMPO para RMS, ou vice-versa, conforme já foi frisado anteriormente.
A título de exemplo, pode-se observar a tabela a seguir, que demostra a relação entre a potência em PMPO e RMS declarada por alguns fabricantes, segundo o INMETRO:
Tabela 1: Relação entre potências RMS e PMPO declaradas pelos fabricantes
http://www.inmetro.gov.br/consumidor/produtos/potSonora.asp
ESPECIFICAÇÕES
Fio de cobre utilizado na bobina:
Tabela 2: Especificações do fio 29 AWG
Impedância do Alto-falante: 4Ω
Comprimento da Bobina: 14,929m
Diâmetro da Bobina: 32mm
Número de Camadas da bobina: 2
Número de Espiras: 150 espiras
Densidade de Fluxo Magnético do Ferrite: 400 mT
Tabela 2: Especificações do fio 29 AWG
Impedância do Alto-falante: 4Ω
Comprimento da Bobina: 14,929m
Diâmetro da Bobina: 32mm
Número de Camadas da bobina: 2
Número de Espiras: 150 espiras
Densidade de Fluxo Magnético do Ferrite: 400 mT
CLASSIFICAÇÃO DOS ALTO-FALANTES
Os alto-falantes são classificados de acordo com a faixa de freqüência sonora que eles podem reproduzir. Esta faixa de freqüência é estabelecida de acordo com as propriedades de cada alto-falante. Por exemplo, para criarmos uma onda de freqüência alta, onde os pontos de compressão e rarefação do ar estão bastante próximos, a centragem do alto-falante deve vibrar de forma mais rápida, uma tarefa difícil para um cone de dimensões maiores devido a sua massa. De maneira análoga pode-se concluir que um cone de maior dimensão é mais eficiente para reproduzir sons de baixa freqüência, já que tem mais facilidade para vibrar de forma mais lenta.
Deste modo, podemos classificar os tipos de alto-falantes da seguinte maneira:
· Subwoofers: reproduz sons subgraves, numa faixa de freqüência entre 20 e 100Hz. Indicados para instrumentos como contra-baixo, surdo de bateria, etc.
· Woofers: projetado para médias e baixas freqüências, em torno de 50 a 3500Hz. Pela sua resposta de freqüência estendida, esta categoria é a que compõe a maioria dos trios elétricos.
· Mid-Bass: envolve freqüências entre 100 e 500Hz e uma faixa mais restrita de baixas e médias freqüências.
· Mid-Range: reproduzem freqüências médias que variam de 500 a 5kHz. Possuem maior fidelidade a faixa de freqüência da voz humana, por isso são os mais utilizados nos falantes de voz.
· Tweeters: responsável pela reprodução de sons agudos, isto é, altas freqüências (2k a 20kHz). Estão sempre dispostas em forma de corneta.
· Triaxial: contém um woofer, um mid-range e um tweeter na mesma carcaça, por isso podem atuar nestas três faixas de freqüência. Esta abrangente faixa de atuação constitui sua principal importância.
Como visto acima, cada alto-falante possui uma característica específica, sendo assim, um bom sistema de som é composto por um conjunto de alto-falantes que abranja a maior faixa de freqüência possível, sem perder em qualidade.
Deste modo, podemos classificar os tipos de alto-falantes da seguinte maneira:
· Subwoofers: reproduz sons subgraves, numa faixa de freqüência entre 20 e 100Hz. Indicados para instrumentos como contra-baixo, surdo de bateria, etc.
· Woofers: projetado para médias e baixas freqüências, em torno de 50 a 3500Hz. Pela sua resposta de freqüência estendida, esta categoria é a que compõe a maioria dos trios elétricos.
· Mid-Bass: envolve freqüências entre 100 e 500Hz e uma faixa mais restrita de baixas e médias freqüências.
· Mid-Range: reproduzem freqüências médias que variam de 500 a 5kHz. Possuem maior fidelidade a faixa de freqüência da voz humana, por isso são os mais utilizados nos falantes de voz.
· Tweeters: responsável pela reprodução de sons agudos, isto é, altas freqüências (2k a 20kHz). Estão sempre dispostas em forma de corneta.
· Triaxial: contém um woofer, um mid-range e um tweeter na mesma carcaça, por isso podem atuar nestas três faixas de freqüência. Esta abrangente faixa de atuação constitui sua principal importância.
Como visto acima, cada alto-falante possui uma característica específica, sendo assim, um bom sistema de som é composto por um conjunto de alto-falantes que abranja a maior faixa de freqüência possível, sem perder em qualidade.
TESTES
Realizamos diversos testes como:
· Medição do campo do Ímã permanente: Anteriormente havíamos medido o campo do ímã com um equipamento muito antigo e nada confiável que havia acusado 11000 Gauss, ou seja, 1,1 Tesla o que seria bem maior do que esperávamos. Então decidimos medir novamente com um equipamento mais moderno e confiável e constatamos que realmente a primeira medição era realmente exagerada e que o campo real do nosso ímã permanente é de 400 mT.
· Verificação da faixa de trabalho do alto-falante: Ligamos um Gerador de Freqüência ao alto-falante e pegamos estes sinais e o exibimos no Osciloscópio. Variamos sua faixa de freqüência de 100 Hz até pouco mais de 2000 Hz. Durante essa variação pudemos observar o período da onda diminuindo no Osciloscópio enquanto a freqüência aumentava e enquanto isso o alto falante ia emitindo um som mais agudo quanto maior a freqüência, atendendo assim todas as nossas expectativas.
Para melhor visualização da explicação do teste da faixa de trabalho foi filmado o experimento e colocamos este vídeo em anexo ao arquivo deste relatório.
Abaixo segue uma imagem ilustrativa que também faz parte do vídeo citado anteriormente:
Figura 22: Testes da Faixa de Funcionamento
Com este teste conseguimos mostrar que o nosso alto-falante classifica-se como um woofer. Exatamente o que nos propusemos a realizar.
· Teste de funcionamento normal: Neste teste ligamos o alto-falante a um som automotivo e verificamos que o alto-falante reproduziu fielmente o som tocado, com baixo nível de ruídos e distorções.
· Teste de funcionamento com o módulo: Ao inserirmos o módulo em relação ao teste anterior, percebemos um aumento da potência.
Esses dois últimos testes inclusive foram apresentados de maneira semelhante em sala de aula ao professor durante a apresentação desse projeto.
· Medição do campo do Ímã permanente: Anteriormente havíamos medido o campo do ímã com um equipamento muito antigo e nada confiável que havia acusado 11000 Gauss, ou seja, 1,1 Tesla o que seria bem maior do que esperávamos. Então decidimos medir novamente com um equipamento mais moderno e confiável e constatamos que realmente a primeira medição era realmente exagerada e que o campo real do nosso ímã permanente é de 400 mT.
· Verificação da faixa de trabalho do alto-falante: Ligamos um Gerador de Freqüência ao alto-falante e pegamos estes sinais e o exibimos no Osciloscópio. Variamos sua faixa de freqüência de 100 Hz até pouco mais de 2000 Hz. Durante essa variação pudemos observar o período da onda diminuindo no Osciloscópio enquanto a freqüência aumentava e enquanto isso o alto falante ia emitindo um som mais agudo quanto maior a freqüência, atendendo assim todas as nossas expectativas.
Para melhor visualização da explicação do teste da faixa de trabalho foi filmado o experimento e colocamos este vídeo em anexo ao arquivo deste relatório.
Abaixo segue uma imagem ilustrativa que também faz parte do vídeo citado anteriormente:
Figura 22: Testes da Faixa de Funcionamento
Com este teste conseguimos mostrar que o nosso alto-falante classifica-se como um woofer. Exatamente o que nos propusemos a realizar.
· Teste de funcionamento normal: Neste teste ligamos o alto-falante a um som automotivo e verificamos que o alto-falante reproduziu fielmente o som tocado, com baixo nível de ruídos e distorções.
· Teste de funcionamento com o módulo: Ao inserirmos o módulo em relação ao teste anterior, percebemos um aumento da potência.
Esses dois últimos testes inclusive foram apresentados de maneira semelhante em sala de aula ao professor durante a apresentação desse projeto.
DIFICULDADES
Inicialmente, nossas maiores dificuldades se concentraram em encontrar materiais teóricos para a construção do projeto, já que a grande maioria dos livros e artigos relacionados ao assunto apenas mostravam a montagem do alto-falante, sem fazer qualquer referência ao seu dimensionamento, cálculo de potência, número de espiras e etc.
Outro fator que trouxe problemas foram as medições em laboratório. Foi ligeiramente difícil medir o campo magnético do ímã permanente, assim como a sua polaridade, devido à pequena espessura do entreferro. Houve problema também para medir a onda gerada pelo alto-falante no osciloscópio.
Vale ressaltar ainda que o processo de montagem também é bastante delicado, devendo ser feito com bastante cuidado, precisão e eficácia, devido a utilização de cola de secagem rápida.
No entanto, pode-se afirmar que todas dificuldades citadas acima foram superadas, ao ponto que o resultado final do projeto foi extremamente satisfatório como o esperado.
Outro fator que trouxe problemas foram as medições em laboratório. Foi ligeiramente difícil medir o campo magnético do ímã permanente, assim como a sua polaridade, devido à pequena espessura do entreferro. Houve problema também para medir a onda gerada pelo alto-falante no osciloscópio.
Vale ressaltar ainda que o processo de montagem também é bastante delicado, devendo ser feito com bastante cuidado, precisão e eficácia, devido a utilização de cola de secagem rápida.
No entanto, pode-se afirmar que todas dificuldades citadas acima foram superadas, ao ponto que o resultado final do projeto foi extremamente satisfatório como o esperado.
CONCLUSÃO
Além de um grande aprendizado que nos foi proporcionado na realização desse projeto, conseguimos transformar idéias em projetos. Aprendemos a fazer análise de testes baseadas na teoria que envolve o experimento. Erramos algumas vezes, mas persistimos e alcançamos o nosso objetivo de construirmos um alto-falante.
Esse projeto nos ajudou a criar a maturidade de tomar decisões no caminhar do semestre que foram fundamentais para o andamento do projeto, pois alguns fatores inesperados aparecem no desenvolvimento do projeto. Além de aprimorar o trabalho em equipe, que se bem executado nos ajuda em eficiência.
Havíamos nos proposto a fazer um alto-falante de grave e um de agudo, entretanto achamos mais proveitoso fazermos apenas o de grave e nos aprofundarmos mais nesse, pois o principio de funcionamento dos dois se assemelham bastante, alterando somente algumas características de construção. Essa decisão de nos aprofundarmos mais no grave do que fazer os dois, nos ajudou a ganhar tempo e qualidade em todas as áreas do nosso projeto.
Percebemos que o que se calcula teoricamente nem sempre é o que se tem na realidade. Com isso tornam-se necessários alguns ajustes para uma melhor análise dos resultados obtidos.
Em termos de execução do projeto e análise dos resultados podemos dizer que conseguimos atingir todas as nossas expectativas, tanto o excelente funcionamento quanto a faixa de trabalho do alto-falante atenderam fielmente o que se era esperado.
Com certeza fica desse projeto uma experiência de vida.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 - (Página 9): Oficina chamada Center Som, localizada em Santo Antônio, Vitória, Espírito Santo.
Sadiku, Matthew N. O. Elementos de Eletromagnetismo. 3ª edição. Editora Bookman, 2004.
http://tonydude.net/physics180/physics180B/p180b_images/speaker2.gif
http://www.bravox.com.br/
http://pt.wikipedia.org/wiki/Regra_da_mão_direita
http://www.inmetro.gov.br/consumidor/produtos/potSonora.asp
http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/speaker/index.html
http://www.selenium.com.br/
http://hsw.uol.com.br/alto-falantes.htm
Obs.: TODOS OS SITES FORAM ACESSADOS NO MÊS DE NOVEMBRO
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