Compartimentos de subwoofer selados versus portados: quando usar

Por que o design de gabinetes é mais importante do que você pensa

A maioria dos amadores e até mesmo alguns engenheiros que trabalham tratam o design do gabinete do subwoofer como uma caixa de seleção: pegue a folha de especificações do driver, escolha um volume do nada, construa uma caixa e espere que funcione. Então, eles ficam surpresos quando o baixo soa estrondoso, soa muito cedo ou não tem nenhum som.

A verdade é que um driver de subwoofer sozinho é inútil. O compartimento é metade do sistema, às vezes mais. O mesmo driver de 12 polegadas em uma caixa selada de 2 pés cúbicos versus uma caixa com porta de 4 pés cúbicos soará completamente diferente. Um será rígido e controlado; o outro será mais alto, mas mais lento. Nenhum deles está errado; eles são apenas diferentes, e escolher o correto depende da sua aplicação.

É aí que entram os parâmetros do driver. Vas, Qts e Fs não são números de marketing — eles são a física real do motorista e determinam que tipo de compartimento o fará cantar.

Compreendendo os três parâmetros principais

Vas: A “conformidade aérea” do motorista

Vas é o volume equivalente em litros ou pés cúbicos. Pense desta forma: se você tivesse uma câmara selada de volume Vas, a conformidade (elasticidade) do ar interno corresponderia à conformidade da suspensão do motorista. Um Vas mais alto significa um motorista mais compatível — ele precisa de uma caixa maior para controlá-lo. Um Vas mais baixo significa um driver mais rígido — ele funciona bem em caixas menores.

Por exemplo, um driver de subwoofer típico de 10 polegadas pode ter um Vas de 40 litros (1,4 pés cúbicos), enquanto um driver maior de 15 polegadas pode ter 120 litros (4,2 pés cúbicos). Eles não são aleatórios; eles vêm das propriedades físicas do cone, do contorno e da aranha.

Qts: o fator de amortecimento

Qts é o Q total, uma medida do quanto a suspensão do motorista e a resistência da bobina de voz amortecem seu movimento. Um Qts baixo (digamos, 0,3) significa que o motorista está fortemente amortecido; ele para de se mover rapidamente quando você para de empurrá-lo. Um Qts alto (digamos, 0,7) significa que ele toca mais; ele continua se movendo depois que você para.

Isso é muito importante para o design de gabinetes. Um motorista com Qts baixos é tolerante e funciona bem em caixas seladas. Um driver com Qts altos precisa de uma caixa com porta para evitar um grande pico na resposta logo na ressonância.

Fs: A ressonância do ar livre

Fs é a frequência na qual o motorista naturalmente deseja oscilar quando não há compartimento, apenas o motorista suspenso ao ar livre. Os drivers de subwoofer típicos variam de 20 Hz a 50 Hz. Um Fs mais baixo é melhor para graves profundos; um Fs mais alto é melhor para sons de graves médios.

Quando você coloca o driver em um compartimento, a frequência de ressonância muda para cima. O quanto ela muda depende do volume da caixa e se ela está selada ou portada.

A caixa selada: simples, previsível, apertada

Um compartimento selado é simples: construa uma caixa, monte o driver, feche-o bem e pronto. O ar interno funciona como uma mola. Caixa maior = mola mais macia = menor frequência de ressonância. Caixa menor = mola mais rígida = maior frequência de ressonância.

A ressonância da caixa selada é dada por:

onde $V_b$ é o volume da caixa. O ponto de -3 dB (a frequência em que a resposta cai 3 dB abaixo do pico) depende do Qts e da nova frequência de ressonância.

As caixas seladas têm um desvio previsível e suave abaixo da ressonância — normalmente em torno de 12 dB/oitava. Se você ajustá-lo corretamente, obterá uma resposta suave e controlada, sem picos ou quedas. Se você ajustar errado, obterá um pico de ressonância estrondoso ou um baixo fraco que soa muito cedo.

A maioria dos engenheiros prefere caixas seladas para home theater ou ouvir música onde a precisão é importante. A desvantagem é que você não obtém tanta saída quanto uma caixa portada do mesmo tamanho.

A caixa portada: mais alta, mas mais complicada

Um compartimento com portas (ou ventiladas) tem um orifício, geralmente um tubo, que permite que o ar entre e saia. Esse orifício tem sua própria frequência de ressonância e, quando você ajusta a porta na frequência correta, algo mágico acontece: a porta reforça a saída do driver em torno dessa frequência, oferecendo mais saída de graves.

Mas há um problema. Abaixo da frequência de ajuste da porta, a resposta é de 24 dB/oitava — duas vezes mais íngreme do que uma caixa selada. Isso significa que se você sintonizar a porta para 35 Hz, mas quiser graves profundos de 20 Hz, está sem sorte. A resposta fica abaixo da sintonia da porta.

A frequência de ajuste da porta é:

onde $c$ é a velocidade do som, $A$ é a área da porta, $V_b$ é o volume da caixa e $L_{eff}$ é o comprimento efetivo da porta (comprimento físico mais correções finais).

Na prática, você não calcula isso do zero. A calculadora faz isso para você, mas a principal ideia é: as caixas portadas precisam de um ajuste cuidadoso. Se você errar o comprimento da porta em uma polegada, sua resposta poderá mudar em alguns Hz, o suficiente para estragar o som.

Um exemplo real de design: subwoofer de 12 polegadas

Digamos que você esteja projetando um subwoofer para uma pequena sala de home theater. Você tem um driver de 12 polegadas com estas especificações:

• Vas = 75 litros (2,65 pés cúbicos)
• Qts = 0,42
• Fs = 28 Hz

Você tem espaço para uma caixa de cerca de 3 pés cúbicos e quer saber se selada ou portada seria melhor.

Design de caixa selada

Usando a fórmula da caixa selada, se você construir uma caixa de 3 pés cúbicos:

Portanto, a ressonância da caixa passa de 28 Hz (ar livre) para 38,4 Hz (na caixa). O Qts de 0,42 é relativamente baixo, o que significa que a resposta terá um pico suave em torno de 38 Hz e, em seguida, ocorrerá suavemente abaixo disso.

Para uma caixa selada com Qts = 0,42, você esperaria um ponto de -3 dB em torno de 32—35 Hz. Isso é utilizável para home theater, mas não é ótimo para música de baixo profundo.

Design de caixa portada

Agora vamos tentar uma caixa com portas, os mesmos 3 pés cúbicos. A calculadora dirá que, para obter uma resposta balanceada, você deve ajustar a porta para cerca de 32—35 Hz. Nesse ajuste, você obteria um aumento de saída centrado em torno de 32—35 Hz, com a resposta se estendendo abaixo da caixa selada, mas caindo abruptamente abaixo de cerca de 25 Hz.

Qual deles vence? Se você estiver assistindo filmes e quiser graves nítidos e controlados, selados. Se você quer uma saída mais alta e não se importa com frequências abaixo de 25 Hz, portada.

Erros comuns (e como evitá-los)

Erro 1: ignorar o Qts

Os engenheiros geralmente analisam Vas e Fs e ignoram completamente os Qts. Essa é uma receita para o desastre. Um driver com Qts = 0,7 em uma caixa selada terá um pico enorme e feio diretamente na frequência de ressonância da caixa. Você ouvirá um estrondo de “uma nota”. O mesmo driver em uma caixa portada ajustada na frequência correta parece ótimo.

Sempre verifique o Qts. Se estiver acima de 0,6, considere seriamente a portabilidade. Se estiver abaixo de 0,35, as caixas seladas funcionam perfeitamente.

Erro 2: esquecer a velocidade da porta

Ao projetar uma caixa com porta, você precisa garantir que a porta não seja muito pequena. Se a porta for muito pequena em relação ao volume da caixa e à frequência de sintonia, a velocidade do ar dentro da porta pode exceder de 10 a 15 m/s, o que causa ruído na porta — um som de assobio ou assobio, especialmente em materiais com graves pesados.

A maioria das calculadoras não avisa sobre isso. Uma boa regra prática: para uma caixa de 3 pés cúbicos ajustada para 35 Hz, use uma porta de pelo menos 3 polegadas de diâmetro. Para uma caixa de 5 pés cúbicos, 4 polegadas. Se você estiver usando uma porta de slot, verifique se a área total é equivalente.

Erro 3: subestimar a perda interna de volume

Você calcula uma caixa de 3 pés cúbicos e constrói uma caixa com 3 pés cúbicos de espaço interno. Em seguida, você monta o driver, adiciona reforço, isolamento e um tubo de porta. De repente, seu volume efetivo é de apenas 2,7 pés cúbicos. A frequência de ressonância aumenta e sua sintonia está desligada.

Planeje uma perda de volume de 10 a 15% dos componentes internos. Se você quiser 3 pés cúbicos de volume acústico, construa uma caixa de 3,4 pés cúbicos.

Erro 4: Usando o valor de Vas errado

As especificações do driver variam de acordo com o fabricante e, às vezes, com as condições de teste. Um motorista pode listar o Vas como 70 litros em uma folha de dados e 75 em outra. Isso não parece muito, mas pode mudar a ressonância da caixa selada em 1—2 Hz.

Se você leva isso a sério, meça você mesmo o Vas usando o método de massa adicionada ou uma caixa de teste. A maioria dos entusiastas não o faz, mas pelo menos verifique a folha de especificações e use o valor do relatório de teste real do motorista, não o material de marketing.

Erro 5: confundir saída de caixa portada com precisão

Uma caixa com porta é mais alta do que uma caixa selada em sua faixa de ajuste. Alguns engenheiros pensam que “mais alto = melhor”. Não é. Se você precisar de uma resposta precisa e plana de graves, selar quase sempre é melhor. Se você precisar de saída máxima em uma faixa específica (por exemplo, para filmes de ação), a versão portada vence. Saiba para que você está otimizando.

Quando usar a calculadora

Você tem um motorista, tem restrições de espaço e precisa decidir: selado ou portado? Ou talvez você queira explorar os dois e ver como seria a resposta.

É exatamente quando você pega o abra o volume do compartimento do subwoofer. Conecte Vas, Qts e Fs e você terá:

• A recomendação de volume da caixa selada
• A recomendação de volume da caixa portada
• A frequência de ajuste da porta
• O ponto de -3 dB para o design selado

A partir daí, você pode tomar uma decisão informada. “Esse driver em uma caixa selada de 2,5 pés cúbicos terá seu ponto de -3 dB a 30 Hz e a resposta será suave.” Versus “Em uma caixa portada de 3 pés cúbicos ajustada para 32 Hz, obterei mais saída, mas uma distribuição mais acentuada abaixo de 25 Hz”.

Em seguida, você cria, mede e itera. Esse é o verdadeiro trabalho.

A imagem maior

O design do gabinete não é mágico. É física aplicada: a conformidade e o amortecimento do motorista interagem com o ar na caixa para criar uma resposta do sistema. Acerte os números e você obterá o som que deseja. Se errar, você ficará preso a uma caixa que soa como uma máquina de som de papelão.

A calculadora fornece o ponto de partida. O resto depende de você: construir com cuidado, medir se puder e ouvir criticamente. A maior parte da diferença entre um subwoofer medíocre e um excelente não está no driver, é na caixa.

Experimente

Tem uma folha de especificações do driver do subwoofer? Puxe-o para fora. Encontre Vas, Qts e Fs. Vá até abra o volume do compartimento do subwoofer e veja o que ele recomenda. Em seguida, pense em seu espaço de audição, suas prioridades (precisão versus saída) e se selado ou portado faz sentido para sua aplicação. É assim que os designs reais acontecem.