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Ajuste de limiter no sistema de áudio

03.01.2018

O ajuste do limiter é complexo pois envolve fatores relacionados com a potência como:o ganho de tensão, a sensibilidade de entrada e fatores relacionados com o controle de dinâmica (threshold, ratio, attack e release).

 

Para isso inicialmente precisamos converter a capacidade máxima de potência em capacidade máxima de tensão:

 

potência = (voltagem)² / impedância

voltagem = √ potencia x impedância

 

Sensibilidade de entrada: determina a tensão máxima que um amplificador pode assumir na sua entrada sem produzir distorção notória , a sensibilidade de entrada é calculada como o cociente entre a capacidade máxima de tensão e o ganho de tensão (fator de multiplicação)

 

Como calcular :

 

SENSIBILIDADE = Capacidade máxima de tensão / Ganho de tensão

 

 

EXEMPLO:

 

Vamos calcular a sensibilidade de entrada de um amplificador de 1000W (potência contínua) para uma impedância de 8ohms e com um ganho de tensão de 32dB.

 

Vamos converter a capacidade máxima de potência em capacidade máxima de tensão:

 

Vmax = √1000W x 8ohms = 89.44V

 

Calculo da sensibilidade de entrada do amplificador:

 

Sensibilidade= Vmax / fator de multiplicação

 

Uma vez que o ganho de tensão é dado em dB, devemos calcular o fator de multiplicação:

 

                                                    (32/20)

32 dB = 20 log10 (X) ----> X = 10              = 40

 

SENSIBILIDADE = 89.44V/ 40 = 2.23V

 

 

Quando o amplificador recebe um sinal de 2.23V, a tensão de saída corresponderá a 89.44V, que com uma impedância de 8ohms gerará uma potência de 1000W , isso significa que para não exceder a capacidade de potência do amplificador devemos limitar a sensibilidade de entrada do amplificador em 2.23V.

 

Temos então que colocar o limiar de limitação do nosso processador em:

 

dBu= 20 log10 (2.23v / 0.775v) = 9,18 dBu

 

Se houver excesso de tensão enviada ao amplificado este produzirá distorção e consequentemente mais tensão na saída, mais potência e maior temperatura (podendo assim queimar o alto-falante).

 

Se este amplificador for conectado em um alto-falante de:

 

Potência contínua: 500w

Impedância: 8ohms

Capacidade de tensão: √ 500W x 8ohms : 63.34v

Sensibilidade de entrada:  63.34v / 40x = 1.58v

 

Limiar de limitação: dbu= 20 log10 (1.58v / 0.775v) = 6.18 dbu

 

Sendo assim, necessitamos limitar a saída de nosso processador para que o amplificador não receba mais de 1.58V na sua entrada.

 

Um alto-falante pode suportar picos de curta duração (6dB a mais que sua capacidade de potência contínua),  ou seja,  quatro  vezes  sua capacidade  de  potência (sinal de teste:  ruido  rosa  AES2-1984,  fator  de crista 6dB.)

 

10 log10 (4) = 6db

 

Já um amplificador pode suportar picos duas vezes a sua potencia contínua (sinal de teste:  sweep de ondas senoidais,  fator de crista 3 db)

 

10 log10 (2) = 3db

 

Então para que um amplificador possa desenvolver a potencia de pico de um alto falante, a capacidade de potencia continua FTC do amplificador deve ser o dobro da potencia continua  do alto-falante.

 

CONTROLE DE DINÂMICA

 

Threshold: determina o limiar mínimo necessário para realizar a compressão, normalmente indicado em dBu.

 

Ratio: determina o nível  de compressão que será realizada  uma vez alcançado  o limiar de  compressão.  Normalmente é indicado através de uma relação numérica 2:1, 4:1, 10:1 o inf.

 

Attack: determina o tempo de início da compressão após o sinal alcançar ou superar o limiar de limitação,  normalmente  é expressado  em ms.

 

Release: determina o tempo de relaxamento da compressão uma vez que o attack for iniciado, normalmente é indicado em segundos.

 

É recomendável para proteção do alto falante usar o release com 10 a 20 vezes o tempo de attack.

 

 

EXEMPLO:

 

Usando o mesmo exemplo anterior:

 

Potência FTC do amplificador: 1000W @ 8ohms

Potência de pico do amplificador: 2000W @ 8ohms

Ganho de tensão: 32dB (40x)

Capacidade máxima de tensão: 89.44V

Sensibilidade de entrada: 2.23V (9.18 dBu)

 

Potência contínua do alto-falante: 500W @ 8ohms

Potência de pico: 2000W @ 8ohms

Capacidade de tensão: 63.24V

Sensibilidade de entrada: 1.58V (6.19 dBu)

 

Se usarmos como referencia para o calculo de limiter a sensibilidade de entrada do alto-falante (1.58V ), este nunca ultrapassará a potencia de 500W porque perderemos 6dB de dinâmica.

 

Se usarmos como referencia a sensibilidade de entrada do amplificador(2.23V), este ultrapassará  durante  grandes períodos os 500W  que é a  potencia  continua do alto-falante,  e  pode assim produzir a queima do mesmo.

 

Uma boa escolha é pegar o valor de referencia da sensibilidade de entrada do alto-falante. (com 6dB a menos de dinâmica) e deixar que o attack resolva o problema, o attack determinará o tempo que o compressor começará a atuar. Se o valor de attack for 0 ms, a potência nunca excederá 500W, mas se modificarmos o valor para (100ms), este permitirá que durante esse  período  de  tempo  (100ms)  o limiter  não atue  e o amplificador chegue a picos de 2000W.

 

O ajuste do attack nos permite  manter uma  dinâmica de  6dB,  uma vez que na  maioria  do  tempo controla a  potencia  para que esta não  exceda  os  500W, mantendo assim o alto-falante a salvo.

 

Threshold: 6.18 dBu

Ratio:   ∞ : 1

Attack: 1 período da menor frequência reproduzida.

Release: Entre 10-20 vezes o valor do tempo de attack.

 

O exemplo anterior nos mostra a condição ideal que o amplificador é capaz de levar o alto-falante a sua potencia de pico sem distorção, mas a realidade nos mostra que habitualmente os amplificadores não cumprem esta condição, ainda mais nas baixas frequências. É comum encontrar amplificadores com uma relação de potencia em relação aos alto-falantes de 1:1 e 1.5:1.

 

Nestes casos,  devemos assumir  que o elemento mais vulnerável na cadeia de transmissão é o amplificador. O amplificador não será capaz de chegar a capacidade de potencia de pico do alto-falante. Os cálculos de limiter são realizados  de maneira similar e levam em conta esta nova condicional.

 

MUNDO REAL

 

EXEMPLO:

 

Alto-falante: 500W @ 8ohms

Amplificador: 750W @ 8ohms

Ganho de tensão: 32 dB

 

O elemento mais vulnerável na cadeia é o amplificador. Já calculamos o valor máximo de tensão de saída que o alto-falante pode receber sem distorção notória. 

 

Sabemos que os  amplificadores são testados com um sinal de teste que tem 3dB de fator de crista, portanto sua tensão de pico será:

 

Vpeak= √1500W x 8ohms = 109.54V

 

Também sabemos que os alto-falantes são testados usando ruido rosa modificado com um fator de crista de 6dB.  ou seja, com uma relação de 2 :1 entre seu valor de pico e seu valor médio. portanto:

 

Vrms= 109.54V / 2 = 54.77V

 

Calculamos a sensibilidade de entrada:

V in= 54.77V / 40 = 1.37V -> 20 log10 (1.37 / 0.775) ≃ 5dBu

 

Como neste caso o amplificador não é capaz de entregar o valor de potência de pico do alto falante, pode ter um relaxamento ligeiro no valor de Ratio.

 

Threshold: 5 dBu

Ratio: 10 : 1

Attack: 1 período da mínima frequência reproduzida.

Release: Entre 10-20 vezes o tempo do attack.

 

EXEMPLO:

 

Alto-falante : 500W @ 8Ω;

Amplificador : 500W @ 8Ω ;

Ganho de tensão: 32 dB

 

Vpeak= √1000W x 8Ω = 89.44 V

 

Tensão de saída:

Vrms=  89.44 V / 2   = 44.72 V

 

Sensibilidade de entrada:

VIN= 44.72 V / 40 = 1.12 V ---> 20 log10 (1.12 / 0.775) ≃ 3.2 dBu

 

Threshold: 3.2 dBu

Ratio: 6 :1

Attack: 1 período da mínima frequência reproduzida.

Release: Entre 10-20 vezes o tempo do attack.

 

 

CONCLUSÕES

 

Prevenir falhas em um alto-falante não é uma função do tamanho do amplificador, nem da potencia nominal do mesmo.

 

Prevenir falhas depende de um bom dimensionamento do sistema de áudio para não levar o alto-falante além de seus limites.

 

Se um sistema de áudio operar incorretamente, a queima de um alto-falante pode ocorrer mesmo com um amplificador que tenha energia menor que a do alto-falante.

De outro modo, se um sistema de áudio funciona corretamente, a queima de um alto-falante pode ser evitada mesmo usando um amplificador com potencia maior que a potência contínua do alto-falante.

 

Para um funcionamento correto do sistema de áudio, devemos ser conscientes sobre os tipos de sinais de áudio que serão reproduzidos, controlar os níveis de saída e operar todos os equipamentos eletrônicos de forma que nenhum recorte eletrônico seja produzido na cadeia de sinal.

 

Exemplos de funcionamento incorreto:

- Realimentação contínua dos microfones

- Excesso de equalização além do range operacional do alto-falante

- Permitir o recorte eletrônico em qualquer parte da cadeia de transmissão

- Forçar o alto-falante a um ponto de distorção evidente.

 

Cada um dos exemplos anteriores podem ocasionar danos ou falhas ao alto-falante, independentemente da potencia nominal do alto-falante ou do tamanho do amplificador utilizado. É responsabilidade do operador do sistema garantir que todos os elementos da cadeia de áudio sejam operados dentro de suas capacidades. Esta é a única maneira de garantir que os alto-falante não ultrapasse seu límite.

 

 

 

 

BIBLIOGRAFIA

 

Rane Pro Audio Reference. hyp://www.rane.com/

 

Design of High-Performance Balanced Audio Interfaces - hyp://sound.westhost.com/

arvcles/balanced-interfaces.pdf

 

Sound On Sound Undesrtanding Impedance - hyp://www.soundonsound.com/sos/

jan03/arvcles/impedanceworkshop.asp

 

Impedance matching: a primer - hyp://www.jaycar.com.au/images_uploaded/

impmatch.pdf

 

Power transfer to a resisvve load - hyp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/

electric/powtran.html#c1S

 

Power Amplifiers: how fast are they really? - hyp://www.falco-systems.com/

high_voltage_amplifiers.html

 

Amplifier Power Required - hyp://www.crownaudio.com/elect-pwr-req.htm

 

Speaker Power Requirements - hyp://www.jblpro.com/pub/technote/spkpwfaq.pdf

 

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