Calculadora de Crossover

Esta calculadora de crossover da Omni ajudará você a projetar um conjunto de alto-falantes com som incrível. Ela lhe dirá quais capacitores e indutores você precisa para criar um projeto de crossover passivo para dois alto-falantes (um crossover passivo de 2 vias) ou três alto-falantes (um crossover passivo de 3 vias).

No modo de 2 vias (ou de 2ª ordem), a calculadora usa a impedância do tweeter e do woofer para produzir seu projeto de crossover. Ao escolher três alto-falantes, ela se torna uma calculadora de crossover de 3 vias, caso você também queira incorporar um alto-falante de médio porte ao seu projeto.

Há também um par de circuitos adicionais para um único alto-falante. Um para estabilizar a impedância do alto-falante à medida que a frequência muda (Zobel) e outro que atenua o volume (L-pad).

Neste artigo, você aprenderá por que, se quiser obter o melhor som, precisa de mais de um alto-falante e como, usando os componentes eletrônicos certos, pode enviar as frequências mais adequadas para cada alto-falante. Ao final, você saberá distinguir um crossover passa-baixo de um crossover passa-alto.

Se você é novo no campo do design de alto-falantes de alta fidelidade, deve estar se perguntando: por que não podemos usar apenas um alto-falante? Afinal, você provavelmente encontrará dispositivos em sua casa que têm apenas um único alto-falante, como um pequeno rádio portátil ou seu telefone celular. Mas será que eles soam bem em todas as frequências?

Uma reclamação comum dos designs de alto-falante único é a falta de resposta de graves. Isso significa baixo volume e distorções de som em baixas frequências, como o contra-baixo em uma música de rock. Para corrigir esse problema, você poderia aumentar o volume do alto-falante, mas as altas frequências ficariam com baixo volume. Para um projeto de alto-falante de alta fidelidade, procuramos a mesma saída de volume de som em uma faixa de frequências tão ampla quanto possível.

A solução é ter dois ou três (talvez mais, mas esses são menos comuns) alto-falantes especializados dentro de cada unidade de alto-falante. Um alto-falante que produz altas frequências é chamado de tweeter, e um que produz baixas frequências é chamado de woofer.

Em uma configuração de três alto-falantes, você também teria um alto-falante de médio alcance para cobrir a faixa de frequências entre os alto-falantes de tweeter e woofer de maior qualidade.

No entanto, há um problema quando se trata de conectar nossa solução de vários alto-falantes a um amplificador. O cabo do alto-falante contém todas as frequências (como sinais eletrônicos), de modo que o woofer ainda receberá as frequências altas e o tweeter, as frequências baixas. Essa incompatibilidade de frequência produzirá distorção sonora e poderá até mesmo danificar um alto-falante se ele receber um sinal alto o suficiente na frequência errada.

Uma solução para esse problema é dividir o sinal proveniente do amplificador de acordo com a frequência. Assim, por exemplo, os sinais de baixa frequência irão para o woofer e os sinais de alta frequência para o tweeter. Uma combinação dos capacitores e indutores certos cria filtros que permitem que apenas a faixa certa de frequências vá para o alto-falante (ou componente) correto.

Quando dois alto-falantes estão envolvidos, isso é conhecido como um projeto de crossover passivo de 2 vias. Para três auto-falantes, é conhecido como crossover passivo de 3 vias. Ele é chamado de “passivo” porque não há nenhuma fonte de alimentação adicional exigida pelo alto-falante.

Outra solução que você pode encontrar é um design de crossover ativo, que envolve a divisão do sinal antes da amplificação, sendo que cada alto-falante especializado possui um amplificador, exigindo que os alto-falantes sejam alimentados. Observe que esta calculadora só se aplica a projetos de crossover passivo.

Para um projeto de crossover de 2 vias, você tem um filtro de crossover passa-baixa e um filtro de crossover passa-alta. Um filtro passa-baixa deixa passar frequências menores que um determinado valor, enquanto um filtro passa-alta deixa passar apenas frequências mais altas. A frequência de crossover é o ponto onde o filtro passa-baixas começa a desaparecer e o filtro passa-altas começa a aumentar a amplitude do sinal. Um valor típico para uma frequência de crossover de 2 vias é de 2000 a 3000 Hz.

Um projeto de crossover de 3 vias acrescenta um filtro passa-banda que seleciona as frequências de médio porte para o alto-falante de médio porte. Agora, quando a música é reproduzida pelo alto-falante, cada faixa de frequências tem o mesmo nível de som, com o mínimo de distorção. A calculadora de distorção harmônica total 🇺🇸 pode dizer a você mais sobre como esse fenômeno afeta a precisão do som.

Esta calculadora permite que você selecione a ordem do crossover e a característica do filtro. O mais simples é um projeto de crossover de 1ª ordem (ou de uma via), que usa apenas um capacitor e um indutor. Ele tem uma taxa de atenuação de 6 dB/oitava, sendo esta a menor atenuação possível. Quanto maior a ordem do crossover, maior será a taxa de atenuação e consequentemente maior é o grau de complexidade do filtro. Esse projeto simples busca minimizar a perda de energia.

No entanto, ele ainda permite que os sinais cheguem ao alto-falante errado (devido ao baixo valor da taxa de atenuação do filtro), de modo que o dano ainda pode ser causado ao tweeter se ele receber um sinal significativo com uma frequência mais baixa do que pode suportar.

Façamos um resumo dos designs de ordens superiores. O design do crossover de segunda ordem (ou de duas vias):

• Tem uma taxa de atenuação de 12 dB/oitava, permitindo maior atenuação de sinais indesejados.
• É comumente usado, pois ainda utiliza relativamente poucos componentes.
• Oferece proteção adequada para o componente de tweeter de alta frequência.
• Tem uma ampla variedade de características de filtro, incluindo Butterwork, Bessel, Linkwitz e Chebyshev.

Um projeto de crossover de terceira ordem (ou de três vias):

• Tem uma taxa de atenuação de 18 dB/oitava, oferecendo ainda mais atenuação de frequências fora da banda.
• Ainda não é muito complexo para introduzir uma perda de potência significativa.
• Está disponível com características de filtro Butterworth ou Bessel.

Finalmente, um projeto de crossover de quarta ordem (ou de quatro vias):

• Tem uma taxa de atenuação muito acentuada de 24 dB/oitava.
• É um projeto complexo com muito mais componentes.
• Tem componentes que podem começar a interagir uns com os outros, afetando a qualidade do som.
• Pode ter uma perda de potência perceptível que reduz o nível de som do alto-falante.

1. Escolha o número de alto-falantes no seu projeto, que você encontrará na parte superior da ferramenta. Para projetos de crossover, escolha dois (tweeter e woofer) ou três (tweeter, alto-falante de médio porte e woofer).

   Para um par de circuitos adicionais (Zobel e L-pad), escolha um alto-falante. Consulte a seção "Circuitos adicionais Zobel e L-pad" para obter mais detalhes sobre os circuitos Zobel e L-pad.

2. Escolha as características desejadas de ordem e filtro. Lembre-se de que um filtro crossover de segunda ordem oferece um bom resultado entre complexidade e qualidade.

3. Digite a impedância de cada um dos alto-falantes, que você deve encontrar nas suas especificações. Você pode saber mais sobre essa propriedade na calculadora de impedância acústica 🇺🇸.

4. Digite a(s) frequência(s) de crossover. Para uma configuração de dois alto-falantes, pesquise as faixas de resposta de frequência dos alto-falantes e escolha uma frequência que seja coberta por ambos os alto-falantes.

   Ao projetar para três alto-falantes, você precisará definir uma frequência de crossover baixa e uma alta usando o mesmo método. Observe que você só pode escolher um intervalo entre essas frequências de 3 ou 3,4 oitavas.

5. Agora você verá os valores dos componentes do capacitor e do indutor necessários para o projeto do crossover passivo na seção de resultados. Você também obterá um diagrama de circuito, para que saiba como conectar os componentes para construir o filtro de crossover.

Agora, vamos ver como você calcula um crossover relativamente simples de 2 vias (2ª ordem) com características Butterworth, composto por dois capacitores e dois indutores. As equações para os quatro componentes são as seguintes:

As equações para outras ordens e tipos de filtro são semelhantes às anteriores, mas com parâmetros diferentes. Você pode encontrar tudo isso no livro de Vance Dickason chamado "The loudspeaker design cookbook" (O livro de receitas de design de alto-falantes), 7ª edição (2006), páginas 163-169.

Digamos que você tenha uma impedância de tweeter de 6 Ohms, uma impedância de woofer de 4 Ohms e uma frequência de crossover entre os dois de 3000 Hz. Você, então, calcularia cada componente como:

$\text{capacitor}_1 = \frac{0{,}1125}{6 \times 3000} = 6{,}25 \times 10^{-6} \ \text{F} = 6{,}25 \ \text{μF}$
$\text{capacitor}_2 = \frac{0{,}1125}{4 \times 3000} = 9{,}375 \times 10^{-6} \ \text{F} = 9{,}375 \ \text{μF}$
$\text{indutor}_1 = \frac{0{,}2251 \times 6}{3000} = 0{,}0004502 \ \text{H} = 0{,}4502 \ \text{mH}$
$\text{indutor}_2 = \frac{0{,}2251 \times 4}{3000} = 0{,}0003001 \ \text{H}= 0{,}3001 \ \text{mH}$

Esse exemplo foi relativamente simples, mas para crossovers de ordem mais alta, esta calculadora facilita muito o trabalho em descobrir quais componentes você precisa para construir seu projeto de alto-falante personalizado. Após organizar os componentes do seu alto-falante você precisará criar uma caixa para eles, para fazer isso confira a calculadora de caixa de som.

Se você definir o número de alto-falantes na calculadora como um, poderá escolher entre dois circuitos adicionais que envolvem um único alto-falante, conhecidos como Zobel e L-pad. Vamos explorar brevemente esses circuitos.

Circuito de Zobel

Um alto-falante contém uma bobina de fio que age como um indutor. Esse comportamento faz com que a impedância do alto-falante mude com a frequência do som. No entanto, os cálculos para o circuito de crossover pressupõem uma impedância constante do alto-falante.

A solução é colocar um circuito de Zobel entre o circuito de crossover e o alto-falante, o que estabiliza a impedância do alto-falante conforme visto no diagrama da nossa calculadora.

O circuito de Zobel é bastante simples e consiste em um resistor e um capacitor conectados em paralelo ao alto-falante (conforme mostrado no diagrama do circuito).

Digite a indutância e a resistência do alto-falante (estes valores devem estar na folha de especificações do alto-falante) e a calculadora fornecerá os valores do capacitor e do resistor para esse circuito.

As equações para os valores do capacitor e do resistor no circuito de Zobel são as seguintes:

onde:

• $R_z$ é o valor do resistor no circuito de Zobel;
• $R_s$ é a resistência do alto-falante;
• $C_z$ é o valor do capacitor no circuito de Zobel; e
• $L_s$ é a indutância do alto-falante.

Por exemplo, se um alto-falante tiver uma resistência de 6 Ohms e uma indutância de 1,3 mH, os cálculos serão os seguintes:

Circuito de L-pad

Esse circuito é usado para atenuar o sinal para um alto-falante e consiste em dois resistores em um arranjo que se assemelha à letra "L" (conforme mostrado no diagrama do circuito). Digite a impedância do alto-falante e a quantidade de atenuação necessária em decibéis (dB) para calcular os valores dos dois resistores.

As fórmulas para os dois resistores são:

onde:

• $R_1$ é o resistor em série (Resistor 1 no diagrama de circuito);
• $Z_s$ é a impedância do alto-falante;
• $\text{perda}$ é a atenuação do sinal em dB; e
• $R_2$ é o resistor em paralelo (Resistor 2 no diagrama do circuito).

Como exemplo, digamos que você queira atenuar um alto-falante com impedância de 8 Ohms em 5 dB. Os cálculos para os dois resistores são:

O valor do resistor no circuito de Zobel, R_z, é 10 Ω. Você pode calcular isso usando a fórmula R_z = 1,25 R_s, onde R_s é a resistência do alto-falante.

Você pode calcular o valor do capacitor no circuito de Zobel em três etapas:

1. Determine a indutância do alto-falante, L_s.
2. Se você quiser calcular o valor do resistor no circuito de Zobel, R_z = 1,25 R_s.
3. Aplique a fórmula do capacitor de Zobel: C_z = L_s / R_z²

Em geral, há três tipos de crossover: passivo, ativo e digital. Os crossovers passivos são incorporados ao alto-falante, os ativos são unidades separadas que requerem energia e os crossovers digitais usam processamento digital de sinais (PDS).

A escolha da frequência de crossover depende dos componentes que você está usando e de sua resposta de frequência. Em geral, é uma boa ideia consultar as especificações do alto-falante e possivelmente fazer alguns testes sonoros.