http://www.byknirsch.com.br/ Palestra proferida em 03/11/2004, no Instituto de Matemática e Estatística (IME) da Universidade de São Paulo (USP), no I Seminário de Musica, Ciência e Tecnologia, que apresentou em sua primeira edição o tema “Acústica Musical”
Resumo: Este trabalho mostra a influência dos harmônicos na reprodução e gravação de áudio e suas interferências, alterando a percepção musical da mídia. Serão abordados aspectos de filtragem da rede elétrica e também princípios de redução dos harmônicos, através de uma instalação elétrica otimizada para tal fim. A execução de uma música, feita por uma orquestra, ou por um conjunto de músicos, tocando habilmente seus instrumentos, objetivando executar aquela composição com total fidelidade, ocorre em um certo ambiente que apresenta um comportamento acústico específico para aquele lugar e configuração. |
A execução de uma música, feita por uma orquestra, ou por um conjunto de músicos, tocando habilmente seus instrumentos, objetivando executar aquela composição com total fidelidade, ocorre em um certo ambiente que apresenta um comportamento acústico específico para aquele lugar e configuração.
Desejando guardar este momento musical tão especial em uma mídia, em um CD por exemplo, teremos que optar por algum processo de gravação. Se escolhermos um estúdio, este irá procurar recriar o ambiente original para fazer a gravação. Executada esta gravação, a matéria vai para a técnica e começa-se a formação e constituição das faixas do CD. Este é o processo da mixagem. Em seguida, vem a masterização, que realiza um acerto final, principalmente entre as faixas do CD. Após estas etapas, teremos em mãos o nosso primeiro CD, que agora irá ser analisado em uma sala de audição crítica, pouco comum no Brasil, onde o resultado final deverá ser bem avaliado. Estas salas, muito freqüentes no exterior, são chamadas de BLR (Balanced Listening Room) e se enquadram dentro da proposta de norma número IEC 60268-13. Após as avaliações finais, e eventuais correções, o original é enviado à produção para a confecção das cópias do nosso CD. Dentro de todo este universo, há vários fatores de suma relevância para podermos conquistar o sucesso que almejamos: imortalizar aquele momento musical e voltarmos a ele como se estivéssemos "in loco", sempre que desejarmos.
Os fatores de sucesso para a realização de um projeto desta envergadura, envolvem, além de bons músicos e bons instrumentos (~25%), que são fundamentais, um ambiente apropriado para a gravação (~25%), e também profundos conhecimentos de gravação, microfonagem, mixagem e masterização. As porcentagens indicadas são apenas orientativas, para se ter uma idéia das dimensões de cada área envolvida.
Os conhecimentos de acústica, necessários para a otimização de cada um dos ambientes envolvidos, perfazem 50% dos fatores de sucesso, visto que esses ambientes poderão interferir grandemente no resultado final da gravação. Cada um desses locais possui características próprias, bem diferentes entre si, ou seja, o ambiente ou estúdio da gravação, com todo conhecimento necessário de microfonagem, a técnica, para a mixagem, a sala de masterização e a sala de audição crítica para a avaliação do resultado final.
O próximo fator fundamental, para o nosso sucesso, é a instalação elétrica, embora normalmente lhe seja atribuída pouca relevância.
Em terceiro lugar, vêm os equipamentos de gravação e reprodução, aos quais geralmente se atribui uma importância maior do que lhes é de fato devida. Por favor, não se prendam às porcentagens indicadas, pois são valores aproximados, inferidos da prática.
A parte mais importante em uma avaliação sonora de uma mídia é, sem dúvida alguma, o equilíbrio tonal. Em outras palavras, é a reprodução de todas as faixas de freqüências, graves, médios e agudos, com a mesma intensidade sonora e de forma equilibrada.
Em seguida, vem o palco sonoro, que no CD pode ser criado durante a mixagem, em gravações multicanal ou, se for ao vivo, com o posicionamento dos microfones durante uma gravação em tempo real. O palco sonoro se compõe de diversos aspectos como: largura, profundidade, altura, lateralidade, recorte, focagem, planos, etc. que não abordaremos aqui.
Em seguida vem o corpo harmônico, que representa a fidelidade e presença dos graves e dos grave-médios na reprodução, item no qual as ondas estacionárias de uma sala, controladas ou não, tem grande influência.
Outro item importante é a dinâmica. Normalmente, a falta de dinâmica na reprodução costuma ser atribuída aos equipamentos, porém a acústica e a elétrica, com a criação do palco sonoro, são fatores predominantes para a sua existência. A dinâmica é a capacidade de reprodução dos diferentes níveis sonoros, da mesma maneira como os percebemos durante a execução musical, mas agora em um certo volume por nós ajustado no nosso equipamento.
Temos também os transientes, que são a capacidade do sistema conseguir reproduzir exatamente o ritmo tocado. Este item depende totalmente dos equipamentos utilizados e sua falta ocorre principalmente em equipamentos e sistemas de entrada. Não confundir com o significado técnico de transientes na eletrônica, que representa a variação de tensão ou de corrente no tempo.
A textura é a capacidade do sistema reproduzir um conjunto musical ou orquestral com todas as suas nuances musicais. Um dos exemplos mais belos que existem de textura é o famoso bolero de Ravel, usado por ele nas suas aulas de composição, exatamente para mostrar as diferentes texturas que se pode criar.
A organicidade ou transparência é a capacidade que o sistema de reprodução tem de nos dar a impressão de estarmos vivenciando o acontecimento musical como se ele estivesse realmente ocorrendo naquele momento. Aqui, quando nos referimos ao sistema de reprodução, estamos incluindo a mídia, a sala, a elétrica e todos os equipamentos. A organicidade depende de todos os outros fatores anteriormente apresentados.
Finalmente, temos a musicalidade que é a reprodução como se fosse ao vivo, como se todos estivessem tocando naquele instante, razão suprema de ser de qualquer reprodução sonora e de imagem.
A acústica, como vimos, tem uma influência marcante em todo este processo. Mas ao contrário do pensamento corrente hoje entre nós, como segundo fator fundamental de sucesso, logo depois da acústica, não vêm os componentes e equipamentos eletrônicos mas sim a situação da instalação elétrica, com a qualidade de energia que é fornecida aos equipamentos. Isto é importante já de início, a partir da gravação do evento e também depois, durante a mixagem e a masterização e, muito mais ainda, durante a audição crítica para a avaliação do resultado final. A qualidade da energia elétrica é importante em cada estágio do processo de gravação, porque ela poderá tornar a gravação de baixa qualidade. Em conjunto com a acústica, ambas têm sido as principais razões para o baixíssimo nível das gravações nacionais, em relação ao padrão internacional. Se, de um lado, temos excelentes músicos e instrumentistas, de outro, temos enormes oportunidades de melhorar as nossas gravações, para atingirmos um padrão mínimo em relação ao nível internacional.
As EMI/RFI (Eletromagnetic Interference / Radiofrequency Interference) são ondas eletromagnéticas existentes no ar, advindas da propagação de ondas de estações de rádio, televisões e celulares. Estas ondas podem entrar nos nossos equipamentos, ou melhor nos nossos sistemas, ser demoduladas e ouvidas juntamente com o evento musical que estamos apreciando. Por exemplo, a interferência de uma estação de rádio, sendo reproduzida simultaneamente com a música que estamos ouvindo. Estas interferências são as mais fáceis de serem eliminadas.
Quanto aos "spikes", que são transientes de chaveamento, ou seja elevações de tensão de pequena duração, que ocorrem durante por exemplo, a comutação de bancos de capacitores para a correção do fator de potência ou, então, no simples ligar/desligar de um interruptor, são interferências que uma boa filtragem da energia elétrica consegue retirar.
Quanto às diferentes tensões existentes no Brasil, existem alguns problemas dignos de nota. Levando-se em conta a tolerância média especificada pela ANEEL de +5% e -9%, na tensão nominal de 127V, que deverá se tornar padrão entre nós, teremos que, com a tolerância máxima, esta tensão passará dos 130V. E, não raramente, em algumas regiões chega a 135V, tensão esta que muitos dos nossos equipamentos importados não suportam, trabalhando permanentemente sobreaquecidos, o que leva a uma redução de suas vidas úteis, quando não os leva precocemente à queima. Neste caso, é necessário o uso de autotransformadores abaixadores, para reduzir a tensão nominal e, com isto, garantir a vida útil normal dos equipamentos de áudio/vídeo.
Uma próxima anomalia que costuma ocorrer entre nós, geralmente por desconhecimento, é a interrupção do neutro. Em instalações elétricas com duas fases, o neutro jamais deverá ser interrompido, seja por um fusível ou por um interruptor qualquer. Esta interrupção, quando involuntária, também poderá levar à queima de aparelhos.
As variações de tensão, onde ocorrem afundamentos e elevações da tensão com duração de até 3s, também são muito comuns entre nós e, da mesma forma, podem danificar os aparelhos.
O fator de potência será visto em uma figura específica mais adiante.
Chegamos agora à principal anomalia da energia elétrica, a nosso ver, que são os harmônicos, e que podem chegar a causar grande deterioração na qualidade da gravação e também na da reprodução. Os harmônicos são a razão deste artigo. Mostraremos a seguir o resultado de nossas pesquisas técnicas nesta área. Analisaremos como os harmônicos surgem e que efeitos provocam no resultado final de uma gravação em mídia. Não poderemos deixar de mostrar também os caminhos para a atenuação destes harmônicos, através de filtragens competentes da rede elétrica.
Existem dois grandes grupos de cargas: as lineares e as não-lineares. Entre as lineares estão as resistivas, as capacitivas e as indutivas e, evidentemente, as mais variadas composições entre estas três. As maiores e principais cargas deste grupo são, sem dúvida alguma, os motores. Entre as cargas não-lineares estão os conversores, inversores, computadores e no-breaks, que só surgiram mais recentemente, com a criação dos componentes eletrônicos mais modernos, como os tiristores e os triacs. Estas cargas geram um conteúdo de harmônicos muito elevado e são os grandes poluidores elétricos da nossa energia. Normalmente utilizam fontes chaveadas.
Infelizmente, no Brasil, não existe nenhuma norma, na baixa tensão, como ocorre nos países do primeiro mundo, que controle este volume de harmônicos introduzidos na rede elétrica, gerados principalmente pelas indústrias. Temos apenas recomendações para o conteúdo harmônico na média tensão. Esta nossa política está propiciando, paulatinamente, um aumento do conteúdo harmônico da rede elétrica, prejudicando a qualidade de energia que recebemos e usamos. E a utilização desta energia de baixa qualidade traz como conseqüência o aumento da temperatura de funcionamento dos nossos aparelhos elétricos ligados a ela, o que pode causar uma redução da vida útil destes equipamentos. Em equipamentos de alta precisão, como em diversos aparelhos médicos, tem trazido alterações dos resultados medidos.
Estudos profundos sobre este assunto foram feitos pelos fabricantes Mark Levinson e Jeff Rowland. A Mark Levinson procurou estudar todos os tipos de fontes de alimentação e chegou à conclusão que, mesmo com a melhor regulação possível, ainda não conseguiria retirar todos os vestígios da rede elétrica original. Então o que ela fez? Retificou a tensão da rede elétrica, transformando-a em tensão contínua e depois voltou a oscilar uma nova tensão alternada, para novamente retificar e obter uma nova tensão contínua limpa. Em outras palavras, ela foi, voltou, e criou um novo DC pela segunda vez. Ao fazer isso, a redução de harmônicos foi drástica. Esta solução resolveu o problema dos harmônicos, mas criou dois novos desafios. O primeiro, por se tratar de circuitos em série com a rede, ficou muito difícil manter a neutralidade do som no sistema e, em segundo lugar, esta solução resultou extremamente onerosa, pois utiliza muitos componentes que precisam ser de altíssima qualidade. A Mark Levinson usa este sistema nos seus powers 33 e 33H.
A Jeff Rowland já se enveredou por dois outros caminhos. Um deles foi o uso de baterias. Embora a bateria apresente um nível de tensão contínua muito limpo (mas tem ruídos também!), esta nova solução envolve outros desafios a serem vencidos. Logo de início, é necessário se garantir uma reserva a mais de capacidade em AH (Ampére-Hora), para que a qualidade do DC seja realmente boa. Isto faz com que o volume e o peso das baterias fiquem muito grandes. Outro problema é o sistema de recarga das baterias, que precisa ser muito sofisticado, para aumentar a vida útil destes equipamentos.
A outra solução pesquisada e implementada pela Jeff Roland foi o uso de fontes de alimentação chaveadas. Nós mesmos já publicamos um artigo a respeito de fontes chaveadas, com muitos detalhes técnicos.
http://www.byknirsch.com.br/artigos/03-11-fontechaveada.htm
Estas fontes, muito leves e de baixo custo, trabalham com freqüências mais altas, o que torna a filtragem um pouco mais simples, porém o problema não fica totalmente resolvido com relação ao som e à imagem, de forma que não vêm a ser uma solução audiófila.
Entre os dois tipos básicos de transformadores existentes, os isoladores e os autotransformadores, são os autotransformadores que trazem menor coloração. O volume de coloração introduzida dependerá muito do cuidado na construção eletromecânica destes componentes e do projeto elétrico. Em princípio, estes aparelhos devem ser evitados sempre que possível.
Muitos estúdios, inclusive em nível internacional, usam transformadores isoladores de alta potência na relação 1:1, na entrada da energia elétrica, muitas vezes com o objetivo de tornar a rede elétrica balanceada. Este procedimento apresenta muitos pontos negativos, pois normalmente aumenta o THD da linha elétrica e pode se tornar audível na mídia gravada. A rede elétrica balanceada traz muito pouco benefício pois, com a necessidade da introdução de um transformador isolador, acaba introduzindo também colorações em baixa freqüência e aí as vantagens praticamente se anulam. A colocação em série com a rede elétrica traz mais prejuízos do que vantagens à mídia gravada e, portanto, deve ser evitada a todo custo.
Outra prática que está ocorrendo agora no mercado é a adaptação do uso de baluns com núcleos de ferrite para a energia elétrica. Neste caso, a situação se agrava ainda mais, porque além do uso do princípio do balun, que nada mais é do que bobinas em série/paralelo adaptadas à rede elétrica, o uso do ferrite introduz novas colorações nos agudos, tornando a gravação/reprodução da mídia metálica. O resultado é falta de neutralidade no sinal de áudio e vídeo da mídia.
Em alguns poucos casos, são usados também transformadores isoladores, criando a também típica coloração nos médios baixos. Esta é a filtragem mais empregada entre nós e a mais perniciosa para a rede elétrica em todos os aspectos.
Todos os estabilizadores de tensão utilizam-se de transformadores isoladores e, portanto, sofrem dos mesmos problemas destes componentes. Na verdade, como muitos modelos se utilizam de taps (derivações no secundário), o volume de harmônicos é maior ainda. Existem outros que trabalham com o assim chamado núcleo saturado, que permite alguma limitação para tensões maiores, mas estes são ainda mais ricos na geração de harmônicos. Os estabilizadores de tensão são, sem dúvida, dos aparelhos de filtragem que mais harmônicos injetam na rede e não deveriam ser utilizados em nenhum sistema de áudio/vídeo. Como não existe uma solução eletrônica neutra para se estabilizar a tensão, a não ser através de componentes em série com a própria rede, conseqüentemente todas as possibilidades são problemáticas, por gerarem harmônicos. E também pelo fato de haver um aumento da impedância da linha, temos mais ainda que procurar uma alternativa.
Uma possibilidade seria a de se fazer um circuito eletrônico em paralelo, capaz de controlar os valores máximos e mínimos da tensão, de modo a poder desligar o sistema caso necessário. Por isso recomendamos, como função relevante dos aparelhos de filtragem, não a estabilização da tensão, mas sim a proteção do sistema contra sobretensões e subtensões, ou seja, através de um controle dos limites máximos e mínimos permitidos.
Acrescento aqui também os tão comentados nobreaks. São muito falados no mercado e muitos estão usando estes aparelhos, sem ter realmente idéia de como eles funcionam. Além de utilizarem transformadores isoladores, como os estabilizadores de tensão, geram um novo AC, a partir de baterias, normalmente através de um comando digital em PWM. Porém a onda gerada, na maioria destes aparelhos, é uma onda quadrada e não uma onda senoidal, como deveria ser, com filtros agregados para reduzir um pouco os harmônicos. Mesmo nos aparelhos que se dizem gerar uma onda senoidal, esta não é pura e tem um conteúdo harmônico muito alto, chegando até a ser proibitivo seu uso. De todos os aparelhos comentados, estes apresentam o maior conteúdo harmônico.
Os condicionadores de energia com componentes em série, pelas razões acima apresentadas, geram um volume de harmônicos muito alto. Os que utilizam circuitos em paralelo, apresentam várias topologias, como vimos anteriormente, e podem ser muito potentes, permitindo uma drástica redução dos harmônicos, principalmente daqueles de baixas freqüências, que são os mais difíceis de serem retirados e que trazem maior coloração para o nosso som. Estes condicionadores de energia podem reduzir os harmônicos, com um resultado sonoro muito neutro. Como são filtros específicos para uma dada tensão da rede, não permitem bivoltagem. O que acontece também é que, para atender às quatro últimas funções de proteção indicadas, de maneira correta, o condicionador deve ser destinado apenas a uma tensão da rede. Portanto, devem ser evitados os aparelhos que são de bivoltagem, pois não poderão atender a todas as funções necessárias.
Alguns condicionadores de energia apresentam uma característica que é muito interessante aqui no Brasil. Como vocês sabem, de vez em quando a energia elétrica cai e, quando retorna, pode voltar no primeiro instante com uma tensão mais alta, eventualmente queimando algum aparelho. Estes condicionadores possuem um dispositivo interno que, na queda da tensão da rede, se desligam automaticamente e não religam quando a energia retorna, de forma a proteger todo o nosso sistema. Eles religam apenas manualmente. Esta é uma característica muito importante que já salvou muitos sistemas por aí.
ORIENTAÇÕES PRÁTICAS
- Fazendo um fechamento: menos é mais, ou seja, em caso de dúvida e falta de conhecimento do que fazer com a energia elétrica, é melhor não fazer nada, não acrescentar nada à rede elétrica, pois o risco de se aumentar o conteúdo harmônico da energia elétrica é muito maior sem um conhecimento detalhado da situação. Em seguida, colocamos um guia prático, em ordem simples e econômica, para ser seguido na otimização de instalações elétricas.
- A utilização de uma fiação dedicada saindo da entrada do estabelecimento para os equipamentos de áudio e vídeo é recomendável, pelo fato de reduzir um pouco a contaminação de harmônicos no sistema de áudio/vídeo a ser alimentado.
- Como disjuntores e fusíveis são componentes de proteção utilizados em série com a rede elétrica, os que tiverem menor impedância, ou seja os fusíveis, deverão ser empregados nas aplicações de alimentação elétrica para áudio e vídeo. Portanto, em todos os circuitos destinados ao áudio e vídeo deveremos dar preferência ao emprego de fusíveis. Isto é muito pertinente, principalmente em estúdios. A razão para isto é que os elementos interruptores nos fusíveis, normalmente chamados de elos-fusíveis, possuem impedâncias menores do que a soma da bobina de curto-circuito e das resistências dos bimetais dos disjuntores.
- A fiação dedicada para a alimentação dos equipamentos deverá empregar fios sólidos para a fiação das fases e do neutro e fiação flexível para o aterramento. Os fios sólidos, em comparação com os cabos flexíveis de mesma bitola, apresentam um aumento maior da impedância em altas freqüências, devido ao efeito Skin, também chamado de efeito pelicular. Esta característica dos fios sólidos corrobora na redução do fluxo dos harmônicos pela rede elétrica.
- Os contatos elétricos realizados por pressão dos elementos apresentam resistências mais baixas do que os contatos soldados. Portanto, nas emendas da fiação elétrica da rede, é recomendável se evitar soldas com estanho/chumbo.
- É importante melhorar o aterramento do neutro da nossa rede elétrica, pela razão de ser preponderantemente uma rede elétrica aérea e, por isto, com aterramento do neutro insuficiente!. A confecção de uma malha de aterramento na superfície do estabelecimento é muito recomendada, para abaixar a impedância do neutro, o que colabora com a estabilidade da tensão elétrica e reduz o ruído drasticamente.
- Aterramento do terra deverá ser feito conforme a norma NBR5410 em TT, por dentro do aterramento do neutro, para aumentar a segurança e reduzir o ruído. No quadro geral de entrada, principalmente de estúdios, onde estão o neutro e o terra, poderemos montar um sistema que permita transformar o aterramento TT em TN, quando o estúdio não estiver sendo usado.
- Recomendamos que seja evitado o uso de transformadores, filtros de linha, estabilizadores de tensão, nobreaks, pelo fato de serem os maiores introdutores de harmônicos na rede elétrica.
- Quando necessário, o melhor é usarmos somente extensões neutras e minimalistas.
- Para a filtragem, finalmente, o ideal é utilizarmos condicionadores de energia com todos os componentes em paralelo.