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Textos, manuais, artigos e tutoriais traduzidos.

Áudio Eletrônica Básica

Quando um objeto vibra ele coloca o ar que está ao seu redor em movimento, emitindo ondas de compressão e rarefação que chamamos de som irradiado para o exterior do objeto. Quando estas ondas atingem um outro objeto, elas o fazem vibrar. Um transdutor eletro-mecânico como um microfone pode converter estas vibrações em sinais elétricos que oscilam na mesma proporção que as variações na pressão do ar. Uma vez que o conteúdo da informação sonora  é transferido para um sinal elétrico, ele pode ser armazenado e manipulado no processo que conhecemos como gravação sonora. Muito deste processo envolve o análogo elétrico dos sons originais, uma vez que os sons são impossíveis de se armazenar diretamente, então um entendimento das funções dos dispositivos eletrônicos é fundamental para se dominar a arte da gravação.

Equipamentos incluindo gravadores, amplificadores, mesas de mixagem, equalizadores, compressores e outros podem ser utilizados para alterar a informação elétrica de maneiras específicas, dando ao técnico a capacidade de alterar dramaticamente a reprodução dos sons que foram gravados. Enquanto estes dispositivos podem  ser complexos, sua operação é baseada em poucos príncipios elementares de eletrônica analógica. A eletrônica analógica é um sistema onde a amplitude elétrica dos sinais varia constantemente em proporção direta a intensidade das vibrações mecânicas que foram transduzidas. Até recentemente este era o único processo disponível para se processar informação de áudio. A eletrônica digital agora permite  discretas medições do sinal transduzido para serem criadas, armazenadas e manipuladas por computadores numa altíssima taxa de velocidade, produzindo uma veloz mas não-contínua representação numérica do som original. Nos vamos iniciar explorando os mais simples conceitos da eletrônica analógica.

Eletricidade é o simples movimento de carga (elétrons na maioria dos casos). A corrente da carga pode perpassar um meio resistivo como o ar (trovão), ou através de um condutor sólido como um cabo. O caminho pelo qual a carga se move é chamado circuito; para serem úteis as cargas devem mover-se de uma fonte (bateria) através de um laço (circuito) que volta a fonte. A corrente direta (C.D.) flui em uma única direção, enquanto a corrente alternada (C.A.) flui para frente e para trás nas duas direções. A taxa em que uma corrente alternada muda de direção determina sua frequência, a taxa onde uma oscilação senoidal se repete. Alguns princípios elétricos incluem:

Voltagem (V) : força eletromotriz (f.e.m.) transportando cargas através de um circuito ( análoga a pressão em um sistema de fluxo líquido). Sinais de aúdio são usualmente sinais de voltagem variáveis no tempo.

Corrente (I) : fluxo de carga através de um circuito. ( Amperes = coulombs por segundo: o coulomb é a medida da carga elétrica: 1 coulomb = 6,414 x 10¹8  elétrons).

Impedância (Z) : oposição ao fluxo de corrente (de certa maneira análoga ao diâmetro de um tubo em um sistema de fluxo líquido), medida em ohms (resistência [R] , reatância [X]: enquanto a resistência não depende da frequência do sinal, a reatância depende).

O termo sinal se refere a uma voltagem ou corrente variável no tempo que codifica uma informação: uma voltagem ou corrente que varia em proporção em uma pressão do ar transduzida, por exemplo.

Enquanto geralmente tomamos um cabo (metálico) como um simples condutor para o fluxo de corrente elétrica, há um fenômeno bastante importante gerado pela corrente elétrica num cabo: a saber, a criação de um campo magnético que varia de acordo com a mudança de fluxo de corrente. Toda vez que flui corrente num cabo, ele cria um campo eletromagnético, e toda vez que um cabo move-se através de um campo magnético um fluxo de corrente é induzida no cabo. Este fenômeno provê a base para vários passos do processo de gravação. Também cria alguns problemas básicos por fornecer acoplamento de sinais indesejados em algumas situações.

Componentes Eletrônicos

Os mais simples componentes eletrônicos são os dispositivos passivos: resistores, capacitores e indutores. Passivo significa que eles não requerem energia externa para funcionar, somente a energia contida no próprio sinal. ( Componentes ativos como transistors, válvulas e circuitos integrados requerem energia externa bem como a energia do próprio sinal. Os dispositivos eletrônicos caracterizam-se pelas relações entre corrente e voltagem que possuem: enquanto variamos a corrente através do dispositivo, o que acontece com a voltagem entre eles? (Embora estes todos estes elementos do circuito apresentem leves desvios do comportamento ideal, estas diferenças são suficientemente pequenas e podem ser ignoradas nem primeiro momento.)

Os dispositivos eletrônicos passivos são somente capazes de se oporem ao fluxo de corrente e portanto não podem amplificar o sinal. A oposição ao fluxo da corrente ocorre de duas maneiras distintas: os resistores dissipam energia através de calor enquanto capacitores e indutores “ideais” armazenam temporariamente energia que pode ser retornada ao circuito e não dissipam calor. A oposição a corrente nos resistores é chamada resistência térmica enquanto que nos capacitores e indutores é chamada reatância, mas ambos as formas estão incluidas no termo impedância. As impedâncias são medidas em ohms se nos referimos  a resistência ou reatância.

Resistores: V= I x R (resistência [R] não depende do tempo ou da frequência). Os resistores são componentes passivos que tem uma impedância constante independente da frequência do fluxo de corrente. Eles podem ser conceitualizados como o diâmetro de uma mangueira: eles opoem-se ao fluxo de corrente por uma quantidade diretamente relacionada a resistência (como a constrição em uma mangueira dificulta a passagem de líquido). Os resistores impedem o fluxo de corrente dissipando a energia através de calor.

Código de cores dos resistores.

Capacitores: V=∫I dt/C  (ou I=C dv/dt) : Xc = -1/(2πfC) (reatância(Xc, XL) envolve o armazenamento de energia e portanto não depende do tempo ou da frequência). Um capacitor é formado simplesmente por  duas placas eletricamente carregadas colocadas próximas,  mas separadas por um material dielétrico(não-condutor). Quando uma carga é aplicada em uma placa, ela repele as cargas da placa oposta até que o equilíbrio seja restabelecido. Na corrente direta o capacitor carrega-se em uma constante de tempo que depende do valor da capacitância e da impedância pela qual a corrente flui pelo capacitor. Uma vez que um capacitor está completamente carregado, não flui mais corrente. Isto significa que o capacitor bloqueia efetivamente a corrente direta. Para a corrente alternada (como sinais de áudio), a resposta é mais complicada. A carga que se desenvolve no capacitor depende de quão rápido a corrente muda. Isto demanda tempo até o capacitor carregar-se, e este tempo resulta num atraso(delay) dependente da frequência ou mudança de fase no sinal elétrico. Em série, um capacitor age de certo modo como um diafragma de borracha em uma mangueira. Os capacitores armazenam energia no campo elétrico criado pelas cargas distintas das placas.

Indutores: V=L dI/dt : Xl = 2πfL. Um indutor é simplesmente uma bobina de fio metálico, que pode ser acondicionada ao redor de ar ou núcleos de metal. Enquanto a corrente flui pelo indutor, um campo magnético é criado ao redor da bobina. Quando a corrente para, o campo magnético acaba, gerando um fluxo de corrente induzida na bobina. Correntes de baixa frequência fluem facilmente pelo indutor, enquanto a frequência da corrente alternada aumenta, a impedância do indutor também aumenta. Como o capacitor, o indutor provoca mudança de fase. Os indutores permitem a corrente direta fluir, mas enquanto a frequência de oscilação aumenta, a impedância do indutor também. Um indutor é conceitualmente similar a um tanque de água ( circuitos ressonantes com indutores são ás vezes chamados de circuitos-tanque). Indutores armazenam energia no campo magnético que se forma ao redor do dispositivo quando passa corrente.

Transformadores: (M= indutância mútua) Vout =L dI/dt + M dI/dt. Um tranformador consiste em duas bobinas separadas com os campos magnéticos sobrepostos, assim uma corrente passando por um circuito é indutivamente somada ao outro. Frequentemente, transformadores consistem em um núcleo de ferro envolto em duas ou mais bobinas, que se casam magneticamente. Os transformadore são utilizados para se conseguir ganho de voltagem (ao custo da redução de corrente) e para baixar a tensão de linha de fontes de alimentação. Transformadores são usados também para casar impedância entre dispositivos e prover isolamento de “terra”. Embora os transformadores sejam bidirecionais, o ladop que é ativamente impulsionado é chamado primário enquanto que o outro lado é chamado secundário.

Lei de Ohm: a lei de Ohm é um dos mais simples,  contudo o mais importante princípio matemático. Ele estabelece que: V = I x R

A voltagem que passa por um resistor é igual a corrente multiplicada pela resitência. Este príncipio também permanece verdadeiro para impedância de indutores e capacitores, se tomarmos em conta sua natureza dependente da frequência. A quantidade de trabalho realizado por unidade de tempo em um circuito é dade por:   P(potência)= I x V = V²/R = I² x R, onde a lei de Ohm pode ser tanto substituída por I como porV.

Circuitos Analógicos

Embora muitos dispositivos eletrônicos estão cheios de componentes ativos, como amplificadores operacionais e transistores, muito do rabalho é feito por simples combinações dos componentes passivos: resistores, capacitores e indutores. Entender estes simples circuitos irá permitir ao engenheiro examinar o diagrama esquemático de um novo componente e imediatamente adquirir conhecimento sobre a aplicação adequada do dispositivo. Isto também permitirá a resolução de problemas possível. Através do exame de algumas simples combinações de resistores e capacitores, nós iremos ver como os equalizadores funcionam.

Divisor de Voltagem: O mais simples dos circuitos funcionais, mas um dos mais importantes, é o divisor de voltagem:

O divisor de voltagem é assim chamado porque a tensão de entrada é dividida linearmente em proporção as resistências do circuito. Se medirmos a voltagem que passa através de R², ela é a voltagem de entrada vezes a razão de R² pela resistência total do circuito. Usando Capacitores e indutores com os resistores, o divisor de voltagem pode funcionar como um circuito seletor de frequência chamado filtro.

Circuito R-C: Muitos filtros em uso hoje em dia dependem somente de resistores e capacitores. (Indutores são raramente usados porque são grandes, caros, raros em valores maiores, suscetíveis a interferência eletromagnética e em grande parte desnecessários.) O divisor de voltagem, quando composto por elementos passivos que podem selecionar frequências atuam como filtros. A frequência acima (ou abaixo) de onde a atenuação acorre depende do valor de resistência e capacitância (ou indutância).

O filtro passa-baixa(LPF): sinais graves atravessam sem atenuação. Enquanto a frequência aumenta, a reatância capacitiva diminui. Na frequência onde  a reatância capacitiva apenas iguala a resistência o sinal de saída é reduzido 1/√2 (-3 dB). Esta é conhecida como frequência central do filtro e e´determinada por:   f° = 1/(2ΠRC)