Desde a primeira aula de Acústica, estamos habituados a respeitar, sem discutir, a Lei do Inverso do Quadrado da Distância. Segundo ela, a cada variação na distância entre a fonte sonora e o ouvinte, corresponde uma variação da pressão sonora inversamente proporcional ao quadrado da variação da distância.
Isso é um "fato cruel": para atendermos a uma platéia com o dobro da profundidade, precisaremos do quádruplo da potência sonora! E a crueldade continua, pois nesta condição as primeiras filas de público precisarão ser submetidas a enormes níveis de som, para que as mais distantes possam ouvir o som com razoável pressão.
Fica claro que alguma coisa precisava ser feita para subverter essa dura lei. Se ao menos a pressão sonora pudesse ser inversamente proporcional à distância, sem o maldito quadrado...
Bem, agora este sonho está se tornando possível, graças ao sistema V-DOSC e seus similares, que começam a aparecer em vários países.
A Coluna de Som
O princípio das "colunas de som" é muito, muito antigo. Nos anos 50, elas já eram vistas nas igrejas e em outras salas de acústica difícil, com seus múltiplos falantezinhos enfileirados na vertical. Este princípio, tão antigo, é eterno. Sabemos que, ao empilhar falantes na vertical, reduzimos o ângulo de cobertura vertical e mantemos o ângulo de cobertura horizontal. Se empilharmos muitos falantes, teremos uma ampla cobertura horizontal e uma pequena dispersão vertical. Com isto, a sensibilidade eletroacústica do conjunto, dentro da área de cobertura, aumenta consideravelmente, já que toda a pressão sonora que emana dos falantes passa a se concentrar numa porção menor do espaço. Outra enorme vantagem da pequena abertura vertical é que se deixa de projetar muito som para cima e para baixo, onde não há público e, o mais importante, onde se podem produzir reflexões e aumentar os efeitos negativos da reverberação. Em síntese, a disposição vertical é indispensável, pois faz o sistema "falar" mais alto e mais claro.
Mas nem tudo são flores com as colunas. Embora a cobertura vertical seja estreita, ela está longe de ser uniforme. Estamos a diferentes distâncias de cada um dos falantes que formam a coluna (fig. 1), principalmente quando fora do eixo. Assim sendo, as ondas de cada alto-falante chegam até nós com diferentes atrasos, ocasionando, conforme o ângulo com que estamos fora de eixo, cancelamentos em algumas freqüências altas e reforços em outras. Ou seja, para cada freqüência o diagrama polar não é uma curva suave, caindo de valor à medida que saímos do eixo, e sim uma curva descontínua, com vários lobos. Este fenômeno, chamado em inglês lobbing, é o responsável pela resposta de freqüências "colorida" que ouvimos assim que nos afastamos do eixo vertical de uma coluna.
Figura1 - Alto-falantes a diferentes distâncias do ouvinte: coloração
Claramente, não é possível construir uma coluna perfeita, pois não se pode construir transdutores infinitamente pequenos nem empilhar infinitos deles. Seria realmente preciso criar algum método de obter acoplamento completo entre fontes sonoras pertencentes ao mundo real, a fim de promover a formação de ondas que não se expandissem na vertical, não desperdiçando energia nem gerando cancelamentos.
Um Novo Sistema
Para que os elementos que constituem uma coluna produzam uma saída verticalmente coerente e sem cancelamentos, pelo menos uma das seguintes condições deverá ser satisfeita:
a) A soma das áreas de radiadores individuais deve ser pelo menos 80% da área total radiante;
b) A distância entre os centros de radiadores vizinhos deve ser menor que a metade do comprimento de onda, para todo o espectro a ser reproduzido.
Estas condições nortearam o desenvolvimento do sistema V-DOSC. A primeira condição criou a guia de onda DOSC (Difusor de Ondas Sonoras Cilíndricas). Este dispositivo, usado para a reprodução de altas freqüências, alinha no tempo as ondas que entram nele, de modo que na estreita abertura retangular vertical ("fita") à sua frente, as ondas sonoras estão alinhadas em tempo e em fase - ou seja, perfeitamente coerentes. Essa abertura é em forma de "V", promovendo uma dispersão horizontal de 90°. Devido à coerência vertical, todas as ondas geradas são horizontais, isto é, o ângulo teórico de dispersão vertical é zero. Vemos na fig. 2, a guia de onda do sistema Vertec da JBL. que funciona segundo os mesmos princípios.
Figura 2 - Guia de Onda Vertec da JBL
Vários dispositivos como este são usados empilhados, produzindo assim um feixe de ondas horizontais. Pequenos ângulos de abertura podem ser usados entre caixas, criando uma pequena abertura vertical, porém mantendo a coerência, a fim de abranger um público que demande essa abertura.
Para as freqüências médias e baixas, foi utilizada a segunda condição. Nas freqüências médias, são usados falantes de 7" montados simetricamente em relação à "fita" de agudos em uma guia em forma de "V". Para as baixas freqüências (acima de 40Hz), falantes de 15" são montados aos dois lados da guia dos médios, de forma a atender ainda à segunda condição. Ver fig. 3.
Figura 3 - Simetria em relação ao plano médio vertical
Simetria Coplanar
Todos os transdutores são montados de modo simétrico ao plano médio vertical do sistema. Esta simetria coplanar, tal como é chamada, é responsável pela ótima imagem sonora do sistema. Ouvido da distância ideal, todo o som do V-DOSC parece vir de um único ponto, o qual é definido, na vertical, pela linha perpendicular ao sistema passando pelo ouvinte, e na horizontal pelo eixo do sistema, graças à simetria coplanar.
Fresnel × Fraunhofer
A característica mais interessante do sistema V-DOSC é que o campo próximo, no qual as ondas se propagam coerentemente e em forma cilíndrica, se estende por consideráveis distâncias da fonte sonora. Observe que, num sistema convencional, esta zona, denominada zona de Fresnel, termina a distâncias mínimas das caixas.
Dito de forma mais simples, os sistemas convencionais produzem ondas sonoras esféricas (fig. 4) que se expandem na horizontal e na vertical, enquanto o sistema V-DOSC produz ondas cilíndricas (fig. 5), que só se expendem na horizontal.
Figura 4 - Convencional: ondas sonoras esféricas
Figura 5 - V-DOSC: ondas sonoras cilíndricas
A equação abaixo permite calcular a distância até onde se estende a zona de Fresnel, para uma fonte sonora coerente como o V-DOSC:
onde H é a altura do conjunto (metros), f é a freqüência (kHz), e dfronteira é a distância (metros) onde passamos da zona de propagação cilíndrica para a zona de propagação esférica, ou zona de Fraunhofer. Ver fig. 6.
Figura 6 - Passagem da zona de Fresnel (ondas cilíndricas) para a zona de Fraunhofer (ondas esféricas)
O ângulo vertical de abertura da zona de Fraunhofer pode ser calculado por:
Por exemplo: se um sistema tem 12 elementos, até que distância teremos propagação cilíndrica em 1kHz? A altura por 2 elementos V-DOSC é de 0,9m.
Propagação Cilíndrica: Mudando as Leis da Acústica
Na zona de propagação esférica, o SPL é proporcional ao inverso do quadrado da distância, como sempre estudamos. Porém, na zona de Fresnel, o SPL é proporcional ao inverso da distância, o que permite obter performance nunca sonhada anteriormente. Isto é, a cada vez que dobramos a distância, o SPL cai apenas 3dB.
O resultado disso é impressionante. Vamos considerar o resultado do exemplo anterior, onde a propagação cilíndrica se estende até 44 metros do array. Para comparação, vamos usar um array convencional de propagação esférica, conferindo os SPLs a várias distâncias:
Distância (m) SPL, convencional,dB SPL, V-DOSC, dB
1 132 116
10 112 106
20 106 103
40 100 100
100 92 92
200 86 86
Pode-se notar enormes vantagens. Para um SPL de 100dB a 40 metros de distância, no sistema convencional, a 10 metros de distância, teremos 112dB contra 106dB no V-DOSC. E a 1 metro, o sistema V-DOSC precisa fornecer 16dB a menos que o convencional. Com isto, além de menor potência total, temos menos vazamento do PA no palco e SPL mais tolerável nas primeiras filas da platéia. Tomamos 40 metros como referência para comparação, por ser uma distância tipicamente usada para a colocação do house mix em sistemas muito grandes.
Ouvindo o V-DOSC
O Rock in Rio 3 ofereceu excelente oportunidade para avaliar o resultado prático do sistema V-DOSC. Na realidade, o sistema não era completamente V-DOSC, e era de três diferentes marcas: as quatro torres principais eram V-DOSC (L'Acoustics); os subwoofers eram EAW SB-1000; e as caixas nas torres de delay eram Meyer Sound. Portanto, o ponto ideal para se sentir o som do V-DOSC ficava a menos de 50 metros do palco, ou seja, antes do primeiro arco de delay.
A primeira surpresa é com o tamanho das torres: apenas uma estreita "tripa" de caixinhas. O desavisado pensa que ainda vão montar o PA!!! A segunda surpresa é com a quantidade e a qualidade de som que sai daquelas "coisinhas". A 50 metros, o SPL é farto e não se nota esforço algum por parte do sistema. Houve bastante gente que achou o volume baixo no festival, mas isso foi uma decisão e não uma limitação. Estivemos na primeira passagem de som, logo após o alinhamento do sistema, e o SPL ao lado da house mix era ensurdecedor. Nesse momento, os subs até estavam distorcendo bastante em segundo harmônico, mas o V-DOSC não se mostrava muito exigido.
Durante o festival, pudemos sentir a qualidade do som. A segunda surpresa veio quando nos posicionamos a 40 metros à frente da torre frontal da direita, e pudemos ouvir perfeitamente também a torre esquerda. Em sistemas convencionais, isso jamais acontece, pois, além da cobertura fora de eixo ser fraca, a lei do inverso do quadrado se faz sentir. Com o V-DOSC, em qualquer ponto desde em frente a uma torre até a outra, o estéreo era ótimo.
O timbre é um dos mais naturais que já ouvimos, parecendo mais um sistema de hi-fi do que um PA. Isso certamente de deve ao fato de neste sistema não serem usadas cornetas e sim guias de onda, de som perfeitamente coerente e livre de cancelamentos e "colorações". O som pouco varia de qualidade e de pressão, estejamos em frente à torre ou quase no limite do ângulo de cobertura horizontal. E nunca se fica fora do eixo vertical, já que as ondas são todas perpendiculares à frente da torre!
Finalmente, quando ficamos perto do palco, "na cara do PA", o SPL não sobe como de costume. Quase não há necessidade de front fill. Apenas o grave fica exagerado, já que o princípio V-DOSC não pode ser aplicado a subwoofers (mesmo que os subs fossem L'Acoustics, não seriam V-DOSC).
Na Esteira da L'Acoustics
O princípio de funcionamento do V-DOSC tende a se tornar, a curto prazo, o padrão universal para grandes sistemas de sonorização, por todas as vantagens mostradas, incluindo o tamanho e o peso reduzidos.
Vários outros fabricantes estão desenvolvendo sistemas baseados na propagação cilíndrica e coerente, mais ou menos parecidos com o V-DOSC original. Este é produzido na Europa (França) pela L'Acoustics e na América do Norte (USA) pela Cox Audio. A EAW tem um sistema coerente, do qual a caixa KF860 faz parte. A JBL lançou recentemente o sistema Vertec (Vertical Technology), bastante semelhante ao V-DOSC (fig. 7).
Figura 7 - Sistema Vertec da JBL: "fita" de altas freqüências e falantes de 8" para médios
Projeto de Sistemas
O projeto de sistemas de PA utilizando V-DOSC se afasta bastante do método convencional, em função do desrespeito à lei do inverso do quadrado da distância. A distância crítica aumenta consideravelmente, já que o campo livre (onde o SPL do som direto da fonte é maior que o da reverberação) é dominado em grande extensão pelo campo próximo. As equações que permitem calcular o SPL em ambientes reverberantes, assim como a inteligibilidade, precisam ser reformuladas.
A cobertura pode ser precisamente prevista, com um programa de computador que faça os cálculos e cuide da parte gráfica. Tanto a L'Acoustics como a JBL têm planilhas (Excel) para desenho do array e determinação dos ângulos ideais de inclinação vertical dos elementos (Fig. 8).
ENTRA VLAC.jpg - Legenda: Figura 8 - Software da JBL para cálculo de cobertura
O projeto de sistemas usando o princípio V-DOSC é bem mais exato e os resultados mais previsíveis. Além disso, os fabricantes disponibilizam tabelas completas de parâmetros a serem utilizados em processadores comuns no mercado, como BSS, xta e dbx.
Tudo indica que o V-DOSC é a tendência para os grandes sistemas de PA do século 21.
Sólon do Valle, editor técnico de M&T, é engenheiro, consultor e projetista em Áudio.
ENTREVISTA COM PAUL D. BAUMAN - O "HOMEM DO V-DOSC"
Entrevistamos, na Cidade do Rock, Paul D. Bauman, responsável técnico pela operação do sistema V-DOSC. Apesar do calor de verão, o bate-papo fluiu muito bem, em meio a muitas garrafinhas de água mineral.
M&T: A concepção do V-DOSC é bastante antiga. Quanto tempo se levou para desenvolver esse sistema?
PB: O projeto em si começou em 89, mas teoricamente os estudos começaram no início dos anos 80, quando Christian cursava física nuclear e era supervisionado por Marcel Urban. Urban trabalhava com astrofísica. Christian era um físico mais ligado às partículas. Como ele tinha amigos que trabalhavam com sonorização, desenvolveu o interesse pelo assunto. Ao freqüentar shows, Christian observou que aqueles "arrays" com falantes enormes não poderiam funcionar direito, com tantas fontes sonoras interferindo umas nas outras, deveria haver uma maneira melhor. Então eles se juntaram para desenvolver o que chamamos de "Wave Front Sculpture Technology Criteria", cujo critério é o de fazer todas as fontes se acoplarem corretamente para dar a impressão de ser uma única fonte.
M&T: Acho que a preocupação principal era evitar o "lobbing".
PB: É. Mas também proporcionar um casamento entre as fontes. Consideramos cada elemento do array como sendo um segmento de uma fonte sonora linear contínua. É importante entendermos que estamos criando aqui uma fonte linear e não um array linear. Um array linear poderia ser qualquer conjunto de alto-falantes cônicos dispostos em coluna, por exemplo. Uma fonte linear, diferentemente, irradia uma frente sonora plana. A pergunta que Christian respondeu foi esta: Como irradiar uma frente sonora plana em altas freqüências? Nas altas freqüências, você não consegue ter os centros acústicos das fontes próximos o suficiente para acoplá-las, então é necessário encontrar outra maneira. O mérito do sistema foi resumir o problema a este: como montar um casamento entre as fontes emissoras das freqüências altas, de forma que propaguem uma frente sonora plana. A partir daí ficou fácil, segundo Christian. Se você observar a figura do V-DOSC (ele mostra figura)... Veja o que tem dentro. Basicamente o que se tenta fazer é converter um círculo em um retângulo. E essa é a única geometria que torna possível a conversão.
M&T: O mesmo vale para as freqüências graves?
PB: As freqüências graves são um pouco mais tolerantes. Podemos dizer que o centro acústico pode ser encontrado dentro de meio comprimento de onda ou que temos frentes de onda planas numa curvatura de até meio comprimento de onda. Ou seja, para os graves é mais fácil conseguirmos um acoplamento apropriado dos centros acústicos dos falantes. Isso porque os comprimentos de onda são grandes, ao contrário dos agudos. Nos agudos é que não conseguimos aproximar os falantes o suficiente. Os elementos V-DOSC produzem frentes sonoras planas, graças a essa geometria que é a única consegue-se isso. Logo, o sistema pode ser montado em módulos, emitindo uma frente sonora plana,graças a essa única geometria que transforma um círculo num retângulo. Cada V-DOSC tem dois elementos de alta freqüência . Nós podemos fisicamente dispor o array para distribuir a energia para a platéia de acordo com o formato da mesma, para cobrir todos os locais onde existem pessoas. Aqui está a figura: nós estamos curvando o array para cobrir a platéia.
Por exemplo, o ângulo dos arrays MAIN L/R que temos aqui tem ângulo sólido de apenas 6 graus...
M&T: Isso é bem fechado!
PB: ...Cobrindo desde 20 metros até 170 metros.
M&T: Então é necessário curvar o array para cobrir a platéia?
PB: Exatamente.
M&T: Isso é o oposto do usual, não?
PB: É. Quando fechamos o ângulo, temos essa situação. Vários tipos de cornetas diferentes, todas irradiando frentes de onda curvas: pode-se ver elas se superpondo e interferindo e isso não é uma maneira eficiente de se trabalhar. Assim se cria comb filtering. Se você bota o PA mais plano , estará aumentando um pouco o SPL, mas estará gerando mais interferências caóticas e mais comb filtering. Estamos tentando simular uma fonte linear, criando uma onda cilíndrica, já que o V-DOSC está emitindo uma onda plana e com o posicionamento dos módulos geramos a onda de formato cilíndrico no domínio horizontal. Nós não perdemos energia verticalmente, então temos duas vezes mais rendimento. Temos uma atenuação de 3 dB a cada vez que dobramos a distância, ao invés de 6 dB, para fontes esféricas. Então temos a forma de onda emitida em forma plana (cilíndrica) e a disposição com que as caixas são focadas sobre a platéia: deve-se ter uma distribuição por igual, e para isso deve-se dispor o array apropriadamente.
M&T: É o fim da regra do inverso do quadrado?
PB: Sim, mas não é só isso. Deve-se considerar também o que acontece no domínio das freqüências. Existe uma transição entre as áreas que chamamos de "campo próximo" e "campo afastado". No campo próximo temos uma atenuação de 3 dB a cada dobro de distância.
M&T: De que depende essa separação?
PB: Depende do tamanho do array (altura/número de falantes) e da frequência. Esse aqui, por exemplo, é um array bem plano, no exemplo do manual.
M&T: Aqui [house mix] seria o limite a partir de onde o comportamento fica normal?
PB: Certo. Temos ondas cilíndricas até essa distância e aí elas se tornam esféricas. Mas aí temos uma espécie de ângulo de espalhamento associado a isso. Se olharmos esse exemplo (na verdade teremos 15 elementos aqui), vemos que para as freqüências graves a distância limite é pequena: 63 Hz - 1 metro; 125 Hz - 5 metros; não é tão interessante. Quando chegamos a 1 kHz, temos uma distância limite de 44 m; 2 kHz - 87 m; 4 kHz - 175 m e assim vai. Nas freqüências mais altas, estamos jogando energia com atenuação de 3 dB a cada dobro de distância, e isso realmente ajuda a compensar a absorção do ar em agudos. O sistema mantém o balanceamento do espectro sonoro e você tem melhor distribuição de SPL com melhor resposta em freqüência para longa distância.
M&T: No plano horizontal, o comportamento é normal?
PB: É normal, mas é muito bem definido, por causa do que chamamos de "simetria coplanar". Os graves, médios e agudos são simétricos horizontalmente e é bastante estável. Então se fizermos gráficos polares individuais para 1, 2 e 4 kHz vemos que eles se superpõem virtualmente. Então assumimos uma média dos gráficos individuais e re-plotamos num gráfico em função das distâncias.
M&T: É. Parecido com os demais.
PB: Sim, mas mesmo assim ele surpreende pela pouca emissão para trás do sistema. Se você andar atrás do PA, vai ouvir como vem pouco som. Podemos usar esse gráfico polar para olhar para coisas como esse corte vertical dolocal do evento. Este é o foco de cada elemento. Nós tentamos ter um espaçamento bem distribuído, o que significa que temos boas características de atenuação. Então olhamos uma seção do local, onde podemos observar elevações, balcões. Aprendemos que ângulo devemos usar entre os elementos, em que altura pendurar o sistema e tudo que precisamos para instalar o sistema. Podemos também dar uma olhada na planta do local para observarmos a cobertura dos arrays L/R, a zona de imagem estéreo. Aqui estamos mais preocupados com área de cobertura do que com imagem estéreo. Aqui temos bastante superposição, aqui nem tanto [mostra respectivamente o centro e as laterais da área de público]. Podemos olhar melhor o programa depois.
O legal deste sistema é que ele é bastante previsível. Se eu modelar isso e instalá-lo em tal altura com tal ângulo, ele vai me dar essa cobertura do local, e o som fica muito definido.
M&T: Como se calcula a melhor curvatura para o array? Você utiliza algum software?
PB: Sim, eu posso lhe mostrar. Como eu disse, nós tentamos visualmente manter uma mesma distância entre os focos de cada elemento na platéia. A razão é que se você olhar para esta figura aqui, o posicionamento permite a atenuação de 3 dB e não 6 dB como nessa outra figura. É uma questão de focar o array adequadamente e é isso que o programa nos permite.
M&T: Ontem eu vim ao show e fiquei muito impressionado com o fato que bem em frente à torre da direita, pude ouvir a torre da esquerda perfeitamente. Isso é bastante raro.
PB: Essa é a beleza do sistema. A estabilidade da cobertura horizontal e o bom funcionamento dos 90 graus. O projeto propicia uma bela imagem estéreo.
DEPOIMENTOS SOBRE O SISTEMA V-DOSC
Em seguida, leia alguns depoimentos de engenheiros de som e usuários do sistema V-DOSC, incluindo o próprio Gabi, proprietário da Gabisom, primeira empresa brasileira de sonorização a empregar o V-DOSC.
"Eles só estão aplicando as leis da Física ao pé da letra. Não existe nada perfeito nessa área, mas a empresa está abrindo esse caminho. Eles conseguiram fazer um sistema de som em que há um array com um faseamento quase perfeito. O grande problema de todos os sistemas é que quando você vai somando a quantidade de caixas vão surgindo cancelamento, distorção e uma série de coisas... O sistema é correto porque tem um bom acoplamento e uma velocidade de altas freqüências diferente dos outros. Isso é o que todo mundo tenta fazer, só que O V-DOSC faz com muito mais eficiência e precisão" - José Luiz Silva Ferreira, o Gabi, proprietário da locadora Gabisom, empresa que já utiliza o V-DOSC no Brasil.
"Tudo que é novidade sempre desperta muita curiosidade e tende a ser melhor que os outros conceitos. É falsa a informação de que o V-DOSC vai resolver todos os problemas. O que resolve os problemas de áudio é o estudo dos ambientes para saber a quantidade e a disposição de caixas necessária. É um sistema ótimo, mas não é o melhor do mundo. As pessoas têm que entender que as indústrias precisam vender e elas vão lutar por isso, nem que seja necessário mudar teorias. Existe um bom trabalho de marketing em cima. Há uns 12 anos as caixas planas entraram em ação e tudo que fosse cornetado não prestava. Depois todo mundo voltou para as caixas cornetadas. Eu trabalho com qualquer sistema, desde o meu, que é o mais simples, até os mais complicados. As pessoas têm que estudar os sistemas para saber como tirar o maior partido possível" - Vavá Furquim, técnico de som do cantor Caetano Veloso e sócio da locadora João Américo Sonorização. Vavá já operou sistemas V-DOSC em shows na Europa.
"Eu gostei muito do timbre dele. Achei a cobertura muito boa, que não gera aquele crosstalk. O 'tiro' do driver nas altas é muito preciso. Não tem distorção harmônica quase nenhuma, o som é muito claro. Eu particularmente gosto de trabalhar com bastante nitidez na sonoridade" - Mário Leco Possolo, técnico de PA do cantor Gilberto Gil. Leco já operou sistemas V-DOSC em shows na Europa e no Brasil.
"A principal diferença em relação aos outros sistemas é a qualidade. É um PA de baixa distorção e muita clareza nos médios. Com o V-DOSC a cobertura é constante, ou seja, não é preciso ser expert para notar que o som é homogêneo" - Walter Silva, técnico da Gabisom.
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