Expansor 1
O expansor é um pré-amplificador dinâmico desenvolvido para gerar um aspecto ”vivo” à música reproduzida. O expansor controla dinâmica e automaticamente o volume reproduzido, aumentando o ganho do amplificador nas passagens fortes e diminuindo-o nas passagens suaves, não apenas com o objetivo de reduzir o ruído de fundo, mas restaurando a qualidade das reproduções através da recomposição das diferenças originais dos níveis de energia que se apresentam no maior e menor volume do programa original. Da mesma forma, o compressor que age de maneira inversa comprime o sinal para evitar eventuais sobrecargas ou “estouros” nos sistemas de gravação, seja tanto para evitar as distorções de origem eletrônica ou mecânica (magnética) durante as gravações, assim como manter uniforme o nível médio de energia sonora na reprodução.
A compressão também compensa a variação de distâncias entre o orador e o microfone, mantendo uma igualdade no volume da palavra ou na reprodução do som de um instrumento musical, inclusive favorecendo o ponto ótimo de audição num ambiente controlando efetivamente a realimentação por microfonia. Com toda a certeza a RCA foi a empresa que mais investiu neste campo, seguida de perto pela Bell Telephones, tendo a primeira inclusive desenvolvido e finalmente lançado no mercado em 1937 a válvula metálica 6L7 com este objetivo.
O presente artigo visa difundir as idéias da época, bem como a técnica de aplicação das mesmas. Considere que o objetivo inicial deste propósito na época era empolgar os espectadores nas audiências das salas de cinema. E acredito que também não deixe de empolgar os ouvintes atuais nas apresentações de música eletrônica.
A idéia da expansão é antiga e remonta aos princípios da reprodução sonora. O telefone foi em si um avanço extraordinário mas ao mesmo tempo decepcionante no que tangia a qualidade. Foi assim que a primeira tentativa em aprimorar o som que se reproduzia foi a invenção da estereofonia, demonstrada pela primeira vez por por Clément Ader em 1881 na Exhibition Eléctrique de Paris realizada no no Palais de l’Industrie. Veja http://www.novacon.com.br/audioamppen.htm
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Nesta apresentação colocamos três modelos de pré-amplificadores expansores com dois modelos de amplificadores dedicados.
Estes circuitos datam comercialmente de 1937 e eram absoluta novidade. O processo foi utilizado com êxito na extraordinária obra de “O Vento Levou” de 1939 e em “Fantasia” de Walt Disney de 1940 onde se empregaram todos os recursos tecnológicos da época e que ainda hoje impressionam os melhores apreciadores da arte.
Abaixo esquema de utilização dos amplificadores para estereofonia em quatro canais.
O sistema usava inclusive um processo de chaveamento auto comandado, conectando independentemente os gabinetes acústicos ao redor do auditório para efeitos espetaculares.
Em outubro de 1937 a RCA divulgou em sua revistinha Radio Club of America que periodicamente publicava os trabalhos do Dr, Harvey Fletcher (das curvas Fletcher e Munson) para audibilidade em auditórios, uma proposta para experiência junto aos seus leitores radio amadores para adaptação em equipamento de áudio já existente com acoplamento a transformador e estágio Push pull e
O sistema nº2 apresentado pela RCA foi também desenvolvido por Lincoln Walsh e posteriormente adotado na versão “Wlliamsom” Brook 10 C3 da Brook Electronics em 1947 veja em http://www.novacon.com.br/audioampl1.htm e http://www.novacon.com.br/audiooutpre32.htm
e o sistema nº3, um prenúncio do futuro sistema de expansão que seria adotado em alguns de seus rádios. Veja RCA D-22 em (XXXXXXXXXXXXX)
Extraído da revista Radio Club of America outubro de 1937.
Extraído do manual RC13 de 1937.
Em seu manual RC15 de 1947 ela apresenta uma versão com comentários para montagem doméstica cujo circuito aqui demonstramos.
O circuito é essencialmente o mesmo utilizado em seu amplificador de voltagem MI-4297 que descreveremos num próximo segmento.
Extraído do manual RC14 de 1941, RC15 de 1947.
Interessante notar que as descrições de 1937 e 1947 são praticamente as mesmas. Enquanto a descrição de 1937 é exata, a de 1942/47 foge à realidade, pois nesta última o sinal de áudio e o controle de ganho são diferentemente aplicados nas grades 1 e 3. Na nota1 apresentada no diagrama acima se faz observar esta mudança.Em verdade, o circuito apresentado no manual de 1947 corresponde à uma simplificação do utilizado no amplificador MI-4297 da mesma RCA.
Princípio de funcionamento: As 6L7/1612 são válvulas pentagrade com duas grades de sinal a nº1 e a nº3. As mesmas ligam-se como pentodos. Na realidade são pentodos de duas entradas, onde as grades 1 e 3 são mutuamente interferentes. Uma delas é usada para amplificação; a outra para variação de ganho do estágio através da polarização a que são submetidas. Para sinais de maior amplitude a grade 3 oferece menor possibilidade de sobrecarga, conseqüentemente menor distorção. Em operação as mesmas têm características semelhantes a um pentodo de corte remoto.
Modo de operação: O expansor compressor é na verdade um sistema com dois amplificadores de sinal ligados em paralelo. O primeiro promove a amplificação do som de forma linear e usual, porém com um controle de volume eletrônico em seu trajeto. O segundo amplificador tem por fim avaliar apenas o envelope musical de forma logarítmica. Sua saída produz uma tensão positiva ou negativa que aplicadas ao controle de ganho do estagio amplificador/expansor promovem respectivamente aumento ou diminuição do volume no estágio. Para uso prático a relação expansão compressão não deve exceder o 3:1. Técnica e historicamente o sistema foi e continua sendo de grande valia nos sistemas de som. A partir deste conceito foram realizados os supressores dinâmicos de ruído, os famosos Dynaural de Hermon-Hosmer Scott e os primeiros sistemas Dolby aplicados em estereofonia. O princípio segue sendo o mesmo nos atuais Digital Dolby Systems, que utiliza um sistema de atraso na linha de controle já idealizado por John Dryler Jr em 1932 e patenteado em 1936. Segue abaixo o circuito por ele proposto.
No circuito de John F. Dryer Jr. temos uma pré-amplificadora pentagrade tipo 2A7 onde o sinal de áudio é injetado na grade nº1.
Um amplificador de envelope, composto por duas #53 em cascata e uma #56 operando como retificadora de sinal injeta através de duas linhas de atraso selecionáveis com pré-enfases diferenciadas, uma polarização variável na 3ª grade da válvula pentagrade. Uma retificadora #80 fornece a alimentação para o sitema e uma outra #56 fornece a tensão negativa, regulando-se pelo potenciômetro 63 o ponto de melhor funcionamento do amplificador de envelope. O potenciômetro F regula o ganho geral do estágio 2A7. O pré-amplificador pode ser operado em conjunto com qualquer amplificador convencional.
Nota: O expansor era encontrado em alguns rádios de topo de linha nos anos 1930 e 1940 e o Dynamic volume expander dos Scott eram badalados nos anos 1950. A intenção seria a se restaurar a gama dinâmica dos programas de radio tanto em AM como FM pois os mesmos eram obrigados a limitar a gama dinâmica devido à largura de banda permitida nas licenças de transmissão. A rigor 50 dB em AM e 60 dB em FM; e obviamente a disponibilidade de material gravado. Estes valores dinâmicos possíveis e permitidos nas faixas de AM, FM e nas gravações de discos ainda estão aquém das necessidades da reprodução em ampla gama de energia sonora.
A idéia: Através de exaustivos testes determinou-se que uma orquestra sinfônica possui uma gama natural de 70db de variação em nível, a partir do suave pianíssimo até uma passagem crescendo. Ao tentarmos cobrir todo este nível dinâmico em um disco de gravação teremos imediatamente várias limitações. Se tal fosse diretamente aplicado em discos, a passagem em crescendo exigiria um movimento da agulha no sulco que invadiria os sulcos adjacentes ou até perfuração nos sulcos de gravação, enquanto nas passagens em pianíssimo seriam tão finas, que quando tocadas apresentariam apenas ruído de superfície. A necessidade de torná-las audíveis exige uma amplificação maior em passagens suaves. Todo este conjunto do sistema mecânico eletrônico na gravação só nos permite um campo de 50 dB, onde portanto perdemos 20 dB de gama dinâmica. Os resultados não seriam melhores nas gravações magnéticas. Neste quadro, a compressão se faz mistér e a expansão absolutamente necessária na reprodução. Numa audição radiofônica convencional, as passagens suaves são mais altas que a real e as mais fortes são sempre bem mais suaves.
Esta variação (20dB) equivale a uma variação de voltagem de 10 para 1. A variação de 50 dB corresponde a uma variação de 320 para 1 e 70 dB corresponderá a uma variação de 3200 para 1.
Neste ponto aparece um questionamento e uma imposição teórico-prática levantada por todos os audiófilos experientes. Um sistema de som minimamente capaz de reproduzir com fidelidade uma orquestra sinfônica deverá possuir um amplificador com mais de 30 Watts e caixas acústicas de alta eficiência. Potências mais baixas poderão ser consideradas se não forem reproduzir uma orquestras sinfônicas.
Poderíamos dizer que o quadro apresentado enlouquece o engenheiro de som mormente se considerarmos que no disco final a gravação terá 100 sulcos por polegada, e a gravação é limitada à uma largura de .010 de polegada por volta para que as espiras não se toquem. Na passagem pianíssimo o sulco terá apenas .000003 de polegada, o que é menor que a estrutura microscópica do material a ser gravado. Um reforço de 20 dB nas passagens pianíssimo permitirão que tenhamos uma largura de .00003 de polegada
Fato é que ao desejamos tornar a audição cabível em um aposento e em conjunto com o expansor é imperioso o controle de “Loudness” ou audibilidade (substituindo o de volume) o que proporciona ao ouvido humano sensação de aumento (ou redução) uniforme em todas as freqüências do espectro audível.
A proposta dos expansores de volume praticamente desapareceu mas foi reabilitada pela liderança dos alemães nos rádios europeus da década de 60. Nos CDs e DVDs uma informação paralela opera um software tal como o DFX e o Winamp para trabalhar em seu PC, tentando mimetizar o expansor de volume.
A intenção inicial dos amplificadores e sistemas de gravação era a alta fidelidade, ou alta qualidade como chamavam os ingleses. Com o advento do amplificador de Loftin & White em 1929 observou-se a alta qualidade de reprodução possível, o que exigia alta qualidade nos processos de gravação. O primeiro estágio da empreitada que se desenvolveu no transcurso dos anos 1930, era reproduzir com a mínima distorção independente da resposta de freqüências. Nesta época os bons amplificadores reproduziam dos 30 aos 7500Hz. Alguns chegavam aos 10.000 Hz. Na prática estes valores são os comuns e ainda são empregados na maioria dos amplificadores atuais. A metodologia de alcance desta resposta e da baixa distorção era a pesquisa auditiva e os aparelhos desenvolvidos para audiometria eram também baseados na educação musical dos engenheiros de áudio daquela época. Para uma simulação adequada dos salões de auditório porém em nível acústico compatível com as limitações domésticas, foram desenvolvidas as curvas de audibilidade, que são precisamente a percepção auditiva às diversas freqüências em múltiplos patamares de energia sonora radiante.
Os resultados destas pesquisas foram o levantamento das curvas de Loudness ou Audibilidade que passaram a determinar a geometria elétrica do controle de volume que deixou de ser um mero divisor de tensão para todas as freqüências mas um divisor diferenciado para as freqüências do espectro audível. Unindo a sensibilidade auditiva com a indução psicológica da percepção do som.
Estes trabalhos de pesquisa levados por Harvey Fletcher e Wilden A. Munson engenheiros dos laboratórios Bell, iniciados nos anos 1930 e publicados em 1933 no Journal of the Acoustic Society of America conduziram a novos padrões de gravação e audição criando as curvas padronizadas RIAA NARTB AES Orthophonic etc.Hoje estas são adotadas pelo padrão atual ISO 226:1987. Eles criaram as curvas de Audibilidade Equivalente, também chamadas de Contornos de Audição. E por esta mesma razão foram criados os comandos de graves e agudos nos amplificadores visando uma melhor compensação auditiva.
O loudness: É um controle de volume compensado destinado ao ouvinte perceber a presença de todos os instrumentos musicais componentes de uma orquestra numa ampla faixa de variação de volume de reprodução. As primeiras aplicações de compensação eram aplicadas no circuito transformador de saída / alto-falante.
Apesar do diagrama da fig 4 parecer estranho à primeira vista, lembre-se que o método ainda é o utilizado nos divisores de freqüências passivos utilizados em caixas acústicas. Posteriormente (fig 5) foram incorporados nos controles de volume dos próprios amplificadores. Os primeiros aparelhos comerciais foram os rádios -RCA Victor U119, U122E e U124.
Sistemas mais aperfeiçoados foram usados nos RCA D-22 e U-109 que será detalhado a seguir.
Veja pg: http://www.novacon.com.br/audiorca.htm
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