Melhor áudio... entendendo os sinais...

Cena do filme Sinais de 2002 do diretor  M. Night Shyamalan, 2002,  Touchstone Pictures, com Joachim Phoenix. 

O áudio, tanto em cinema e TV quanto na área da música e eventos, é um assunto bastante amplo e complexo. Afinal, ele é a metade, senão  mais, de qualquer experiência sensorial. No caso do audiovisual – e notem que a palavra áudio vem na frente – ele é metade do processo no que diz respeito a entregar bem a mensagem e contribuir com a experiência de fruição do espectador.  Nessa área, exceções à parte, ele é meio negligenciado. Já falei sobre isso em outros posts. A atenção de quem produz vai sempre – e está em parte correto – para a luz e a câmera e suas lentes.  Como não é comum vermos equipes dedicadas a uma e outra parte da captação, temos nos acostumado a delegar ao câmera as funções de iluminação e captação de áudio. Isso é a prática comum em jornalismo de rua, pois a urgência e mobilidade exigem equipes enxutas. Mas essa prática também se estende às demais formas de produção. Principalmente as de baixo orçamento.

Vamos manter a simplicidade do texto, sem muita teoria para facilitar as coisas e ajudar na memorização. Então vamos deixar algumas coisas claras por aqui: é preciso ver os sinais... parece filme de terror ou sci-fi? Quase. Áudio mal captado pode se tornar o terror na hora da finalização e exibição do produto acabado.Para alguns leitores o assunto é conhecido, mas um dos objetivos desse canal é justamente propiciar conhecimento básico a quem está começando na área.

Mantendo o nível...

Antes de mais nada quem capta áudio precisa conhecer os diferentes tipos de sinal (o áudio captado depois de passar por algum instrumento ou aparelho) para entender o que fazer com cada um deles. Essa é sem dúvida  a parte do processo onde a maior parte dos defeitos aparecem: a manipulação e interligação errada do sinal ao equipamento de captura. Há algumas nomenclaturas que confundem quem não está acostumado. A primeira delas é a intensidade (alta ou baixa). A outra a impedância, que também pode ser alta ou baixa. Então quando alguém fala em sinal de alta, pode estar se referindo a uma ou outra característica do mesmo.

Quanto a impedância (resistência interna à passagem de corrente):

Sinais de alta (Hi-Z)

Guitarra com dois captadores tipo Humbucker. Fonte: http://www.gibson.com/News-Lifestyle/Features/en-us/1961-Humbucker-A-Classic-Reborn.aspx

São os sinais de áudio provenientes – geralmente – de instrumentos de corda como violão, guitarra, contrabaixo e alguns teclados. No caso das cordas, o som emitido é captado por indutância eletromagnética direta. Ou seja: não existe um diafragma que é atingido pelas ondas sonoras e as transforma em eletricidade como nos microfones.

Nesse caso, a oscilação micrométrica das cordas de aço causa uma variação no campo magnético do captador produzindo o sinal elétrico. Existem diversos tipos de captadores. Passivos e ativos. Os ativos usam algum circuito e energia para amplificar esse sinal ainda dentro do instrumento. Nesse caso os valores de impedância diferem daqueles produzidos pelos captadores passivos.

Os valores em ohms (Ω) variam muito de fabricante para fabricante e modelo. Mas geralmente são da ordem de vários milhares de ohm variando entre 7 a 20KΩ (7.000 a 20.000 ohm).

Sinais de baixa (Lo-Z)

Microfones condensadores são fontes de sinais Lo-Z. Fonte: http://www.dawsons.co.uk/blog/condenser-microphone-uses

São sinais provenientes de microfones normais (eletreto ou condensadores) e se situam na faixa entre 150 e 600Ω. (Embora existam microfones que trabalhem em alta impedância). A maioria dos equipamentos de áudio trabalha com impedâncias de saída entre esses valores ou mais baixos, como no caso das saídas para as caixas de som(4, 8 ou 16Ω).

Resumindo:

Conectar sinais de saída de alta impedância em entradas de baixa sem um adaptador/casador (Direct Box) para diminuir a impedância a um nível microfone ou linha, vai fazer com que o sinal suma antes de chegar ao equipamento desejado, deixando no lugar, dependendo do tipo de fonte emissora e do tamanho do cabo, somente ruído de interferência.

Quanto a intensidade da fonte geradora:

Aqui deixamos de usar a medida em Ohm (Ω) e passamos a trabalhar com decibéis (dB) ou milivolts (mV).  Basicamente existem quatro tipos de sinal de áudio usados universalmente, desde a sonorização de grandes eventos, passando pelos estúdios de gravação, estúdios de TV e captação para audiovisual. São eles: nível de linha de equipamentos domésticos, nível de linha de equipamentos profissionais, nível de microfones e nível de instrumentos musicais.

Existe ainda o nível de saída de potência musical que é o que vai do amplificador final às caixas de som.  

Nível de microfone (média de -30dBv, 150Ω e cerca de 17mV/Pa*):

* tomando como exemplo o microfone shotgun Sennheiser MK70-1

Como produtores de sinal de áudio – em termos de eletricidade – são os que geram os níveis mais baixos em amplitude de onda de corrente alternada e com impedância mais baixa. Os sinais podem ser balanceados ou não balanceados. Como o sinal é muito baixo, os microfones sofrem com cabos muito longos não balanceados. Estes acabam atenuando mais o sinal enviado ao equipamento de captação e ficam altamente sujeitos a interferências por indutância, ao passar perto de outros cabos, principalmente os de energia elétrica.

Vista interna de um microfone condensador shotgun Sennheiser MKH70-1. Um clássico na captação de áudio em externas. 

Os microfones que possuem saídas balanceadas e com mais sensibilidade, produzem níveis de tensão um pouco maiores e portanto são mais imunes a interferências externas causadas por indutância nos cabos. Mas como regra geral, podemos perceber que as voltagens são extremamente baixas. Isso significa que microfones não podem ser ligados diretamente a equipamentos (como amplificadores ou câmeras) que não possuam entradas específicas para eles. Ligar um microfone diretamente a uma entrada de linha de um amplificador resultará em nenhum sinal captado ou um sinal extremamente baixo e distorcido.

Além disso, certos microfones como os condensadores, necessitam de energia externa para funcionarem. O famoso Phantom Power. Que pode variar de 1,5V a 48V em corrente contínua e com correntes de cerca de 2mA típicos. Portanto um microfone condensador, se ligado diretamente a uma entrada, mesmo que própria para microfone, em um equipamento sem uma fonte de Phantom Power (como uma câmera DSLR por exemplo), não funcionará de maneira alguma. Não se trata de simples adaptação de cabos como muitos pensam.

Geralmente há muita confusão aqui. Microfones usam normalmente conectores XLR de 3 pinos para conexão aos cabos de áudio. Existem alguns microfones de eletreto (dinâmicos ou o famoso microfone de mão) que usam cabos fixos terminando em plugs P10 mono e não balanceados. E geralmente as câmeras DSLR tem entradas para microfones externos usando jacks P3,5mm com dois canais não balanceados.

Embora essas câmeras tenham um nível de entrada de microfone, elas não tem entradas balanceadas e, portanto, ligar um microfone balanceado (como um condensador) mesmo que seja providenciada alimentação externa de Phantom Power, resultará em um áudio com metade da amplitude de sinal gerada pelo microfone.

Adaptador Phantom Power da ARTPro: bom custo-benefício para fornecer energia a mics condensadores. Porém esses equipamentos nào resolvem todos os problemas...

Resumindo:

Microfones são sempre Lo-Z (baixa impedância) e baixo nível de sinal e devem ser conectados a entradas próprias para eles ou passar por um estágio de amplificação inicial (pré-amplificador) para que possam ser conectados a uma entrada em nível de linha. Se forem condensadores necessitam de fornecimento de corrente elétrica (Phantom Power entre +1,5 a 48VCc) para produzirem sons e alguns microfones dinâmicos (eletreto) também necessitam de energia para funcionarem (5VCC). Esses mics são usados em celulares, computadores e outras aplicações. A alimentação para um mic de eletreto não serve para alimentar um microfone condensador, mesmo que esse possa trabalhar com os mesmos 5 volts.  Microfones condensadores necessitam cabos balanceados e amplificadores diferenciais para funcionarem corretamente fornecendo sua amplitude máxima de voltagem. 

DICA IMPORTANTE:  Se o cabo adaptador não for montado corretamente (aterrando o pino 3 do microfone ao terra ou pino 1) o sinal será enviado para os dois canais de áudio da câmera (esquerdo e direito). Só que os pinos 2 e 3 do conector XLR de um microfone balanceado tem a mesma INTENSIDADE de sinal, porem INVERTIDA entre eles. Na hora de escutar o áudio em um equipamento mono ou fazer a edição em um computador o vídeo captado parecerá mudo. O áudio está lá nas especificações do vídeo mas simplesmente some na timeline. A razão é que um sinal positivo é cancelado por outro negativo de mesma intensidade!

Nível de linha (*média de +4dBu, 1000Ω e cerca de 1,76Vpp):

* Valores para nível de linha de equipamentos profissionais.

Exemplo de equipamentos profissionais de áudio conectados através de saídas e entradas balanceadas com conectores XLR. Fonte: http://www.teac.com/product/ax-501/

Sinais de nível de linha (line level) são divididos entre valores para uso em equipamentos profissionais e equipamentos de áudio domésticos.

Uso profissional: +4dBu (1760mV)

Uso amador ou doméstico: -10dBv (470mV)

Aqui as coisas já são mais compatíveis. Equipamentos com saída de linha em nível profissional podem ser conectados em entradas de linha de equipamentos domésticos desde que a fonte ou o receptor do sinal possuam ajustes para atenuar o ganho. No caso de em que a saída é mais alta, o aparelho receptor deve ter o ganho diminuído (atenuado) ou, se possível, a atenuação pode ser feita na saída do aparelho emissor.

No caso inverso, uma saída de nível de linha de um equipamento doméstico pode ser conectada em uma entrada de linha profissional. Nessa caso o ganho deve ser aumentado no aparelho receptor do sinal. 

Um sinal de linha pode ser conectado até em uma entrada com nível de microfone (dependendo do equipamento) caso as duas fontes (emissor e receptor) possuam ajustes de atenuação de ganho, de forma a não saturar o sinal (cipping).

Dica importante: Geralmente as  filmadoras profissionais possuem uma  chave para ajustar o nível de sensibilidade das entradas de áudio. Ao conectar um sinal em nível de linha em uma câmera, o ajuste deve ser passado para a posição Line e o ganho reduzido para evitar o clipping e a distorção do sinal. Infelizmente esse ajuste não está presente nas DSLR e portanto é preciso atenuar muito um sinal de linha para que ele possa ser usado. Muitas vezes reduzir o ganho na câmera não resolve o problema, sendo necessário um adaptador externo. 

Nível de instrumento musical

Instrumento de cordas (violões, guitarras, contrabaixos, violinos elétricos, etc) usam um captador passivo ou ativo (esse último requer alimentação elétrica) para transformar a vibração das cordas em sinais elétricos. Há diversos tipos de captadores (quanto a construção e valores de impedância e voltagem) e com diversos níveis de impedância e voltagem. Geralmente muito altos (Hi-Z). Pianos elétricos e teclados também são considerados Hi-Z embora usem sistemas de captação e produção de sinais de áudio diferentes.

Nível médio de sinal de instrumento: Impedância de 15KΩ e voltagem entre 90 e 500mV (podendo chegar a 1V).

Em relação ao nível de amplitude de voltagem (Corrente alternada sempre) o nível de instrumento fica situado entre o nível de microfone e o nível de linha. Embora alguns microfones e alguns captadores de instrumento possam ter níveis de voltagem próximos (cerca de 40mV) uma entrada de microfone não pode ser usada diretamente com um instrumento. Embora a sensibilidade de uma entrada de mic ou line seja suficiente para produzir um bom nível de áudio para o pré-amplificador, não devemos esquecer da impedância! Muito mais baixa nas entradas mic e line (Lo-Z) do que a do instrumento (Hi-Z).

Por isso existem os amplificadores de instrumentos musicais. Suas entradas permitem a conexão direta dos cabos vindos das guitarras ou contrabaixos pois as etapas iniciais do amplificador (preamps) são projetadas para esses sinais de média intensidade elétrica e alta impedância sem sofrerem distorções exceto aquelas induzidas pelo músico com o uso de pedais ou outros equipamentos, como forma de expressão artística. Sim...aquele som pesado e saturado de alguns guitarristas é distorção pura e clipping, porem usados de forma controlada!

Direct Box da Whirlwind com saída Lo-Z em 150Ω com transformador interno para melhorar o ganho, permitindo ligar um captador de intrumento de cordas em uma entrada normal de microfone. 

Resumindo: O problema maior de captar um instrumento musical diretamente em uma câmera de vídeo não é tanto a intensidade do sinal em mVolt mas sim a alta impedância do mesmo. A solução é usar uma Directbox ou DI. Aliás essas caixas de adaptação são muito usadas em estúdios ou palco para conectar os instrumentos à mesa de mixagem, principalmente quando os músicos não conectam seus instrumentos diretamente em amplificadores e caixas no próprio palco. Elas servem para atenuar a impedância para um nível de microfone ou linha, além de poderem balancear o sinal desbalanceado que é gerado pelos captadores.

Finalmente o tipo de sinal: balanceado ou desbalanceado?

Já vimos até aqui que os sinais de áudio possuem diferentes características de intensidade de voltagem e impedância. Para finalizar, vamos ver como eles podem ser transportados através de um cabo. Existem duas formas (em se tratando de áudio analógico): sinais balanceados e não balanceados.

Sinais não balanceados: 

Em primeiro lugar, não é o tipo de conector que determina se um sinal é balanceado ou não. Se é estéreo (2 canais) ou mono. Não confundir nunca isso!

Um conector XLR (3 pinos) pode ser ligado a qualquer um dos dois tipos de cabo. Ele ainda pode ser usado para transmitir sinais em 1 ou dois canais. Para transportar um sinal balanceado em dois canais já se torna necessário um conector XLR de 4 pinos mais o aterramento. E eles são mais usados para interligação entre equipamentos de áudio e não para microfones e instrumentos.

Um conector P10 (conhecido como plug de guitarra) pode ser balanceado ou desbalanceado ou estéreo ou mono (no caso de uso para interligação entre equipamentos de áudio). Headphones profissionais usam geralmente um plug P10 estéreo (também chamado de TRS). Ou seja, a ponta (Tip) leva o sinal desbalanceado do canal esquerdo. O anel do meio (Ring) o sinal do canal direito e o resto do plug (Sleeve) é o aterramento. Em fones mais comuns, como os de celulares, o esquema é o mesmo só que o conector é menor (sendo usado o modelo P3,5mm) que é o mesmo usado nas câmeras DSLR para entrada de microfone e saída de fones de ouvido. Veja bem: apesar de terem 3 fios internos eles não são balanceados!

O sinal dos canais esquerdo e direito e o terra usam um fio cada. A diferença de potencial (voltagem) é estabelecida entre cada um dos fios e o terra comum. Os microfones de eletreto (microfone de mão) podem contar com conectores XLR fêmea na extremidade ou podem ter fios fixos com conectores P10 mono na extremidade (sendo que o comprimento desse cabo nunca excederá os seis metros por questões de ruído, como já vimos aqui em cima!).

Mesmo usando conectores XLR de 3 pinos, isso não significa que o sinal desses microfones seja balanceado. Existem microfones de mão do tipo condensador que emitem sinais balanceados, assim como alguns eletretos que possuem circuito interno para balancear o sinal antes da saída. Esses tipos suportam enviar sinais sem ruídos por distâncias de até 200 metros.

Exemplo de ligação entre plug XLr e conector P10 com pino 3 aterrado.

Dica importante: Na maioria dos casos, os microfones  convencionais de eletreto (dinâmicos) usam conectores XLR com 3 pinos, porem o pino 3 é aterrado ao pino 1 (ground ou terra). O sinal portanto é desbalanceado. O pino 3 também pode ser deixado inativo.

Sinais Balanceados

Equipamentos como microfones condensadores usam os mesmos conectores XLR, porem a ligação é diferente. O pino 1 é o terra comum, o pino 2 (chamado de hot) carrega o sinal balanceado com polaridade normal e o Pino 3 (cold) carrega o mesmo sinal com polaridade invertida. Portanto o sinal está balanceado. Isso é válido tanto para os microfones como para demais equipamentos de áudio que utilizam sinais balanceados.

Exemplo de conexão balanceada entre plug XLR e P10.

Geralmente em equipamentos profissionais também estão presentes os conectores P10 para áudio balanceado (tipo TRRS) onde a ponta (T) corresponde ao pino 3 (Cold) de um plug XLR, o primeiro anel (R) ao pino 2 (Hot), o segundo anel (R) ao pino 1 do XLR (ground) e o restante,  no final do plug (S), ao aterramento da carcaça.

O mais comum é vermos conectores P10 do tipo TRS onde o ground (correspondente ao pino 1 no conector XLR) e o aterramento da carcaça do aparelho ou corpo do microfone está também interligado a esse pino. Esses conectores podem ser usados tanto para áudio balanceado mono (1 canal) como para áudio desbalanceado estéreo (2 canais).

Como as interferências internas são anuladas com o uso de cabos balanceados. Fonte: https://www.bhphotovideo.com/explora/audio/buying-guide/xlr-cable-just-cable-right%3F

Para que o sinal balanceado cumpra seu papel de rejeitar ruídos de indutância indesejados, é necessário que tanto o emissor (microfone ou outro equipamento) e o receptor do sinal (mesa, mixer ou amplificador) estejam preparados para criar (no lado do emissor) e decodificar (no lado do receptor) esses sinais. Não adianta ligar um caríssimo microfone condensador usando o recurso de um adaptador para fornecer o Phantom Power, com o melhor cabo balanceado, a um amplificador ou preamp comum. Em distâncias curtas de cabo (menos de 6 metros) e em se tratando de um bom pré-amplificador, o microfone vai funcionar (com metade do ganho) e sem ruídos e a perda do ganho será compensada aumentando o ganho de saída do pré-amplificador para o sinal que será enviado adiante (para uma câmera ou um amplificador de potencia).

Usar um cabo não balanceado em um microfone condensador, mesmo com o uso de um adaptador para Phantom Power, requer cautela. Se o adaptador Phantom Power não tiver proteção contra curto, e o conector XLR tiver o pino 3 aterrado ao pino 1, a voltagem não chegara a um dos lados do diafragma do microfone e formará um curto com o terra, podendo em certos casos queimar o adaptador ou danificar o microfone.  Por isso o cabo deve ser sempre balanceado e ter, no máximo 6 metros de comprimento. No mínimo, o sinal será atenuado pela metade e resultará num som sem graves ou agudos demarcados (flat), nos casos em que não se usa um adaptador de áudio ou pré-amplificador antes do sinal chegar ao equipamento ou câmera.  

Curiosidade: Agora já dá para entender porque não existem cabos de microfone ou para instrumentos não balanceados (somente 2 fios internos)maiores que 6 metros (20 pés no sistema americano de medidas)? Todos tem medidas que variam de 1, 2, 3 ou 6 metros. A não ser que sejam balanceados (3 fios internos mais o aterramento), cabos maiores do que seis metros serão altamente sujeitos a captar interferências de correntes indutivas pela proximidade com outros cabos (principalmente de força), aparelhos ou estruturas metálicas, causadoras do famoso hum (sinal assimétrico na faixa dos 50 ou 60 Hz). Os cabos balanceados também captam esses sinais, mas como o sinal de áudio transportado por eles é simétrico e invertido em sua polaridade, quando este chega ao pré-amplificador, um circuito detecta apenas a diferença de voltagem entre os sinais opostos, cancelando os ruídos. Bem esperto não?!.  Sendo assim mandar fazer um cabo logo de microfone (com dezenas de metros) não balanceado, é garantia de problemas!

Entendendo os conceitos que expliquei acima você certamente não ter;a mais problemas com captação de áudio de diversas fontes diferentes. E se os tiver, pelo menos saberá provavelmente de onde se original e como solucioná-los. Algumas unidades de áudio e eletricidade que usei nesse artigo, como dB, dBv, dBu, mV/Pa, serão assunto para um próximo post. Optei por não discorrer sobre elas neste post por razões de simplicidade e para que ele não ficasse tão grande quanto já está.

Grande abraço!