“Toe-in” Sem Mistérios

O alinhamento de caixas acústicas parece mais um daqueles mistérios inexplicáveis do áudio de alta-fidelidade.
Vamos tentar explicar aqui o que existe de fato sobre o assunto.

“Toe-in” Sem Mistérios

Por: Eduardo Martins

Manter um certo mistério em torno do áudio de alta-fidelidade, ou do “Hi-End“, como preferem alguns, parece fazer parte do jogo de interesses que cerca este hobby, afinal, isso estimula o consumidor a gastar muito dinheiro em soluções e consultorias mirabolantes, alimentando um mercado que se favorece desta confusão criada por fabricantes, revendas, publicações “especializadas” e alguns comerciantes e desinformados participantes de fóruns de discussões.

O alinhamento horizontal das caixas acústicas, tratado popularmente como “toe-in“, é também envolto de alguns mistérios desnecessariamente criados para confundir o consumidor.
Já li comentários neste exato sentido, inclusive um onde o avaliador de uma publicação, ao testar um par de caixas acústicas, afirmava: “Apesar do fabricante nada informar, conseguimos o melhor resultado com um toe-in de 30º. Não me pergunte porque, é mais um daqueles mistérios que só deciframos na prática.”
Além dos 30º informados por ele estar incorretamente anunciado, não haveria qualquer razão para crer em um mistério para justificar o fato, já que as características das caixas e da sala onde as caixas foram instaladas explicariam com clareza a razão desta observação, como veremos aqui neste artigo que tem por objetivo eliminar mais um mito criado em torno do nosso hobby.

 

O que é o “Toe-in“?

Toe-in é o nome dado popularmente à variação do alinhamento (convergência) de uma caixa acústica em relação ao ouvinte. O termo também é utilizado em países de língua inglesa para identificar o alinhamento de rodas de um carro (toe-in e toe-out).
Normalmente, as caixas acústicas de um sistema estéreo são posicionadas no ambiente com suas frentes viradas diretamente para frente, ou seja, cada uma com o seu eixo horizontal alinhado paralelamente à parede lateral, como podemos ver no desenho abaixo:

Figura 1

Mas, por algumas razões que veremos adiante, elas podem ser inclinadas horizontalmente em direção ao ouvinte, on axis ou zero grau quando totalmente virada para o ouvinte, como no exemplo abaixo:

Figura 2

Esta variação de ângulo de posicionamento da caixa em direção ao ouvinte é o que chamamos de “toe-in“, quando virada para fora, chamamos de “toe-out“.

A influência do toe-in

Quando uma caixa acústica está posicionada num ambiente, normalmente conforme demonstrado nas figuras acima, sabemos que o som refletirá nas paredes, piso e teto da sala, assunto já tratado em nossos artigos anteriores sobre acústica.
Para efeito deste estudo, consideraremos os efeitos provocados pelas paredes laterais, que são elementos importantes quando aplicamos o “toe-in“.

Quando as caixas estão direcionadas totalmente para o ouvinte, como na figura 2, perceba que temos uma reflexão de som lateral muito menor, e uma energia sonora maior em direção ao ouvinte. O som direto que atinge o ouvinte é mais intenso. Ou seja, nestas condições a influência da parede lateral é menor, e também as reflexões provocadas por ela.
O som ganha mais foco em direção ao ouvinte, e a direcionalidade dos alto-falantes (já falaremos sobre isso) provocará uma percepção sonora também mais intensa.

Quando as caixas estão viradas para frente, como na figura 1, há uma reflexão maior nas respectivas paredes laterais, dependendo do tratamento acústico que lhes é aplicado.
Se o tratamento das paredes laterais consistir de painéis absorvedores, por exemplo, a influência destas reflexões será pequena ou nula, mas se a parede for reflexiva (viva) ou utilizar difusores, as reflexões se farão presentes.
Este efeito pode ser visto na ilustração abaixo:

Figura 3

Observe que na figura acima estão representadas as primeiras reflexões das paredes laterais, que são aquelas necessárias para a compreensão que desejamos.

As setas em VERDE mostram o som direto, que deixa os alto-falantes das caixas e segue diretamente ao ouvinte.
Dependendo da característica dos transdutores utilizados, há uma direcionalidade maior do som. Os tweeters normalmente apresentam maior direcionalidade (o que varia muito conforme o modelo), ou seja, quanto mais direcionados ao ouvinte, maior a intensidade de som percebida.
Normalmente essa direcionalidade é sentida com grande intensidade a partir dos 4 kHz.

Em seguida, temos a representação das ondas sonoras refletidas pelas paredes laterais, as setas em VERMELHO, que também são emitidas pelas caixas acústicas.
Quando as caixas estão alinhadas diretamente para frente, ou seja, sem a aplicação de “toe-in“, há uma intensidade maior de sons refletidos nas paredes laterais do que sons diretos. No exemplo demonstrado na figura, essa incidência se dá em relação à parede esquerda, pois a aplicação de material absorvedor acústico na parede direita acabou por eliminar as reflexões deste lado ( setas em AMARELO).
Se não houvesse a aplicação de material absorvedor na parede direita, teríamos reflexões idênticas às da parede esquerda também sendo produzidas aqui.

Podemos observar que as reflexões laterais provocam uma ampliação do palco sonoro, ou seja, da largura do som reproduzido. Quanto maior estas reflexões, maior será a sensação de largura.
Isso pode ser melhor compreendido através da ilustração abaixo:

Figura 4

Na imagem acima, temos uma representação simplificada (modelo) do efeito provocado pelas reflexões das paredes laterais.
As caixas E e D estariam, nesse modelo, emitindo som que também seria direcionado ao ouvinte, mas, em função das reflexões laterais e seus atrasos temporais, teríamos um efeito parecido com a eliminação das paredes laterais e a inclusão imaginárias de mais duas caixas, E1 e D1, posicionadas de tal modo a reproduzir os sons refletidos e os atrasos provocados pelos percursos maiores destas reflexões.

Podemos identificar os ângulos envolvidos conforme o desenho autoexplicativo abaixo:

Ou seja, com a caixa totalmente direcionada ao ouvinte, temos um ângulo de referência de toe-in de zero grau, sendo as demais variações medidas a partir desta referência.

Neste ponto, já podemos perceber alguns dados interessantes que nos levarão a algumas conclusões sobre os resultados provocados pela aplicação do “toe-in“, e que relatamos em seguida.

Quantas vezes não lemos comentários de usuários e até de avaliadores de equipamentos que ao alinhar o eixo de suas caixas para o ouvinte (toe-in), perceberam um aumento do foco central e uma diminuição da espacialidade do som, que se torna menos envolvente. E ao direcionar as caixas para a frente (menor toe-in), perceberam uma largura maior do palco e uma diminuição do foco, da origem precisa do som. Normalmente eles atribuem esses efeitos aos mistérios da “psicoacústica”, à magia da construção das caixas e a fatores desconhecidos da sala, afirmando tratar-se de características observadas somente no universo do áudio “hi-end“.
Na verdade, podemos ver que não há qualquer mistério nisso. Os efeitos demonstrados acima nos mostram claramente o que ocorre nestes casos.

Quando as caixas estão direcionadas para o ouvinte, as reflexões das paredes laterais são bastante reduzidas (se não forem tratadas com total absorção), e isso provoca uma diminuição da largura do palco sonoro. Temos a impressão que ocorreu um “estreitamento” do som.
Na verdade, a redução na energia das reflexões laterais provoca uma diminuição da intensidade sonora “fora das caixas”, e o que percebemos é simplesmente o resultado disso. Ainda, com menor reflexão, o som fica mais focado e mais preciso, pois torna-se menos difuso.

Quando não aplicamos o toe-in, e deixamos as caixas direcionadas para frente e não para o ouvinte, perdemos esta focagem, e temos uma falsa sensação de uma abertura maior do palco sonoro. Como já vimos em outro artigo, o ideal defendido por vários especialistas é de que estas reflexões não ocorram, pois não são reais, tratando-se de uma artificialidade na gravação original.

Ainda, como comentamos acima, quando as caixas estão direcionadas para o ouvinte há uma percepção maior das frequências acima de aproximadamente 4 kHz, e os sons agudos são mais evidentes. Ou seja, alteramos também o equilíbrio tonal do resultado final ao ajustar o toe-in, com o reforço ou a atenuação das frequências mais altas.

Em resumo, podemos afirmar que quando aplicamos o toe-in nas caixas, temos os seguintes resultados:
– Alteração do equilíbrio tonal – Quanto mais direcionadas para o ouvinte, maior a energia das altas-frequências (agudos) em função da direcionalidade dos tweeters
– Redução da influência das reflexões laterais, reduzindo a sensação de largura do palco sonoro. Por outro lado, obtemos uma imagem sonora mais precisa e definida.

Sobre a largura do palco sonoro, estudos mostram que muitas pessoas gostam do efeito de envolvimento provocado por esta ampliação, principalmente em salas de home-theaters. Para um sistema estéreo de alta fidelidade, muitos preferem a total ausência de interferência da sala sobre o som originalmente gravado, pois a maior largura de palco sonoro interfere na sua precisão.

Como encontrar o ponto ideal de ajuste das caixas?

Conforme demonstrado acima, podemos perceber que o toe-in das caixas provoca consequências óbvias e bem definidas, quanto a focagem, a largura do palco e o equilíbrio tonal.
Mas, podemos nos perguntar, e qual seria o ponto ideal de trabalho?
Apesar de alguns “entendidos” pretender definir este ponto utilizando somente os seus ouvidos, é somente com equipamentos apropriados que podemos afirmar com precisão o melhor ângulo de trabalho das caixas, ou então adotar aquele que mais nos agrada ou que parece melhor para as nossas características auditivas individuais, de forma bem subjetiva, ou seja, individual, pessoal e imprecisa.

Para complicar ainda mais a situação, cada fabricante adota uma solução diferente em seu projeto. Algumas caixas são projetadas para trabalhar sem a aplicação de ajuste de “toe-in“, compensando o efeito da direcionalidade dos alto-falantes através de um reforço na faixa de frequência mais crítica. Outros fabricantes preferem manter a caixa bem equilibrada, e recomendam (ou esperam) que o usuário faça o ajuste necessário para que os desvios sejam compensados com o toe-in.
Mais uma razão para desconfiarmos daquelas curvas de resposta de frequência fornecidas por muitos fabricantes de caixas, com variações tão pequenas que impressionam pela sua precisão de reprodução.

O grande problema é que a maioria dos fabricantes não fornece qualquer informação sobre o melhor ajuste para as suas caixas.

Eu, particularmente, acredito que o ideal é ajustar o toe-in para o melhor equilíbrio tonal das caixas, afastando as influências danosas das reflexões laterais através da absorção destas, pois a artificialidade provocada por estas reflexões não compensa a sensação de maior espacialidade.

Importante salientar que, conforme já dissemos, os fabricantes adotam filosofias diferentes de projeto considerando os efeitos descritos acima. Assim, uma caixas acústica que em seu projeto teve as altas frequências reforçadas para trabalhar sem toe-in, quando direcionadas ao ouvinte terão uma sonoridade mais “brilhante”, com os agudos mais reforçados, podendo passar facilmente do ponto desejado.
Claro que esse desequilíbrio tonal pode ser favorável sob algumas circunstâncias, principalmente para compensar perdas de sensibilidade auditiva nas frequências mais elevadas, apesar de não ser ainda a melhor solução para essa correção.

Portanto, o ajuste do toe-in depende da opção adotada pelo fabricante, do tipo de caixa, da sala, do posicionamento das caixas, da mobília, da posição do ouvinte, do tratamento acústico e de outros fatores.
Uma análise técnica bem executada, com instrumentos adequados, fornecerá uma “radiografia” da situação, auxiliando na tarefa de ajustar o toe-in das caixas. Uma análise subjetiva pode contribuir para uma afinação pessoal e particular do resultado, adequando-o ao seu gosto particular.

Para quem preferir utilizar somente as suas impressões no ajuste de toe-in, fornecemos um pequeno roteiro do que deve ser observado para auxiliar na avaliação dos resultados:

• Alteração no balanço tonal – Os agudos serão mais afetados pelas mudanças
• Largura do palco sonoro – O quanto os sons se afastam externamente das caixas, em direção das paredes
• Profundidade do palco sonoro – A distância do fundo onde os sons se formam
• Precisão da imagem estéreo – A localização precisa de cada voz ou instrumento
• O equilíbrio entre o som direto e o refletido nas paredes laterais – O som refletido tende a prejudicar a precisão da reprodução
• Clareza e suavidade (feminina) da voz – Um excelente ponto de partida para observar a qualidade sonora e a influência das reflexões

Exemplos gráficos da influência do toe-in

Sempre que escrevo um novo artigo, tenho o cuidado de torná-lo o mais acessível possível.
Alguém pode até afirmar que o texto parece mais amador do que técnico, mas precisamos reconhecer que nem todos os leitores tem um conhecimento técnico básico ou profundo para compreender termos técnicos, gráficos e outros elementos mais específicos.
A minha formação acadêmica faz com que alguns termos técnicos e algumas formas de abordagem me pareçam simples, mas procuro me colocar no lugar daquele leitor que já não dispõe de uma base de conhecimento técnico que lhe facilite a mesma interpretação.
Imagino um médico tentando me explicar em termos técnicos um problema de saúde. Certamente eu teria muita dificuldade com a sua explicação.

Desta forma, tento abordar os temas aqui tratados com um cuidado extremo, deixando para incluir alguns termos mais específicos somente depois de ter fornecido uma explicação do assunto que está sendo tratado, ou então esclarecendo de forma mais acessível alguns pontos mais técnicos.

Neste caso, onde abordamos um assunto importante e que afeta diretamente os resultados de um sistema de som de alto nível, e que requer ajustes específicos, tento ser o mais didático possível, tentando possibilitar até o mais leigo a realizar algumas experiências por conta própria.
É óbvio que avaliações profissionais mais precisas e com o uso de equipamentos de medição adequados são essenciais para um ajuste mais criterioso. Mas, acredite, muitos dos “consultores técnicos” que escrevem para publicações impressas ou digitais, ou que vendem os seus “serviços especializados”, também não carregam um instrumento consigo, senão os seus “ouvidos treinados”. Estes acreditam (ou tentam fazer acreditar) que, “de orelhada”, conseguem avaliar e ajustar um equipamento ou um sistema, e vendem os seus serviços da mesma forma como um curandeiro de uma tribo isolada do passado tentaria curar um paciente com um problema no coração.

Somente engenheiros ou especialistas com formação acadêmica adequada, com conhecimento técnico e equipamentos específicos podem realizar um trabalho técnico preciso e confiável, e ainda se tiver boa vontade para isso. A experiência prática é importante, mas ela é limitada, e deixa dúvidas em relação à avaliação do caso e à ação a ser tomada.
Por melhor que seja um médico ou um “prático bem intencionado”, sem uma radiografia, uma ressonância ou mesmo um exame laboratorial mais específico ele não terá muito êxito em conhecer com exatidão o problema de seu paciente, muito menos em lhe oferecer o tratamento mais adequado.

Sendo assim, busco oferecer informações acessíveis que permitam ao leigo dispensar consultorias também amadoras, que muitas vezes têm o objetivo de lhe vender produtos, quando não apenas sugerir troca de cabos como solução para tudo, até mesmo para o inconcebível e improvável ajuste de um sistema.

Por esta razão, para não dificultar o entendimento do tema ou não cansar o leitor, somente depois de apresentar as conclusões acima preferi incluir estes gráficos de complementação do artigo, que não são realmente necessários para atingir o objetivo proposto, mas que acrescentam algumas informações interessantes ao assunto.

Essa questão do toe-in é tão importante que, como já dissemos, muitos fabricantes de caixas acústicas consideram este fator em seus projetos.
Lembra-se daqueles gráficos perfeitos que muitos fabricantes fornecem mostrando uma perfeita linearidade das curvas de resposta de frequências de suas caixas? Pois bem, muitas vezes eles não passam de ilustração comercial para encantar o comprador.
É comum alguns fabricantes modificarem propositalmente o equilíbrio tonal de suas caixas para compensarem os efeitos do toe-in. Algumas vezes estes fabricantes ainda têm o cuidado de informar sobre o melhor ajuste de suas caixas, mas nem sempre isso ocorre.

No gráfico abaixo podemos ver como a curva de resposta de uma caixa acústica muda com a medição realizada em diferentes ângulos:

É fácil perceber, na figura acima, como a partir dos 4 ou 5 kHz as altas frequências vão perdendo intensidade com a diminuição do toe-in.

Observe, abaixo, como a Dynaudio aplicou um reforço nos agudos de seu modelo Confidence C4, para que a ausência de toe-in pudesse ser compensada:

Esta caixa acima, posicionada em direção ao ouvinte, ia parecer um tanto “brilhante”.
Possivelmente, o seu melhor posicionamento seria próximo de 45 graus.

Abaixo temo outro exemplo com a caixa ATC SCM19:

No exemplo acima, podemos ver que a resposta de frequência da combinação do som direto (on axis) e do refletido (90 graus) é muito próxima da resposta do som direto.
O som direto tem um nível maior do que o som refletido, mostrando que o som refletido tem pouca importância no que ouvimos (para este efeito). Mas, observe como o som refletido possui menos energia nas altas frequências acima de 5 kHz do que o som direto.

Em breve traremos mais informações sobre o emprego do toe-in em caixas acústicas para o ajuste de sistema, que como o leitor pode ver, não tem nenhum mistério, como alguns querem fazer crer para valorizar o tema e obter vantagens sobre isso.

 

Referências:

• Speaker Off Axis: Understanding the Effect of Speaker Toe-in – Nyal Mellor
• Speaker Off Axis: Dispersion Specifications And Off Axis Response Plots – Nyal Mellor
• Speaker Off Axxis Response: Psychoacoustic and Subjective Importante – Nyal Mellor
• Speaker “Toe” – What´s it all about? – Paul Spencer
• Speaker Directivity / Off Axis Response: Theory and Measurement Techniques- Nyal Mellor
• Sound Reproduction, Loudspeakers and Rooms – Floyd Toole