BRPI0713943A2 - unidade de acionamento de alto-falante para reproduÇço de som de alta freqÜencia - Google Patents
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Abstract
UNIDADE DE ACIONAMENTO DE ALTO-FALANTE PARA REPRODUÇçO DE SOM DE ALTA FREQÊNCIA. Uma unidade de acionamento de alta frequência compreendendo um diafragma do tipo domo um conjunto de diafragma e bobina de voz. O conjunto de diafragma e bobina de voz é particularmente adequado para uso em alto-falantes compostos com diversas unidades de acionamento adaptadas para 5 reproduzir diferentes partes do espectro de áudio frequência e cujas unidades de acionamento são arranjadas em uma configuração coaxial. O diafragma do conjunto de diafragma e bobina de voz de acordo com a invenção apresenta um corte circular e define em seu topo uma periferia interna do domo de diafragma. O diafragma é suspenso em sua periferia interna por uma suspensão anular, na periferia externa por uma suspensão anular extrena (10) estendendo-se para fora em uma direção radial e, na periferia externa, por uma suspensão anular interna estendendo-se para dentro. Figura 1a para publicação.
Description
"UNIDADE DE ACIONAMENTO DE ALTO-FALANTE PARA REPRODUÇÃO DE SOM DE ALTA FREQÜÊNCIA" Campo técnico da invenção
A presente invenção relaciona-se a conversores eletroacústicos para reprodução de som, em particular a unidades de acionamento de alto- falante de alta freqüência do tipo domo e alto-falantes compostos com diversas unidades de acionamento adaptadas para reproduzir parte diferente do espectro de freqüência de áudio e cujas unidades de acionamento são arranjadas em uma configuração coaxial. Fundamentos da invenção
Na maioria dos sistemas de alto-falante para reproduzir uma parte maior do espectro de áudio freqüência, pelo menos doas unidades de acionamento são usadas. Um exemplo sendo um woofer usado para reprodução de sons nas faixas de baixa freqüência e um tweeter usado para as faixas de alta freqüência. As bobinas de voz das unidades de acionamento separadas estão conectadas via uma rede de filtros de cruzamento conectados a um amplificador de potência, que provê os sinais elétricos representando o som a ser reproduzido. A finalidade do filtro de cruzamento é prover cada unidade de acionamento de sinais elétricos correspondentes à faixa de áudio freqüência que cada unidade de acionamento é projetada para reproduzir. As características do filtro são arranjadas de tal modo que, em torno de uma freqüência de cruzamento, em uma faixa intermediária, a saída do woofer diminui com o aumento da freqüência e a saída do tweeter diminui com a diminuição da freqüência. O filtro de cruzamento pode, por exemplo, ser passivo ou ativo, digital ou analógico. O casamento cuidadoso das características do filtro com as características das unidades de acionamento tem que ser assegurado para alcançar boa reprodução de som. O sistema de alto-falante pode incorporar mais de duas unidades de acionamento. Um sistema de três vias com um tweeter, um woofer de faixa média e um woofer é uma construção comum de alto-falante. O filtro de cruzamento casado dividirá o sinal elétrico para as unidades de acionamento apresentando freqüências de cruzamento características e duas faixas intermediárias.
O som irradiado de cada uma das unidades de acionamento pode ser dito emanado da fonte de som aparente ou centro acústico daquela unidade; a posição do centro acústico é uma função do projeto da unidade de acionamento particular e pode ser tipicamente determinada por medições acústicas. Em adição, a posição absoluta do centro acústico pode ser dependente da freqüência do som emitido. Quando são usadas unidades de acionamento de alto-falante separadas, tal como nos sistemas de duas e três vias comuns brevemente descritos acima, os centros acústicos serão fisicamente deslocados um do outro. As unidades de acionamento são usualmente montadas em um defletor comum, de tal modo que seus centros acústicos permanecem em um plano comum, porém estes são desviados em uma direção vertical no plano do defletor. Para um ouvinte posicionado aproximadamente em linha com os eixos das unidades de acionamento de alto-falante e aproximadamente eqüidistante dos centros acústicos de ambas unidades de acionamento, um balanço desejado da saída das duas unidades de acionamento pode ser obtido. Entretanto, se a posição do ouvinte é movida da posição eqüidistante, as distâncias entre o ouvinte e os centros acústicos das unidades de acionamento de alto-falante será diferente e daí os sons em faixas de freqüência intermediária produzidos pelas duas unidades de acionamento serão recebidos pelo ouvinte com uma diferença de tempo. Esta diferença de tempo entre sons recebidos resulta em uma diferença de fase entre os sons recebidos na posição de audição. Os sons das duas unidades de acionamento não se somam mais juntos conforme pretendido, na faixa ou faixas intermediárias; o som recebido resultante será desordenado.
Uma área de interesse público é o Anúncio Público (PA) por exemplo, em auditórios ou salas de concerto. Premissas modernas são freqüentemente construídas de um modo que a própria sala é virtualmente acusticamente silenciosa. Portanto, no sentido de manter o número de alto- falantes a um nível razoável, o sistema deveria compreender um número de alto-falantes de alta eficiência (alto-falantes de alto Q). Trompas acústicas de alto Q são comumente usadas. Mais problemático, é amplificar o som em igrejas, teatros e salas de concerto freqüentemente de premissas mais antigas, acusticamente complexas, não silenciosas. Estas salas reverberantes são freqüentemente construídas para amplificar a voz humana ou o som de instrumentos, por reflexões múltiplas das ondas sonoras nas paredes e tetos. Se alto-falantes convencionais, com uma diferença de fase entre as duas unidades de acionamento, são usados em tal ambiente, cada reflexão dobrará a diferença de fase. Quando o som, após reflexões múltiplas, alcança o ouvinte, estará altamente distorcido. Amortecer a sala para obter um ambiente próximo do silêncio acústico, é na maioria dos casos uma solução não atrativa, uma vez que a característica, por exemplo, de uma igreja é percebida como uma parte essencial da experiência sonora de tais premissas.
Um número de tentativas tem sido feito para superar os efeitos indesejáveis originados do deslocamento dos centros acústicos das unidades de acionamento. E sabido combinar as unidades de acionamento de alto- falante de baixa e alta freqüência em uma única construção coaxial composta. A unidade de acionamento de alto-falante coaxial composta consiste de um diafragma de baixa freqüência geralmente cônico acionado por uma bobina de voz interagindo com uma estrutura magnética que tem um pólo central estendendo-se através da bobina de voz. Um diagrama de alta freqüência é posicionado na parte posterior da estrutura e a saída de som a partir deste diagrama é direcionada à parte frontal da unidade de acionamento de alto- falante por meio de uma estrutura de trompa acústica estendendo-se coaxialmente através do pólo central da estrutura magnética, que interage com o diagrama de baixa freqüência. Então, ambos os sons de baixa freqüência e alta freqüência são direcionados em uma direção da unidade de acionamento de alto-falante composta. Nesta forma coaxial de construção de alto-falante não há desvio vertical ou horizontal das fontes sonoras aparentes para freqüências baixa e alta. Entretanto, o diagrama de baixa freqüência é posicionado na parte frontal da unidade de alto-falante, ao passo que o diagrama de alta freqüência é posicionado na parte posterior da unidade de alto-falante e isto resulta no deslocamento relativo dos centros acústicos na direção do eixo da unidade de acionamento, causando uma diferença de tempo indesejável na chegada, ao ouvinte, de sons dos diagramas de alta e baixa freqüência. Tentativas mais recentes foram pensadas, por exemplo, nas patentes US 4.492.826 e 4.552.242 nas quais pelo menos um alto-falante menor é montado coaxialmente acima do alto-falante maior. Ambos compartilham em um grau não desprezível, a deficiência da construção acima descrita, de possuir um deslocamento relativo dos centros acústicos na direção do eixo da unidade de acionamento.
Uma unidade de acionamento de alto-falante composta com uma unidade de baixa freqüência e uma unidade de alta freqüência, com centro acústico coincidindo em todas as três dimensões, é descrita na patente US 5.548.657 e é comercialmente disponível. Uma miniatura, porém do tipo convencional de tweeter foi provida em um recesso provido na peça de pólo central do woofer. Devido à miniaturização do tweeter, sua eficiência constituirá em uma limitação. (Métodos complexos e dispendiosos de resfriamento, por exemplo, com fluidos ferrosos, serão necessários no sentido de obter um nível aceitável de eficiência). Embora superior às construções previamente descritas, também este alto-falante composto mostra uma diferença de fase que o torna menos adequado para uso em um ambiente de reflexão múltipla. Em adição, os ensinamentos da patente US 5.548.657 estão limitados a um alto-falante composto que possui duas unidades de acionamento, e não é aplicável se três ou mais unidades de acionamento são requeridas.
Na US 691.229.2 uma unidade de acionamento composta coaxial e co-planar é descrita. O projeto de circuito magnético, com magnetos permanentes tendo direções de magnetização estendendo-se radialmente, elimina a necessidade de tweeters miniatura. De fato, o desenho descrito torna possível fazer com que unidades de acionamento com eficiência muito alta para as partes de alta freqüência bem como partes de baixa freqüência. A US 691.229.2 do mesmo inventor e requerente da presente invenção, é deste modo aqui incorporada por referência. Unidades de acionamento de alta freqüência, freqüentemente
referidas como tweeters estão disponíveis em uma grande variedade. Os tweeters comumente usados hoje podem ser grosseiramente categorizados em três categorias: tweeters de domo, tweeters de compressão de alta freqüência e tweeters de faixas. Os tweeters de domo tipicamente possuem um diagrama em forma de domo com um diâmetro de poucos centímetros. O domo é, em sua borda, anexado à bobina de voz. O domo é feito de um material amortecedor de vibração tal como seda ou de um material extremamente leve e rígido tal como titânio. Um tweeter de domo bem projetado pode reproduzir som com boa precisão na região de 2.000 Hz a 20.000 Hz. Entretanto, tweeters de domo tipicamente possuem uma baixa eficiência (valor Q) e são sensíveis a altas cargas à medida que a forma do domo pode resultar em vibrações não controladas, se for usado um domo suave ou de toque. Os novos materiais magnéticos permanentes, por exemplo, neodímio-ferro-boro, e novos projetos dos circuitos magnéticos são descritos na US 691.229.2 se abrem para tweeters de domo de alta eficiência. Entretanto, a sensibilidade a altas cargas devido aos problemas descritos impede a utilização plena das vantagens suportadas pelos novos materiais magnéticos e projetos de circuitos magnético, em aplicações requerendo altos níveis sonoros. Têm sido feitas tentativas de equacionar a eficiência pobre dos tweeters de domo. Um meio é combinar o tweeter com uma trompa que acopla melhor à alta impedância acústica da unidade de acionamento à impedância mais baixa do ar. tweeters de trompa do tipo de compressão podem apresentar alta eficiência, mais tipicamente às custas da precisão na reprodução de som. Tweeters de faixas ou bandas, podem ser feitos para fornecer altos níveis sonoros mantendo uma qualidade na precisão de reprodução. Tweeters de faixa de alta qualidade são dispendiosos.
De forma importante, o projeto alongado, que é um resultado das faixas de metal alongado emissoras de som empregadas, torna o tweeter de faixas difícil, na prática impossível, de se combinar com a unidade de acionamento vantajosa coaxial co-planar composta acima descrita. Sumário da invenção
Um objetivo da presente invenção é superar as deficiências da técnica anterior provendo uma unidade de acionamento de alta freqüência, ou tweeter, possuindo uma alta eficiência e que possa ser utilizada em unidades de acionamento compostas com centros sonoros coaxialmente coincidentes e preferivelmente também centros sonoros co-planares.
Os objetivos acima mencionados são alcançados pela unidade de acionamento de alta freqüência conforme definido na reivindicação 1.
A unidade de acionamento de alto-falante de acordo com a presente invenção é adaptada para reprodução de som de alta freqüência e compreende um diafragma em forma de domo e uma estrutura de suporte. O diafragma está em sua periferia externa conectado a uma bobina de voz, e tem um corte circular em sua parte superior, definindo uma periferia interna do domo de diafragma. O diafragma é suspenso em sua periferia interna por uma suspensão anular superior, a periferia externa por uma suspensão anular externa estendendo-se para fora em uma direção radial e na periferia externa por uma suspensão anular interna estendendo-se para dentro. O arranjo de diafragma de acordo com a invenção assegura um controle preciso do domo. Vibrações serão bem controladas e ondas estacionárias, que tipicamente consistem em um problema com domos suaves, serão efetivamente canceladas. Daí, a unidade de acionamento tem a capacidade de facilitar a reprodução sonora com distorção muito baixa. Ao mesmo tempo, as suspensões permitem magnitude suficiente nos movimentos do diafragma, no sentido de fornecer altos níveis sonoros com potência de entrada razoável, isto é, alta eficiência.
Uma vantagem suportada pela presente invenção é que a unidade de acionamento é bem adequada para ser usada em alto-falantes coaxiais compostos, em particular, em alto-falantes compostos coaxiais e co- planares.
Uma vantagem adicional é que o diafragma, bobina de voz e estrutura de suporte podem ser arranjados como uma unidade separada, facilmente destacável do circuito magnético da unidade de acionamento.
Realizações da invenção são definidas nas reivindicações dependentes. Outros objetivos, vantagens e novas características da invenção tornar-se-ão aparentes a partir da seguinte descrição detalhada da invenção, quando considerado com os desenhos que a acompanham e reivindicações. Breve Descrição dos Desenhos
A invenção será agora descrita em detalhe com referência às figuras de desenhos, nas quais
Figura Ia ilustra esquematicamente uma vista seccional em corte dos circuitos magnéticos e do arranjo de diafragma de acordo com a presente invenção;
Figura Ib mostra a vista superior do arranjo de diafragma de acordo com a presente invenção;
Figuras 2a-b ilustram esquematicamente o uso do arranjo de diafragma de acordo com a presente invenção em uma unidade de acionamento composta de alto-falante de três vias. Descrição Detalhada da invenção
Uma primeira realização da presente invenção será descrita com referência às Figuras la-b. A unidade de acionamento de alta freqüência de acordo com a invenção compreende uma bobina de voz e um conjunto de diafragma 100 e um conjunto de circuito magnético 150. Seguindo os princípios da US 691.229.2, as duas partes principais, a bobina de voz e o conjunto de diafragma 105 e o conjunto de circuito magnético 150 são módulos separados e a bobina de voz e conjunto de diafragma 105 é um módulo auto suportado que pode ser removido e reajustado ao conjunto de circuito magnético 150.
A bobina de voz e conjunto de diafragma 100 compreendem um diafragma 105, uma bobina de voz IlOe uma estrutura de suporte 115. A estrutura de suporte 115 compreende uma parte anular 116 definindo a periferia externa da bobina de voz e conjunto de diafragma 100, e arranjada para interagir com um alojamento 160 do conjunto de circuito magnético 150. A estrutura de suporte 115 é preferivelmente formada para também servir como guia de onda ou trompa acústica. Isto é indicado pela parte anular 116 possuindo um diâmetro que aumenta com a distância da bobina de voz 110. Pelo menos uma, preferivelmente duas ou mais longarinas radiais 117 se estendem da parte anular 116 para o centro da bobina de voz e conjunto de diafragma 100. As longarinas radiais 117 terminam em uma peça central 118. As longarinas radiais 117 são relativamente finas, tipicamente e preferivelmente < 5 mm, na direção anular, no sentido de não impedir a transmissão da onda sonora. As longarinas radiais 117 podem ser estendidas, tipicamente e preferivelmente de 10-20 mm na direção do eixo central da unidade de acionamento, no sentido de prover suficiente estabilidade mecânica. Conforme ilustrado, a peça central pode ser formada de diversas partes para facilitar a montagem/desmontagem da bobina de voz e conjunto de diafragma 100. Uma peça central inferior cilíndrica 119 pode ser unida, com um parafuso 119, por exemplo, à peça central 118. Alternativamente, a peça central 118 é formada como uma unidade ou as partes são permanentemente unidas. O diafragma 105 é essencialmente em forma de domo e provido de um corte circular centrado correspondente à peça central 118. O diâmetro da periferia externa deveria ser da ordem de 2-5 vezes a periferia interna. Resultados particularmente bons são alcançados com a relação:
(^extern (/π — Φίιηβπιο? eq. 1
onde (J)externo é o diâmetro da periferia externa e (J)interno é o
diâmetro da periferia interna.
Na borda externa, o diafragma é unido a uma bobina de voz 110. Aproximadamente na junção entre o diafragma e a bobina de voz 110, uma suspensão anular externa 120, estendendo-se do diafragma 105 até a parte anular 116, é provida para suportar o diafragma e direcionar a bobina de voz ao vão do pólo. Os enrolamentos da bobina de voz 110 terminam em um terminal elétrico 130, através do qual a corrente é alimentada. Anexada no interior, preferivelmente em uma posição correspondente à posição da suspensão anular externa 120, está uma suspensão anular interna 121. A suspensão anular interna 121 se estende da borda do diafragma 105 até a parte inferior da peça central 118. A suspensão anular interna 121 tem uma seção flexível 122 adjacente ao diafragma 105 e pode ter uma segunda seção flexível 123 provendo a anexação à peça central 118. No interior, e em sua maior parte, a suspensão anular interna pode ser relativamente rígida. O corte central do diafragma 105 é através de uma suspensão anular superior 124 anexada a uma parte superior da peça central 118. As três suspensões, a suspensão anular externa 120, a suspensão anular interna 121 e a suspensão anular superior 124 asseguram um controle preciso do domo. Vibrações serão bem controladas e ondas estacionárias que são um problema tipicamente com domos suaves, serão efetivamente canceladas. Daí, a bobina de voz e conjunto de diafragma 100 têm a capacidade de facilitar a reprodução do som com distorção muito baixa. Ao mesmo tempo, as suspensões permitem suficiente magnitude dos movimentos do diafragma, no sentido de fornecer altos níveis sonoros a uma potência de entrada razoável, isto é, alta eficiência. Materiais adequados para a estrutura de suporte são plástico ou metal. O diafragma é preferivelmente de um material semi rígido tal como tecido reforçado ou um metal leve e fino. As seções flexíveis das suspensões são preferivelmente feitas de uma material flexível e moldável como borracha, tal como silicone ou uretano. Alternativamente, as seções flexíveis são feitas do mesmo material que o diafragma e revestidas de um molde de silicone ou uretano, por exemplo, para evitar ressonâncias. Os materiais mencionados estão comercialmente disponíveis e são conhecidos dos especialistas na técnica. O especialista na técnica seria também capaz de substituir os materiais mencionados por outros materiais usados para alto-falantes.
A bobina de voz e conjunto de diafragma 100 de acordo com a invenção é adaptada para se encaixar e interagir com um conjunto de circuito magnético 150. O conjunto de circuito magnético 150 compreende um alojamento 160 com peça de pólo interna e externa 155, 156 e o imã permanente 157. O alojamento 160 é arranjado para guiar e para prover posicionamento preciso da bobina de voz e conjunto de diafragma 100. As peças de pólo 155, 156 formam um vão de pólo 158 que é adaptado para receber a bobina de voz 110 da bobina de voz e conjunto de diafragma 100. O conjunto de circuito magnético 150 é provido de um terminal elétrico 170 adaptado para coincidir com o terminal elétrico 130 da bobina de voz e conjunto de diafragma 100.
De acordo com uma realização da invenção, um terminal elétrico 130 para a conexão elétrica da bobina de voz 105 é arranjado no centro da bobina de voz e conjunto de diafragma 100, abaixo e suportado pela peça central 118. O terminal elétrico se estende abaixo pelo plano definido pela suspensão anular interna 121 e é adaptado para coincidir com um terminal elétrico em recesso no circuito magnético. Alternativamente, o terminal elétrico 130 pode se estender para cima em um corte central da peça central 118, em cujo caso a parte coincidente do terminal elétrico, arranjada no conjunto de circuito magnético 150, se projeta da superfície superior do circuito magnético. Lides elétricos 131 conectam a bobina de voz 105 ao terminal elétrico 130. O terminal elétrico 130 e o terminal elétrico coincidente 170 são preferivelmente conectores coaxiais de dois pólos, não sensíveis a rotação, com um terminal central e um terminal circular externo. O terminal elétrico coincidente 170 do conjunto de circuito magnético é preferivelmente provido em um orifício central 165 da peça de pólo interna 155. Lides elétricos 145, para conexão externa ao terminal elétrico coincidente 170, são providos via orifício central 165. A bobina de voz e conjunto de diafragma 100 de acordo com a
presente invenção é particularmente adequada para uso no alto-falante composto co-planar e coaxial descrito na US 691.229.2 acima referida. Tal unidade de acionamento composta compreende uma unidade de acionamento de alta freqüência e pelo menos uma unidade de acionamento adicional, uma unidade de acionamento de baixa freqüência. Uma unidade de acionamento composta 200 é ilustrada nas Figuras 2a-b constituída de uma unidade de acionamento de baixa freqüência 205, uma unidade de acionamento de freqüência de faixa intermediária 210 e uma unidade de acionamento de alta freqüência 215. Cada unidade de acionamento individual compreende um conjunto de circuito magnético e uma bobina de voz e conjunto de diafragma. Conforme indicado na Figura 2b, as unidades de acionamento individuais são unidades completamente separadas que podem ser desmontadas e remontadas independentemente. Cada bobina de voz e conjunto de diafragma é destacável do respectivo circuito magnético como unidades separadas, da mesma maneira descrita acima. A unidade de acionamento de alta freqüência 215 compreende a bobina de voz e conjunto de diafragma 100 de acordo com a invenção. Como a bobina de voz e conjunto de diafragma 100 pode ser feita pequena o bastante para ser conforme ao arranjo co-planar e coaxial, e é capaz de reproduzir altos níveis sonoros sem distorção significativa, pode ser obtida plena vantagem da eficiência das unidades de acionamento compostas.
A partir da invenção então descrita, será óbvio que a invenção pode ser variada de muitos modos. Tais variações não devem ser vistas como um afastamento do espírito e escopo da invenção, e todas estas modificações, como seria óbvio a um especialista na técnica, são destinadas a inclusão dentro do escopo das reivindicações seguintes.
Claims (9)
1. Unidade de acionamento de alto-falante para reprodução de som de alta freqüência, a unidade de acionamento compreendendo uma estrutura de suporte (115), uma bobina de voz (110) e um diafragma em forma de domo (105) que em sua periferia externa é conectado à bobina de voz, caracterizada pelo fato de que o diafragma (105) possui um corte circular em sua parte superior, definindo uma periferia interna do domo de diafragma, e o diafragma é suspenso em sua periferia interna por uma suspensão anular superior (124), na periferia externa por uma suspensão anular externa (120) estendendo-se para fora em uma direção radial e, na periferia externa por uma suspensão anular interna (121) estendendo-se para dentro.
2. Unidade de acionamento de alto-falante de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a suspensão anular superior (124) é fixada a uma peça central (118) da estrutura de suporte (115), a peça central (118) estendendo-se através do diafragma (105), pelo menos até um plano definido pela suspensão anular interna (121).
3. Unidade de acionamento de alto-falante de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a suspensão anular interna (121) está fixada em sua periferia interna à peça central (118) da estrutura de suporte (115).
4. Unidade de acionamento de alto-falante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o corte central é circular e possui um diâmetro que é pelo menos três vezes menor do que o diâmetro da periferia externa do diafragma.
5. Unidade de acionamento de alto-falante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a peça central (118) da estrutura de suporte (115) está sob o lado adaptado para facear com o circuito magnético (150), provida de um terminal elétrico (130) que está em conexão com os enrolamentos da bobina de voz (110).
6. Unidade de acionamento de alto-falante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a estrutura de suporte (115) possui uma parte anular (116) que é arranjada em seu lado externo para prover um ajuste estreito a um alojamento de um conjunto de circuito magnético.
7. Unidade de acionamento de alto-falante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que a estrutura de suporte (115) possui uma parte anular (116) que possui em seu interior um diâmetro que aumenta com as distâncias da bobina de voz (110).
8. Unidade de acionamento de alto-falante de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o interior da parte anular (116) da estrutura de suporte (115) forma um guia de onda.
9. Unidade de acionamento de alto-falante de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o interior da parte anular (116) da estrutura de suporte (115) forma uma trompa acústica.
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