Essa é pra quem se interessa pelos detalhes técnicos do áudio profissional. Acredito que você já tenha ouvido falar sobre o Efeito de Proximidade dos microfones direcionais.

O famoso reforço de graves quando o vocalista se aproxima demais da cápsula. Sorte dos menos afortunados com voz fina, pesadelo dos barítonos, baixos e engenheiros de gravação que perdem o controle da captação quando a fonte se movimenta demais.

Quando comecei a estudar áudio, este foi um dos assuntos que mais procurei na Internet. Era difícil encontrar uma boa explicação, mesmo nos livros ou nos bons papos com colegas engenheiros. Afinal, porque os graves eram reforçados? Porque somente a pequenas distâncias da cápsula? Apenas com alguns tipos de microfones?

O site da Shure® possui um bom resumo do fenômeno em inglês.

Se você também procura por estas respostas, aqui está uma explicação que deve ajudar! Antes de mais nada, no entanto, precisamos falar sobre a diretividade do microfone.

GRADIENTE DE PRESSÃO

O gadiente, ou diferença de pressão, entre os dois lados de um diafragma, é uma das razões da sua movimentação que gera o sinal de de áudio. Existe outro princípio, o gradiente de velocidade, que também contribui para a movimentação do diafragma em alguns tipos de cápsulas.

Para efeitos deste texto, vamos considerar um microfone CARDIÓIDE tradicional, cujo padrão polar é determinado pela construção física do microfone, suas cavidades e aberturas acústicas.

Neste tipo de microfone, o som que incide na frente do diafragma é distinto do som que atinge a parte de trás do mesmo. São as aberturas da cápsula que permitem dois caminhos diferentes, que levarão ondas sonoras para a frente e para trás do diafragma.

A parte da frente não tem conexão acústica com a parte de trás (o ar não passa pelas laterais da membrana) e movimento do diafragma é totalmente determinado pelo gradiente de pressão entre os seus dois lados.

PADRÃO POLAR

O padrão polar de um microfone cardióide é tal que o som que incide pela frente do microfone (perpendicular à frente do diafragma) tem sensibilidade máxima. No outro extremo, o som que chega por trás do microfone tem sensibilidade mínima, que em teoria, seria nula numa câmara anecóica.

Na prática, o microfone cardióide não rejeita totalmente os sons de trás porque não existe uma fonte sonora tão pequena e tão distante que emita som somente para o ponto nulo do padrão, além de existirem reflexões no ambiente que chegam por outras direções. Mesmo assim, a sensibilidade é maior pela frente e diminui gradualmente até o ângulo de 180 graus.

DIRETIVIDADE

Já sabemos que a amplitude de movimentação do diafragma (que é proporcional à amplitude do sinal elétrico gerado) depende diretamente do gradiente de pressão no diafragma.

Também sabemos que a direção do som incidente no microfone altera o grau de movimentação da membrana.

Então podemos concluir que a direção do som influi neste gradiente de pressão!

De fato, isso acontece porque existe um ATRASO (delay) entre o som da frente e o som de trás do diafragma (estas duas ondas são internas ao microfone e existirão para qualquer direção de origem do som). Repare que atraso, distância, tempo - são todos sinônimos neste contexto. Quando um som "passa" pelo microfone, uma onda sonora entra pela abertura frontal e segue para a frente do diafragma. Uma outra onda sonora entra pela abertura lateral no corpo do microfone, percorre um outro caminho mais longo e atinge a parte traseira do diafragma.

O atraso efetivo entre as duas ondas depende somente da direção do som, uma vez que a direção do som incidente irá determinar o instante em que cada onda entra no mic e, a partir daí, segue o seu caminho até a membrana. Por exemplo, quando o som incide pela frente, a primeira onda imediatamente entra no microfone, enquanto a segunda demora um certo tempo para entrar pela abertura lateral, relativo à distância entre a esta abertura e a frontal. 

Num outro cenário, existe uma determinada direção de som tal que o som entra, ao mesmo tempo, pelas duas aberturas. Isso não significa que as duas ondas chegarão ao mesmo tempo no diafragma, pois lembre-se que cada caminho tem uma distância diferente. Mas pelo menos já conseguimos entender que a direção da origem do som determina o atraso efetivo entre as duas ondas. E este, por sua vez, modifica o gradiente de pressão.

Também podemos concluir que no ponto de sensibilidade mínima (origem a 180 graus), os instantes de cada uma das ondas e seus percursos farão com que elas cheguem simultaneamente ao diafragma, com valores de pressão iguais. Uma tenta puxá-lo, a outra tenta empurrá-lo, e ele não se move.

ACOMPANHE COMIGO! 

A Sensibilidade depende do Gradiente de Pressão.

O Gradiente de Pressão depende da Direção do Som.

A Direção do Som altera o Atraso que determinará o Gradiente de Pressão.

Resta-nos entender como este atraso modifica o gradiente de pressão (diferença de pressão entre os dois lados da membrana).

DIFERENÇA DE AMPLITUDE

Um dos fatores que altera o gradiente de pressão é a diferença de amplitude entra as duas ondas.

Sabemos que o som atenua conforme caminha pelo ar. Uma vez que as duas ondas percorrem caminhos diferentes (ou distâncias, ou tempos) diferentes, naturalmente existirá uma diferença de amplitude entre elas e, portanto, um gradiente de pressão que fará a membrana se movimentar. Simples, objetivo.

Esta diferença de amplitude é praticamente idêntica para todas as frequências. Digo praticamente, porque com distâncias longas, de dezenas ou centenas de metros, a atenuação dos agudos é mais notável, o ar funciona como um "filtro" de altas frequências. No nosso microfone, porém, estamos falando de uma diferença de distância que não passa de 1cm e podemos desprezar a o excesso de atenuação nos agudos.

Maravilha, isso por si só já seria suficiente para fazer o microfone direcional funcionar, com resposta plana! O único (e grande) problema seria a fraca movimentação da membrana, pois a diferença de pressão entre os dois lados dela é MUITO pequena.

Para um som que se originou a 2 metros de distância, uma diferença de 1 cm não altera a amplitude consideravelmente, nem conseguimos reparar ou medir. No entanto, para um som que se originou a 1 cm, estar a 2cm significa estar o dobro de distância da fonte e a Lei do Inverso do Quadrado diz que este som será cerca de 6dB menos intenso.

Em outras palavras, nosso microfone só funcionaria quando a fonte sonora estivesse muito próxima, limitando bastante a flexibilidade do microfone.

Em todo caso, podemos esquecer essa hipótese, porque existe um outro fenômeno inevitável causado pelo atraso. Trata-se da...

DIFERENÇA DE FASE

Desde cedo aprendemos que, no áudio, atrasos são sinônimos de diferenças de fase.

Quando os atrasos são relativamente curtos, da ordem de 1-10ms, as duas ondas combinadas geram filtro-pente. Algumas frequências em fase são reforçadas, outras com fase invertida são canceladas.

Para atrasos de cerca de 20ms a 40ms, um conteúdo sonoro variável (como a música) não sofre filtro-pente e as duas ondas praticamente se "fundem", gerando um som diferente, possivelmente mais espacial e encorpado.

Acima disso começamos a gerar a percepção de "eco", ou sons claramente distanciados e distintos.

A grande pergunta é: o que ocorre com atrasos MUITO pequenos, da ordem de micro-segundos, como os que ocorrem no microfone direcional?

Por serem muito pequenos, estes atrasos não chegam a causar filtro-pente, porque em nenhuma frequência haverá uma diferença de fase acima de 180 graus. Na verdade, assumindo que o atraso é de 1cm, a diferença de fase em 20Hz é menor do que 2 graus e vale aproximadamente 90 graus em 20kHz.

Embora não exista reforços ou cancelamentos totais, é natural entendermos que, quanto maior a frequência, maior será a diferença de fase (para uma mesma direção de origem do som). Em outras palavras, quanto maior a frequência, maior será a diferença de pressão entre os dois lados do diafragma e portanto, maior a sua sensibilidade.

Veja nas figuras abaixo como o mesmo atraso de tempo significa pouca ou muita diferença de pressão (amplitude, fase), dependendo da frequência da onda.

A consequência, caro leitor, é que o microfone direcional terá uma resposta longe de ser "flat", crescente com a frequência. É claro que não desejamos um microfone com esta característica.

(legenda: AZUL - gradiente de pressão gerado por diferenças de amplitude; VERMELHO - gradiente gerado por diferenças de fase; VERDE - resposta final resultante)

A solução é utilizarmos um filtro gradual de agudos no microfone para compensar este reforço. Este filtro (especificamente um hi-cut de 6dB/oitava no espectro inteiro) é normalmente implementado no microfone através de um "abafador" na membrana, dificultando sua vibração conforme aumenta a frequência.

(legenda: AZUL - gradiente de pressão gerado por diferenças de amplitude; VERMELHO - gradiente gerado por diferenças de fase; VERDE - resposta final resultante)

O efeito colateral, não desejável, é que a resposta plana gerada pela diferença de amplitude (azul) agora não está mais plana, uma vez que o diafragma já não reage igualmente em todas as frequências. Felizmente, o peso da diferença de amplitude no gradiente de pressão é muito pequeno e não irá modificar a resposta do microfone de forma notável (linha verde continua plana). As diferenças de fase (vermelho) contrinbuem muito mais para o gradiente de pressão e praticamente determinam a resposta do mic.

EFEITO DE PROXIMIDADE

As coisas complicam quando a fonte sonora está muito próxima da cápsula, digamos, abaixo de 3 cm.

Nesta situação, o gradiente de pressão gerado pelas diferenças de amplitude é muito maior e o componente AMPLITUDE passa a influenciar na resposta do do microfone. A curva deste componente seria plana, não fosse o abafador de agudos do diafragma.

Como existe este filtro de agudos, a curva de FASE (vermelha) é plana, porque foi compensada, e a curva de AMPLITUDE (azul) decresce com a frequência, pois já era plana. Abaixo de uma determinada frequência, no entanto, a curva azul tem mais peso na resposta final, criando um reforço de graves.

Aí está o nosso Efeito de Proximidade, com o qual precisamos aprender a conviver!

OUTROS PADRÕES POLARES DIRECIONAIS

Outros microfones direcionais, como super-cardióide, hiper-cardióide e shotgun, baseiam-se nos mesmos princípios. Acusticamente, é só alterar os tipos de aberturas, seus tamanhos e posicionamentos, de maneira a modificar os atrasos internos em função da direção do som.

Muitos microfones atuais, do tipo multi-padrão, utilizam duas cápsulas cardióides cujos sinais são eletricamente combinados para simular uma cápsula acústica bi-direcional, super-cardióide etc. Para tanto, a amplitude e a polaridade de cada sinal é alterada de acordo com o padrão polar desejado. Mesmo que este processo simule uma cápsula acústica, ainda assim vale o efeito de proximidade em cada cápsula e portanto, na resposta final.

OMNI-DIRECIONAL

Um microfone omni-direcional tradicional, construído acusticamente com apenas uma cápsula e membrana, é simplesmente um diafragma que conecta o mundo externo ao interior "selado" do microfone (imagino que o interior não seja completamente selado, pois isso causaria deformações no diafragma quando a pressão atmosférica se modificasse, como da serra para o litoral).

De qualquer forma, variações rápidas de pressão, como aquelas que ocorrem no som, causam variações de pressão idênticas na frente do diafragma, uma vez que a parte de trás está sempre estável em uma pressão constante. Qualquer som, de qualquer direção, irá causar diferenças de pressão na frente da membrana. O som nunca atinge a parte de trás da cápsula e portanto a direção de origem do som não tem influência na resposta.

Como não existem diferenças de amplitude, ou de fase, que variam com a distância da fonte, este tipo de mic não sofre o Efeito de Proximidade.

AJUDEM COM ESTA DÚVIDA!

O microfone bi-direcional (ou figura 8) tradicional é composto de uma membrana totalmente exposta ao ar livre.

Seu princípio de funcionamento é o gradiente de velocidade. A pressão atmosférica não tem influência no movimento da membrana, uma vez que a pressão será sempre a mesma na frente e atrás, devido à fina espessura do diafragma.

O que causa o movimento da membrana é o movimento do ar, que está sempre vibrando quando existe som. Além disso, quando a onda sonora chega perpendicularmente à membrana, o movimento do ar é tangencial ao diafragma e este não se move. Como resultado, este microfone também é direcional e possui seus dois pontos de sensibilidade nula a 90 graus.

Normalmente se comenta que os microfones direcionais sofrem de Efeito de Proximidade. Mas de acordo com a teoria que vimos acima, não faz sentido que um microfone bi-direcional, totalmente aberto ao mundo externo, sofra este efeito. Afinal, não existem atrasos!

A dúvida que deixo no ar, amigo leitor, e te convido para responder, é:

- Os mics bi-direcionais possuem efeito de proximidade?

- Todos eles ou somente os de duas cápsulas cardióides?

- Você possui algum mic bi-direcional de uma cápsula para fazer um teste?

- Se possui um mic multi-padrão de duas cápsulas, o padrão figura 8 apresenta Efeito de Proximidade? E o padrão omni-direcional gerado pelas duas cápsulas cardióides, apresenta?

- No caso do omni formado por duas cápsulas, uma fonte próxima iria expor cada cápsula a um campo sonoro diferente, de acordo com sua origem polar. Isto modifica a resposta do mic que deveria ser plana nos 360 graus?

Participe, faça seus testes e gravações e mande os arquivos!