Dicas do Zébio

Conheça o barulhento mundo dos dispositivos de alerta sonoro. Nesta segunda parte, são abordadas as buzinas a ar (inclusive as utilizadas pelos trens e navios), os sistemas de alertas contra calamidades, as tradicionais sirenes eletromecânicas, as cigarras elétricas, as campainhas de telefones e a campainha din-dom.

Também destrinchamos a sirene eletrônica e mostramos alguns circuitos práticos.

Resumo

## Parte 1

Introdução

O eletroímã

O mercúrio nas conexões

O surgimento da campainha elétrica

Johann Philipp Wagner (1799-1879)

As faíscas no Martelo de Wagner

A buzina elétrica

A buzina GENTIL

A buzina de “300 dB”

## Parte 2

Buzinas a ar

Alarmes contra desastres

Sirenes eletromecânicas

Cigarras e campainhas elétricas comerciais

A campainha dos telefones de disco

Tecnologias semelhantes à da cigarra

Campainha de dois tons (din-dom)

A sirene eletrônica

Circuitos práticos de sirenes eletrônicas

## Parte 3 – final

Piezoeletricidade

Compreenda o efeito piezoelétrico

Materiais piezoelétricos e suas aplicações

Sonorizador piezoelétrico

Manipulação e dicas para projeto de sonorizadores piezoelétricos

Circuitos de acionamento

Sonorizador eletromagnético

Como diferenciar o buzzer piezoelétrico do eletromagnético

Buzzers autônomos

A campainha detectora de raios

O barulho e nossos ouvidos

Referências

Buzinas a ar

As buzinas elétricas só são superadas pelos modelos pneumáticos, que geralmente precisam de um compressor e tanque reserva, para garantir e sustentar a emissão sonora. Buzinas a ar são tradicionais em trens, navios, indústrias e caminhões, porque esses meios de transporte já dispõem de sistemas de ar comprimido.

Aliás, quem não ouviu falar em caminhão que “perdeu os freios”? Isso ocorre pela perda de pressão no sistema, porque o reservatório de ar comprimido, bem como outros componentes, podem estar com água ou impurezas, o que reduz severamente a capacidade de frenagem. Pequenos vazamentos diminuem mas não impedem o funcionamento, porque cada roda trava de forma independente.

A compressão condensa a umidade do ar e precisa ser expurgada periodicamente. A “perda de freios” geralmente indica descuido com a manutenção ou a prática de andar em ponto morto (que causa pane, pelo aquecimento e desgaste excessivo dos freios).

Às vezes, motoristas irresponsáveis bloqueiam o funcionamento de parte do sistema, para isolar um problema ou para evitar o travamento de rodas devido às lonas e tambores gastos (fig. 31). É uma prática mais comum do que se imagina e além de potencial causadora de acidentes – a frenagem fica assimétrica –, está sujeita a multas, apreensão do veículo e prisão do condutor [48][49].

A falta de manutenção é responsável por 30% dos acidentes de trânsito no Brasil. Se fosse usual a manutenção preventiva (mandar para a revisão a intervalos regulares, ou quando o veículo muda de comportamento), além de monitorar o estado geral dos pneus, lâmpadas, lubrificantes, suspensão, etc., os custos de manutenção reduziriam de 30 a 40% [50]. Os problemas mais graves ocorrem pela soma de vários pequenos problemas, que não foram corrigidos no tempo certo.

Afinal, quem possui carro ou caminhão é como se tivesse um filho e precisa dar conta das despesas decorrentes, para sua segurança e a dos outros.

Voltemos desse outro desvio informativo.

A buzina a ar é semelhante a um apito, soprado pelo sistema de ar comprimido, cujo som é direcionado por uma longa corneta (fig. 32). Há cornetas muito potentes, como as de trens e navios, que podem produzir níveis sonoros de 150dB a 1m, suficientes para causar danos permanentes aos ouvidos em poucos segundos de exposição. Por isso, costumam ser instaladas em locais de difícil acesso (fig. 33) e devem respeitar normas técnicas específicas. Lembre-se que ao ar livre, a intensidade a partir da fonte sonora diminui 6dB a cada vez que a distância dobra (Lei do inverso do quadrado).

Nos EUA, as locomotivas usam um conjunto de 3 a 5 trompas, onde cada uma atua em uma frequência específica, o que forma o chime, um carrilhão ou coro de buzinas (fig. 34).

Há buzinas a ar com seu próprio compressor, que só precisam de energia elétrica. Os modelos mais compactos podem ser instalados em automóveis e os maiores em caminhões, iates, parques industriais, trens e navios. Nos automotivos, as trompas podem ser tocadas ao mesmo tempo ou uma de cada vez, numa sequência melódica (fig. 35). Conforme a tecnologia utilizada, algumas buzinas a ar contam com um tanque reservatório, além do compressor exclusivo (fig. 36).

As embarcações necessitam de sinalizadores sonoros para evitar colisões, que estão definidos desde 1972 nos Regulamentos Internacionais para Prevenção de Colisões no Mar (COLREGs – International Regulations for Preventing Collisions at Sea) [54]. Por exemplo, o Regulamento 33 (equipamentos para sinais sonoros) estabelece a obrigatoriedade de: um apito de sopro manual (barcos até 12m de comprimento); buzina (comprimento maior que 12m); buzina e sino (maior que 20m); buzina, sino e gongo (maior que 100m).

O sino tem gravado o nome do navio e disciplina a rotina do pessoal de bordo [55]. Esses dispositivos sonoros servem para a comunicação entre embarcações e também para alerta em situações de nevoeiro.

Essas regulamentações ainda são úteis em navios tripulados, mas não farão mais sentido em navios totalmente automatizados, sem pessoal a bordo. Do mesmo modo que acontece com o futuro dos motoristas de automóveis e caminhões, o avanço da automação tende a diminuir ou eliminar a tripulação dos navios [56][57].

Os apitos e buzinas dos navios emitem um som grave, que apesar da intensidade, é otimizado para não causar pânico às pessoas próximas. Há navios com frequências de apito tão baixas quanto 55Hz. A frequência baixa é usada principalmente para evitar a absorção pelo ar, por causa dos nevoeiros (por isso o gongo em grandes navios).

O porte da embarcação determina sua classe e a faixa de frequências permitida para a buzina. Quanto mais grave a frequência de emissão, maior é o navio. Ouça um “duelo” de saudação entre navios:

Nos navios, tudo é grandioso. Por exemplo, a buzina da Zölner ZET-Horn 70 AC é elétrica, para navios mais longos que 200 metros (fig. 37), tem quase 2 metros de comprimento, opera na frequência fundamental de 70 Hz e pesa 130kg!

A Kockum Sonics fabrica modelos a ar, como o Supertyfon MKT 150/90, com fundamental de 90 Hz e elétricos, como o Electro-Tyfon MT 150/130, que usa uma corneta retangular, para controlar melhor a intensidade sonora sobre o deck (fig. 38). Este conjunto opera na fundamental de 130Hz, mede 1,20m de comprimento e a boca da corneta tem 80 x 45cm. A empresa também fabrica um modelo eletrônico, para embarcações menores.

Alarmes contra desastres

E já que estamos falando de sinalização sonora de grande porte, nos locais sujeitos a inundações, incêndios, terremotos, maremotos (tsunamis), furacões e outras tragédias de grandes proporções, costumam ser instalados potentes sistemas de alerta para a população, que ajuda nas evacuações em massa.

Em estádios e outros grandes locais, como pátios de empresas, depósitos, campos petrolíferos, siderúrgicas ou refinarias, sistemas semelhantes podem ser utilizados, tanto para avisos importantes como na iminência de situações perigosas.

Esses sistemas de aviso são formados por grupos de sirenes, espalhados pelo território a proteger. Podem ser equipados com baterias e painéis solares e acionados por centrais, através de diversos tipos de comunicação (satélite, fibra, rádio, etc.), redundantes para aumentar a confiabilidade. As centrais podem contar com monitoramento das condições ambientais e emitir alertas automaticamente.

Os sistemas de alerta tradicionais são pneumáticos e operam somente como sirenes, como os da Kahlenberg [59]. Um dos modelos de maior alcance da empresa (fig. 39) emite um tom de 135Hz e consegue ser ouvido num raio de até 7km.

Mais recentes, os sistemas eletrônicos de alerta podem emitir, além do apito de sirenes, sinais de aviso complexos e mensagens de voz, gravadas em diversas línguas, bem como avisos ao vivo. A fig. 40 mostra alguns exemplos.

Como se pode perceber nessas aplicações de alerta coletivo o uso de cornetas é essencial, porque sua eficiência é indiscutível. Além de direcionar com precisão o som, as cornetas tomam pouco espaço e podem ser montadas para cobrir áreas específicas ou de modo omnidirecional. Cada fabricante desenvolveu seu próprio sistema de cornetas e o otimizou para a montagem em grupos.

A Tecal [64], por exemplo, desenvolveu todo o sistema no Brasil e sua corneta é um pouco maior, em razão de utilizar 4 drivers JBL (fig. 41). Além de boa potência admissível, o grande tamanho da boca da corneta amplia a capacidade de emitir baixas frequências, que tem maior alcance. A diretividade poderia ser melhorada se o formato da corneta fosse retangular, como o fazem seus concorrentes.

A Kockum Sonics, da Kockumation é uma tradicional empresa sueca [60], que fornece sistemas sonoros para navios, indústrias e trens, além dos alarmes para avisos em massa. Ela desenvolveu uma elegante corneta de cobertura omnidirecional (Tyfonic ET 500/4-1), que tem 4 cornetas empilhadas. O empilhamento de cornetas estreita a cobertura na vertical e o formato circular mantém a cobertura horizontal. Outro modelo, com um estágio somente (ET 500/1M) é destinado a veículos (fig. 42). A Engesig [65], no Brasil, também desenvolveu um sistema semelhante de cornetas empilhadas chamado Sirene OMNI.

Para alimentar os drivers das cornetas a tecnologia mais atual é a amplificação em classe D, que tem como vantagens o menor consumo de energia, pouco aquecimento e pequeno tamanho. A miniaturização possibilita sistemas integrados e portáteis de alta potência, inclusive para uso móvel.

A importância desses sistemas públicos de alerta em áreas de risco pode ser percebida em duas situações ocorridas nos EUA. Em outubro de 2017, 22 pessoas morreram em um dos trágicos incêndios na Califórnia, porque apenas mensagens SMS foram utilizadas para alertar a população. Segundo o LA Times, muitas pessoas só perceberam a gravidade da situação quando alguém literalmente bateu às suas portas. Nenhum alarme geral foi acionado, nem sirenes móveis foram utilizadas [66].

Já em maio de 2019 as sirenes soaram em Jefferson, capital do Missouri. A cidade opera com um sistema de 29 sirenes em combinação com um sistema de monitoramento e foi capaz de avisar com antecedência a chegada de um tornado. Não houve mortes [66].

Vanuatu é um país da Oceania composto por 83 ilhas, situadas em uma zona de convergência entre placas tectônicas. O país enfrenta frequentes abalos sísmicos, como erupções, tremores e maremotos. Foram instaladas 19 sirenes eletrônicas da Hörmann alemã (fig. 43), controladas por duas centrais, para alertas à população . O Equador, por sua vez, instalou na província costeira de Manabi 182 sirenes Hörmann alimentadas por energia solar, para avisar a população da iminência de tsunamis [62].

Portugal também instalou sistemas de alarme para prevenir danos com maremotos, conforme notícia da ONU [67].

Na Colômbia, foram instaladas sirenes da companhia eslovaca Telegrafia [63] nas imediações do vulcão Galeras (Urcunina), um dos 15 vulcões em atividade no país.

Por aqui, as mineradoras de nióbio Niobras e de fosfato Copebras, controladas pela CMOC (China Molybdenium Company) instalaram em 2017 sistemas de alarme preventivo em Ouvidor e Catalão, Goiás (fig. 44). A intensidade sonora mínima das sirenes na área de cobertura é de 70 dB [63][68].

Diversos países e empresas têm sistemas públicos de alarme, pelas mais variadas razões. Isso indica, no mínimo, um pouco de atenção com a vida das pessoas, especialmente daquelas que vivem sob constante ameaça. O mau uso deve ser coibido, porque esses sistemas devem ser utilizados somente em caso de extrema necessidade e não conforme a vontade de alguém que tenta espalhar o pânico ou moldar o comportamento da população aos seus interesses.

No Brasil, temos como principais problemas as inundações, os deslizamentos e a quebra de barragens, que ceifam vidas e patrimônios todos os anos.

Tragédias que ocorrem primeiro pela absurda e descontrolada ocupação das áreas de risco, depois pelo recorrente desinteresse em todas as esferas de governo de solucionar definitivamente o problema (com planos habitacionais, reassentamentos, fiscalizações, urbanização e saneamento) e por último, pela falta ou inoperância de uma eficiente infraestrutura de apoio e mitigação.

Os sistemas públicos de alarme preventivo se encaixam neste último quesito, mas até esse recurso relativamente barato, depende muito mais do lado que sopra o vento do poder do que das vidas que poderia salvar [69 a 72].

Como sempre, o problema é garantir a continuidade dos serviços, porque novos mandatários, em vez de pensarem no bem comum, costumam desdenhar do que já foi feito e tentam reinventar a administração, algumas vezes por vaidade ou com o objetivo dissimulado de beneficiar seus apoiadores financeiros. E os meios de comunicação precisam admitir sua gorda fatia de culpa, porque apesar de se exibirem como imparciais, têm lado, preferências ocultas e optam por emocionar, em vez de informar.

Sirenes eletromecânicas

Para o artigo ficar completo – ou enorme – precisamos falar também da sirene tradicional (fig. 45). Esta sirene consiste de um motor acoplado a uma hélice centrífuga, cujo perímetro gira rente a um tambor preso à carcaça, com diversas janelas. O ar entra pelo meio e sai assobiando por essas janelas, em uma frequência definida. Devido à grande massa de ar movimentada, o motor começa devagar e vai aumentando de rotação até um ponto máximo, quando estabiliza. Alguns modelos recomendam não tocar mais de 3 minutos, para evitar danos à sirene.

A hélice pode ser simples ou dupla (unidirecional ou bidirecional). O modelo duplo tem uma sirene em cada ponta do eixo do motor, que emitem apitos diferentes (da mesma forma que as buzinas duplas) e formam um timbre característico, como 370/660Hz, 480/560Hz, 500/560Hz, 530/580Hz, 586/644Hz, 700/760Hz, dentre outros.

Em modelos omnidirecionais, com o eixo do motor na vertical, cada janela do tambor pode ser acoplada a uma corneta. Nas áreas externas, a sirene é geralmente equipada com um ou mais chapéus de proteção. Para os casos em que não há energia elétrica disponível, existem sirenes tocadas a manivela. No Brasil, marcas conhecidas de sirenes são Engesig [65], Beatek [78] e Rontan [74].

Se você for assistir a um filme antigo, verá que nas décadas de 1960 e 1970 esse tipo de sirene era utilizado pela polícia, com aquele som bem típico:

– UuuuooÓÓÓÓÓÓÓÓóóó…

Devido à simplicidade, facilidade de ligação, eficiência, robustez e baixo custo, a sirene eletromecânica é ainda bastante utilizada. Há modelos que conseguem emitir 150dB a 1m, omnidirecionalmente. A manutenção simples (não requer conhecimentos de eletrônica) e muito rara também pesa na decisão de compra. Sirenes a motor estão presentes, por exemplo, em viaturas, barcos, sistemas de alarmes contra incêndio e naquelas indústrias que precisam destacar os horários da rotina de trabalho.

Você pode simular o mecanismo da sirene, facilmente. Em um disco de alumínio ou plástico, com cerca de 10 cm de diâmetro, faça duas carreiras de furos próximos, com diâmetro de 5mm, por toda a borda. Fure o centro e atarrache ali um parafuso com uns 5cm de comprimento. Prenda uma furadeira na bancada, monte o disco no mandril e coloque-o para girar. Posicione um canudinho de refrigerante perpendicularmente à superfície do disco e bem próximo dos furos. Será possível ouvir diversos tons ao soprar o canudo, conforme a posição dele e a velocidade de rotação.

Cigarras e sinetas elétricas comerciais

Voltamos a falar de barulhos pequenos, como o da incomodativa cigarra elétrica, também conhecida por buzzer…

A principal diferença entre a cigarra elétrica comercial e o Martelo de Wagner, além da falta da sineta, é que ela trabalha somente em corrente alternada.

A cigarra elétrica é um tipo de motor vibratório eletromagnético, pois aproveita a frequência da rede para fazer vibrar a armadura. Em razão disso, não precisa do interruptor vibratório, só do eletroímã e de uma bem ajustada lâmina de ferro doce para produzir o som (fig. 46). Vamos ver porquê.

A rede elétrica doméstica fornece um sinal senoidal na frequência de 50 ou 60 Hz, a depender do país. Cada ciclo da senoide tem dois picos, um positivo e outro negativo (fig. 47). Com isso, o eletroímã da cigarra elétrica atrai a lâmina e logo depois a repele, devido à inversão do fluxo de corrente causada pela alimentação e também pela lentidão das partículas de ferro em mudar sua orientação magnética. Como a atração e repulsão é muito rápida, a lâmina golpeia o núcleo várias vezes por segundo e gera aquele zumbido característico.

Além de proteção, a capa da cigarra elétrica amplifica o som da armadura, cuja vibração a faz golpear o núcleo do eletroímã e tocar na capa. Observe no detalhe da fig. 46 que a parte central da capa plástica da cigarra é um disco apoiado em poucos pontos, bastante próximo da armadura e relativamente livre para vibrar. O vídeo abaixo explica melhor:

A lâmina tem um ajuste para limitar a vibração ou ampliá-la (quando entra em ressonância com a frequência da rede elétrica). A armadura pode ter outros acessórios, como um ímã e um badalo, como veremos nas campainhas de telefones, ou somente o martelo para percutir uma campânula, formando assim a campainha ou sineta elétrica comercial (fig. 48).

Uma curiosidade interessante é a antiga – e robusta – cigarra elétrica com capa de madeira (fig. 49). Era fabricada pela empresa paulista SINORON (Indústria e Comércio de Aparelhos de Sinalização, à rua Cesário Ramalho, Cambuci, São Paulo), que deve ter fechado há muito tempo, porque não consegui nenhuma outra informação, além da caixa do produto em anúncio do Mercado Livre [81].

A carcaça da cigarra Sinoron é feita em madeira de lei e funciona como campânula, pois tanto a armadura quanto o eletroímã estão presos a ela. O núcleo e a armadura ficam bem próximos e batem entre si durante o funcionamento. O som emitido é bastante forte (metal contra metal), mas ainda “macio”, por causa da madeira grossa. É provável que o eletroímã esteja assentado sobre um material flexível, como uma borracha dura. Quando adolescente, estudei em um colégio de Ijuí, RS, que usava essas cigarras e sempre quis saber como é que funcionavam…

A cigarra e a sineta elétricas têm construção simples, são mecanicamente robustas, não geram nem sofrem interferências, trabalham em amplas faixas de temperatura e são imunes a descargas estáticas. Quando posicionadas em um recinto acústico correto, podem ser bastante barulhentas e realmente chamar a atenção.

Em áreas de porte médio, como escolas e empresas, esses dispositivos sonoros podem alertar para os horários a cumprir ou servir de alarme de incêndio. Outros locais, expostos a riscos como alta-tensão, atmosferas inflamáveis, calor extremo, contato com agentes químicos, etc., suscetíveis de acontecer em laboratórios, chão de fábrica, depósitos e etc., nos quais não seja viável instalar os grandes sistemas de sirenes, pode-se usar conjuntos de cigarras ou campainhas elétricas.

Aliás, quem já não ouviu em filmes de ação aquele barulho irritante, quando alguém invade uma área protegida?

– Brrrééééééééééé, brrrééééééééééé, brrrééééééééééé…

A campainha dos telefones de disco

Antes do advento da eletrônica nos telefones, a campainha desses aparelhos era ligeiramente diferente da cigarra elétrica. A fig. 50 mostra uma campainha telefônica, com duas sinetas, chicoteadas por um badalo entre elas (fig. 50).

Acionamento da campainha telefônica: quando o telefone está em espera ou “no gancho”, a linha telefônica tradicional (de par metálico) exibe entre seus dois fios uma tensão perto de -48VCC (o positivo é aterrado). Como a campainha não funciona com tensão contínua (só daria um toque), para excitá-la injeta-se na linha pulsos de 75VCA, com frequência de 25 Hz. Os pulsos desse toque de chamada têm duração de 1s e pausa de 4s. Isso “acorda” a campainha, cujo toque será mais ou menos intenso conforme o ajuste mecânico feito no telefone.

A tensão de toque pode variar entre 40VCA e 95VCA, dependendo da central telefônica e das condições da linha.

Ao levantar o fone do gancho, cessa o toque de chamada, a tensão da linha cai para 8VCC (o circuito se fecha, formando um laço de corrente). Neste momento, circula pela linha uma corrente de 20mA, suficiente para que a rede de telefonia perceba que este aparelho atendeu à ligação e a chamada é completada.

Se não houve toque, ao levantar o gancho o mesmo laço de corrente informa à central que o usuário deseja realizar uma chamada. Imediatamente o aparelho recebe um tom de discagem, que indica que está habilitado para utilizar os serviços da rede [82].

Devido à baixa corrente disponível (que no máximo consegue energizar um pequeno circuito eletrônico de memória e eventualmente um visor LCD), os telefones sem fio ou com secretária eletrônica precisam de fonte de alimentação auxiliar.

Aliás, é possível tomar um choque elétrico, se encostarmos ao mesmo tempo nos fios do par telefônico e se tivermos o azar dessa linha receber naquele instante o toque de chamada. Já trabalhei em linhas que recebiam poucas ligações, mas coincidentemente tomava um peteleco no exato momento de ligar os fios na tomada do telefone. Estas são as pequenas encruzilhadas da vida…

Outro problema, até hoje presente nas linhas de telefonia fixa de par metálico é a oxidação das conexões, seja dentro dos ambientes, nos postes ou nos pontos de distribuição, que podem causar uma grande variação da tensão disponível na linha. Devido a situações muitas vezes incontornáveis a curto prazo, o secular sistema de telefonia foi desenvolvido para ter grande resiliência, ou seja, mesmo sob condições muito ruins ainda é possível estabelecer uma ligação telefônica. Lembro, por exemplo, que pelos anos 1970 era comum ter que GRITAR para sermos ouvidos nas ligações interurbanas!

Então, a campainha dos telefones precisava ser muito sensível, para poder avisar que alguém tentava ligar. E devia tocar alto, porque tinha que ser ouvida de qualquer parte da casa, imagine como era a vida há 50 ou 100 anos. Ajustava-se o volume do toque de acordo com a necessidade, mas não havia o “mudo”: o toque mínimo era discreto, para os casos em que o telefone ficava à mão. O vídeo abaixo mostra isso:

Para explicar melhor como funciona a campainha dos telefones, é preciso conhecer os eletroímãs polarizados (polarized magnets), que são idênticos aos eletroímãs comuns, com a exceção de que a armadura é um ímã permanente, ou então todo o eletroímã é influenciado por um ímã permanente.

A figura 51 mostra duas formas de implementar o eletroímã polarizado: o ímã pode ser pivotado no centro ou numa extremidade. A grande vantagem deste tipo de eletroímã é que a direção do movimento da armadura corresponde à direção da corrente no enrolamento. Então, se a corrente flui através do enrolamento pela direção das setas, a armadura será atraída para a esquerda. Se invertermos a polaridade, a armadura será atraída pelo eletroímã direito e repelida pelo eletroímã esquerdo.

Por isso que a campainha de telefones não funciona com corrente contínua, pois a armadura atracaria em um dos lados. Para podermos distinguir claramente as sinetas (que tocam em tons diferentes), a frequência da corrente alternada do toque de chamada é baixa (25Hz).

É possível testar tais campainhas na bancada, com um transformador que tenha saída entre 24 e 60VCA, mas o toque fica bem mais rápido e confuso, porque a campainha terá que bater na frequência da rede elétrica (50 ou 60Hz).

A presença do ímã permanente aumenta a variação da densidade de fluxo magnético em cerca de 2000 vezes nos eletroímãs polarizados, o que os torna muito mais sensíveis que os eletroímãs não polarizados [82].

A campainha de nosso exemplo usa somente uma bobina, mas era comum os modelos com duas, mais sensíveis ainda. O ímã permanente fica entre os dois polos do eletroímã, abaixo do badalo.

O ímã é fixo e o badalo forma uma gangorra, cujas extremidades sofrem a influência da atração ou da repulsão entre o núcleo bipartido do eletroímã e o ímã, de acordo com a direção da corrente. Nesta configuração, o ímã influencia todo o eletroímã. Fiz um desenho simplificado (fig. 52), onde mostro o funcionamento da magnetização, conforme a polaridade do sinal senoidal. Na fig. 53 a animação mostra o pequeno movimento de gangorra da armadura com o martelo.

Tecnologias semelhantes à da cigarra e campainha

Aqueles pesados e barulhentos aeradores de aquário usam o mesmo princípio da cigarra elétrica comercial: um eletroímã ligado à rede elétrica movimenta a armadura, que está conectada a um diafragma de borracha, que por sua vez comanda duas válvulas, que só abrem num sentido (fig. 54). A chave que aparece no canto inferior direito da figura serve para intercalar o diodo em série com a alimentação e deixa a bomba mais lenta. Para aumentar a eficiência de bombeamento e diminuir o peso, estes aeradores utilizam um ímã como armadura, o que os converte em eletroímãs polarizados.

Esses aeradores podem ser muito úteis na bancada de eletrônica: no blog Okelectronic [84] tem um artigo que relata a substituição da bomba de ar quente de uma estação de retrabalho em SMD, pelo aerador de aquário.

O blog Procrastinatus [85] mostra como fazer para inverter o sentido do aerador, para funcionar como pinça a vácuo para componentes eletrônicos.

Em Orthopods Workbench [86], um artigo detalha o funcionamento interno do aerador, com várias ilustrações para compreender o que precisa ser feito para convertê-lo em bomba de vácuo.

Na prática, é preciso construir uma conexão para o tubo de sucção, na entrada de ar do mecanismo de bombeamento. Observe que não pode entrar sujeira por esse caminho, porque inutilizaria o aparelho. Podemos evitar isso intercalando na tubulação um filtro de papel descartável, como aqueles utilizados em laboratório; um filtro de combustível (fig. 55); ou mesmo inventar um, com vários filtros de cigarros novos.

Para consertar ou melhorar a eficiência de bombeamento do aerador, assista ao vídeo do Youtube na referência [83].

Outro aparelho que utiliza tecnologia semelhante à da cigarra elétrica é aquele cortador de cabelo elétrico (hair clipper) que precisa ser ligado na tomada – não é o modelo que usa motor, mais leve e geralmente a pilhas. A parte móvel (armadura) prolonga-se até uma das serras de corte. A parte fixa tem outra serra, cujos dentes ficam alinhados à serra móvel. Quando corretamente ajustada, a armadura produz um amplo movimento de vaivém, que faz os dentes funcionarem como pequenas tesouras. Esse cortador tem um zumbido bem característico.

Observe a evolução das patentes para este cortador, todas de L. J. Wahl, cujo sobrenome hoje simboliza o mais reconhecido fabricante desses aparelhos. A primeira patente foi depositada em 1919 e atualizada em 1925 e 1941. A última delas lembra muito os atuais cortadores (figs. 56 e 57).

E agora, depois de acumular tanta bagagem informativa, vamos conhecer – finalmente! – a campainha din-dom, que depende da interação do usuário para o seu bom funcionamento.

Campainha de dois tons (din-dom)

Um problema das cigarras e campainhas elétricas é o ruído irritante e contínuo, principalmente quando alguém esquece o dedo no interruptor… A campainha din-dom (ou ding-dong) resolveu isso, os tons dela são elegantes e agradáveis, semelhantes aos de um xilofone ou marimba.

Cada tom é uma placa metálica comprida, cortada para ressoar numa frequência específica. A primeira nota é mais aguda (Si-bemol), seguida pela nota Sol, conforme ensina o youtuber Adriano Aoli [89]. Assim, ouvimos o “din…” quando apertamos o botão e o “dom…” quando aliviamos o dedo.

Os tons ficam suspensos frouxamente em dois pontos por um material macio (geralmente borracha), para poder vibrar. Entre as duas diferentes placas fica um solenoide com núcleo de ar, pelo qual desliza um êmbolo de ferro doce, preso a uma mola. As duas extremidades do êmbolo são plásticas, para percutir adequadamente as notas musicais (figs. 58, 59). Assista ao vídeo da campainha, ao final dele há fotos bastante detalhadas.

O desempenho da campainha din-dom depende de duas características externas a ela: o comportamento típico que temos ao acionar o interruptor da campainha (pressionamos e logo soltamos); e o interruptor da campainha, que tem mola de retorno e portanto impede o acionamento contínuo.

Se dormirmos com o dedo no botão, a campainha ficará zumbindo e ciscando o tom agudo, o enrolamento do solenoide aquecerá demais e a proteção térmica junto da bobina (obrigatória) abrirá, para evitar a queima ou até um incêndio.

A proteção térmica é ligada em série com a bobina e fica amarrada ao enrolamento, para ter maior sensibilidade. Pode ser um fusível térmico, que interrompe definitivamente a conexão e inutiliza a campainha (em modelos antigos era assim); um termostato com lâmina bimetálica, que desliga a bobina a partir de determinada temperatura e quando esfria volta a funcionar (igual aos secadores de cabelo); ou um resistor PTC (Positive Temperature Coefficient = Coeficiente de Temperatura Positivo), que aumenta sua resistência conforme a temperatura se eleva. Esse resistor PTC é também conhecido por fusível rearmável ou polyswitch (marca da Littelfuse [90]).

O problema da bobina ficar muito tempo ligada é que, invariavelmente, ela costuma estragar, porque as perdas magnéticas são elevadas e transformam-se em calor. Esse calor aumenta rapidamente, dissolve o esmalte do finíssimo fio do enrolamento e coloca as espiras em curto-circuito.

Se você tem guardada uma campainha dessas e pensa um dia em consertá-la, esqueça: terá que reenrolar a bobina (se conseguir o fio) e instalar outro interruptor térmico. Só vale a pena por hobby, é mais vantajoso transformá-la em brinquedo para as crianças…

Para diminuir o zumbido, modelos mais elaborados são montados com um anel de cobre no interior do núcleo, preso a uma das extremidades do carretel da bobina. O anel causa um desvio do fluxo magnético, característica chamada de polo sombreado. Para mais informações, leia o artigo na página Engineers Garage [91], que demonstra (em inglês) o funcionamento dessas campainhas.

Leia também meu texto sobre os motores de indução, AQUI no Dicas do Zébio, especialmente a seção onde explico, em texto e vídeo, os motores de polo sombreado. Nesta campainha que inspecionei não encontrei esse anel de cobre e ela zumbe bastante, como se pode ver no vídeo demonstrativo.

Funcionamento da campainha din-dom: inicialmente, com ela desligada, o êmbolo (armadura) fica perto da lâmina maior, mas não a toca. Ao ligar a campainha, a atração magnética faz o êmbolo atravessar o solenoide e percutir violentamente a nota mais aguda, que fica na posição oposta. O êmbolo volta um pouco, devido à pressão da mola e permite a livre vibração da lâmina. Nesse meio tempo, a pessoa tira o dedo do botão da campainha. Cessa o fluxo de corrente na bobina, a mola fica livre e obriga o êmbolo a voltar rapidamente. Ele bate na segunda nota e volta para a posição de repouso, o que estica o tempo do tom grave.

Observe no vídeo que somente bater nas notas não é suficiente para que o som fique alto, há necessidade da capa plástica, que ressoa e amplifica as vibrações. E ao contrário da cigarra elétrica, as lâminas não batem na carcaça.

A sirene eletrônica

Pode-se chamar de sirene eletrônica (ou campainha eletrônica) todo dispositivo sonoro de alerta que tem um circuito capaz de gerar tons complexos e até mesmo de imitar as sirenes, buzinas e campainhas tradicionais. O circuito de acionamento tem um oscilador (ou microcontrolador), acoplado a um amplificador, cujo sinal é levado a um transdutor.

Já sabemos que existem sirenes eletrônicas de alto desempenho e confiabilidade, para ambientes hostis e que podem equipar embarcações pequenas, indústrias ou sistemas de alerta contra desastres. Agora, nosso foco será nas pequenas sirenes eletrônicas de corpo plástico, utilizadas em sistemas domésticos de alarme contra invasão ou incêndio e como alerta de ré em caminhões, ônibus e máquinas operatrizes (fig. 60).

As sirenes eletrônicas plásticas são completas, só precisam da tensão de alimentação para funcionar. Podem operar com corrente contínua (geralmente a partir de 6VCC) ou, conforme o modelo, na rede elétrica convencional. Trazem embutido o circuito de acionamento, o transdutor e seu corpo tem o formato otimizado para aumentar a dispersão sonora. Devido ao pequeno tamanho, não são adequadas para emitir mensagens de voz.

No entanto, o transdutor muda conforme o tipo e potência da sirene. Há modelos um pouco maiores, que usam a corneta com um driver de compressão magnético. Neste caso, o sistema de amplificação pode permitir, além dos sinais de alerta, a emissão de mensagens de voz, com qualidade sofrível. É o caso das modernas sirenes de viaturas policiais.

Em vez de alto-falante ou driver magnético, o transdutor das pequenas sirenes é um cristal piezoelétrico, colado a uma membrana flexível (diafragma, geralmente de policarbonato), que forma com o corpo plástico uma câmara de compressão (fig. 61). Apesar de eficiente, o cristal piezoelétrico não consegue fazer movimentos tão amplos quanto o diafragma dos modelos magnéticos, o que limita a potência admissível e a emissão de baixas frequências. Nessas sirenes pode ou não existir corneta, depende do alcance estipulado pelo fabricante.

Observe que o tamanho da sirene limita diretamente o território abrangido, porque em acústica, tamanho é documento. Quanto maior a boca da sirene, mais baixas são as frequências possíveis de emitir e maior o alcance. Pequenas sirenes, portanto, são melhores para locais com bastante vizinhança, porque é apenas ali que o alarme será ouvido.

Aliás, é a comunicação constante entre vizinhos que aumenta a segurança de um bairro, porque a contratação de um vigia, além de ser um trabalho enfadonho e desumano (pense nos dias frios), concentra em pessoas financeiramente frágeis todas as informações de horários e hábitos dos moradores.

Muitas vezes o som das pequenas sirenes parece diferente quando as ouvimos de longe ou de perto. É por causa do “sumiço” das frequências altas, que são absorvidas facilmente pelos obstáculos. Quanto mais baixa é a frequência, maior é o comprimento de onda, por isso as frequências graves conseguem contornar esses empecilhos.

Vamos considerar a velocidade do som de 346m/s a 25°C (ela aumenta com a temperatura) para calcular o comprimento de onda λ=c/f (lambda = velocidade dividida pela frequência). Uma frequência de 500 Hz, por exemplo, medirá aproximadamente 69cm, enquanto que uma frequência de 50 Hz terá 6,9 metros! E uma frequência de 5Khz medirá 6,9cm. Observe que o vento também desvia bastante qualquer som, especialmente das frequências mais altas.

Circuitos práticos de sirenes eletrônicas

Você pode montar sua sirene eletrônica no corpo de uma antiga, cujo som seja irritante, ou mesmo comprar um driver magnético, usado em áudio profissional, como o Selenium/JBL D200 (50W), DT160 PRO (60W) ou D250X (100W), acoplado a uma corneta reta circular de 25cm como a HL14-25, da mesma marca. São componentes de alta eficiência e o encaixe entre eles é padronizado (rosca de 25mm). Isso permite usar outras marcas de corneta (Ludovico, Bomber, Fiamon) e drivers, como Eros EFD-300 (100W) ou Hinor HD300 (100W).

Alto-falantes e drivers magnéticos têm baixa impedância, tipicamente 4 a 8 ohm. Cristais piezoelétricos têm impedância bem maior e comportam-se como capacitores, por isso o circuito de amplificação muda conforme o transdutor utilizado.

Na fig. 62 temos o diagrama esquemático da sirene eletrônica comercial da fig. 61. O som é parecido com um apito, cuja frequência varia constantemente entre dois extremos, mais ou menos assim:

– Uííuuííuuííuuííuuííuuíí…

Pelas características da pastilha piezoelétrica, seria possível transformar esse circuito em sirene ultrassônica, para adestrar cães, por exemplo. Tentei alterar, mas isso causou superaquecimento dos transistores, provavelmente devido ao efeito de saturação do indutor de saída. Com núcleo de ferrite talvez o problema seja resolvido (se alguém quiser experimentar, fica a dica).

Como alternativa para aqueles que desejarem montar algo parecido, na fig. 63 temos um interessante circuito do canadense Stepan Novotill [96], o “Ultrasonic Pest Repeller” (Repelente de pragas ultrassônico). O sinal de saída deve ser potente, pois é fornecido por uma ponte H de transistores a um tweeter piezoelétrico. Há uma chave para escolher o tipo de som. Não sei se espanta (como diz) aranhas, aves, baratas, carrapatos, esquilos, guaxinins, morcegos, mosquitos, percevejos, piolhos, pulgas e ratos, mas os cachorros ouvem, com certeza. Pode-se tentar disciplinar a vizinhança, para controlar aquele incômodo festerê canino em certas horas…

Trabalhei numa empresa que tinha um repelente ultrassônico no depósito, para evitar ratos. Ligavam-no à noite, nos feriados e finais de semana. Havia duas cornetas e uma enorme etiqueta, que indicava claramente a proibição de ficar no recinto com ele em funcionamento. Hoje, encontramos esses aparelhos à venda com a recomendação de instalar em pátios e até dentro de casa…

Observe que os ultrassons não são percebidos por humanos, para saber se funciona será preciso observar o sinal de saída com um osciloscópio (o ideal seria um analisador de espectro e microfone ultrassônico, bastante caros). É importante saber que tais sonorizadores são de uso eventual e não podem ficar ligados todo o tempo, ainda mais perto de pessoas, porque isso tenderá a causar problemas como dor de cabeça ou perda auditiva. Afinal, não é porque não ouvimos ultrassons que não sofreremos os efeitos da exposição.

Comentei há pouco que as altas frequências são ouvidas só de perto, não alcançam longas distâncias porque são absorvidas ou dispersam-se pelo ar. Há modelos ultrassônicos alimentados a pilhas que alegam cobrir 200 metros, o que certamente é um exagero.

Publicado na famosa revista Elektor (edição inglesa) de julho de 2003, tem um circuito de Ludwig Libertin, capaz de emitir sons de bombeiros, polícia e ambulância (dos EUA), escolhidos por uma chave. É possível aumentar a potência de saída conforme o alto-falante ou driver utilizado. Para quem não é assinante da revista, o esquema e um resumo do artigo foram publicados em Circuits Diagram [97], com o título Simple US-Style Siren Circuit.

No Homemade Circuit Projects [98], tem outras 5 montagens de sirenes eletrônicas, uma delas com Arduino. E a página Discover Circuits [99] oferece dezenas de esquemas de sirenes, alguns bem interessantes de montar, como o circuito criado por Dave Johnson (3v Sweeping Siren Alarm).

Em Eletronics for you (Electronicsforu) [100] há MUITOS projetos interessantes, para diversas áreas e com vários níveis de complexidade. Tem dicas até para montar um drone, além do circuito de sirene de múltiplos tons (Multitone siren), com CI 4060, que pode emitir ultrassons até 5MHz (fig. 64). Só que isso depende do amplificador de saída, já que os circuitos integrados sugeridos mal chegam a 100KHz (originalmente é o LM386, que pode ser trocado por TBA810 ou TDA1010, este último é comum em saídas de som de televisores).

De ElecCircuit [101] vem o esquema de uma sirene potente, com integrado CMOS 40106 (seis inversores schmitt-trigger) e saída em ponte com transistores TIP31/32. Talvez fosse interessante utilizar a porta inversora ociosa em paralelo com aquela ligada na base de Q1 (pinos 1 e 2 do CI), de modo a aumentar a corrente de polarização disponível e evitar sobrecarga do integrado. A mesma página tem dois interessantes artigos sobre osciladores: “4011 Tone Generator circuit projects” e “How Astable Multivibrator using Logic Gates work”, úteis para diversos experimentos.

A página Aurenlienr [102] (em francês) é muito antiga e conta com um interessante circuito de sirene, inclusive com o projeto da placa de circuito impresso (fig. 65).

Esses circuitos de sirenes são apenas sugestões, não testei nenhum deles, o único que vi em funcionamento foi a sirene comercial da fig. 62. Para evitar alguma indisponibilidade das páginas web citadas, juntei esses e vários outros esquemas em um arquivo pdf, que você poderá baixar DAQUI. Também foram gravadas as respectivas páginas dos circuitos, mas elas podem estar truncadas, devido à impossibilidade dos navegadores gerarem um arquivo pdf sempre visualmente correto. Esses diagramas podem ajudar na compreensão do comportamento dos osciladores, através da alteração dos valores de alguns componentes, para personalizar o toque.

A personalização da sirene é útil em locais com muitos sistemas de alarme, porque um som diferenciado facilita a identificação de sua origem.

ATENÇÃO: Montar em veículo particular uma sirene que toca de modo semelhante às utilizadas pela polícia, bombeiros e ambulâncias é proibido por lei e pode resultar em multa e apreensão do veículo (art. 229 do Código de Trânsito Brasileiro). Este tipo de sirene precisa de autorização do Detran para usar e o veículo deve estar claramente identificado para a sua função.

Bom proveito e até a terceira e última parte!

## Parte 1

## Parte 3 – final

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