micrófonos - Universidad de Buenos Aires
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MICRÓFONOS Micrófono: Transductor que vincula el universo acústico con el eléctrico El Teléfono de Reis (1860) En realidad fue un fracaso. Después de su muerte se estableció que los “contactos pobres” podían ser el principio de funcionamiento de un micrófono. La idea de Reis sentaba el principio básico de todo micrófono, una membrana que vibra con la presión sonora, estableciendo el vínculo entre el universo acústico y mecánico. La diferencia entre los principios de funcionamiento de los micrófonos radica en el método de transducción entre el universo mecánico y eléctrico. La idea de Reis era inviable por que se basaba en la apertura y cierre del contacto actuado por el desplazamiento de la membrana y no en la proporcionalidad de la resistencia con la presión Micrófono Magnético de Bell (1875) El método de transducción era por reluctancia variable debido a la modificación de un entrehierro por la acción del diafragma. La variación del campo en el circuito magnético que contenía un imán permanente, inducía una f.e.m. en el solenoide. La señal producida era muy pequeña para accionar satisfactoriamente un dispositivo receptor sin amplificación electrónica. Micrófono con Transductor Líquido de Bell (1876). El método de transducción consistía en un electrodo inmerso en agua acidulada para establecer una conducción eléctrica. La resistencia varía con la profundidad de inmersión del electrodo solidario al diafragma y por ende con el desplazamiento producido por la onda de presión sonora. Este dispositivo tampoco podía entregar un nivel adecuado de señal, por lo que la telefonía se desarrolló posteriormente con el micrófono de carbón de Edison Detalle del Recipiente del Transductor Líquido Micrófono de Carbón Fue desarrollado por Edison en 1876. El sistema transductor consiste en un receptáculo que contiene gránulos de carbón (grafito) entre dos electrodos denominado botón. Uno de los electrodos está en contacto mecánico y eléctrico con el diafragma metálico. El desplazamiento del diafragma modifica la presión de contacto entre los gránulos y en consecuencia la resistencia entre los electrodos. Micrófono de carbón de botón simple Micrófono de Carbón Para uso Telefónico El diafragma de la cápsula suele estar protegido por una cubierta plástica para bloquear la humedad. Cuando las cápsulas de carbón se humedecen se tornan ruidosas, pero este efecto se puede revertir aplicando calor. Los micrófonos de carbón para usos corrientes están dotados de un solo botón. Polarización del Micrófono de Carbón con un Transformador La tensión aplicada por la batería establece una corriente en el primario del transformador determinada por la resistencia del botón. La variación del la resistencia del botón a causa de la presión sonora incidente, modula la corriente circulante por el primario del transformador en forma análoga. Sobre el secundario se toma la señal de audio libre de componente de continua. Antiguos Micrófonos de Carbón Para Uso Militar de Botón Simple Micrófono de Carbón de Botón Doble El micrófono de carbón en los tiempos iniciales del audio a principios del siglo XX, era el único disponible y muy lejos de calificar como HI FI (si bien no existía este concepto). Cuando se requería una prestación superior, como para radiodifusión, se usaban los micrófonos con doble botón. Micrófono de carbón Western Electric 387(1915) con doble botón. Entrega una señal simétrica lo que permite la cancelación de armónicas pares. Micrófono de Carbón Western Electric 387 Micrófono Western Electric 387, Suspendido en su Arnés con Resortes Polarización de un Micrófono con Doble Botón con un Transformador La batería, al igual que en el caso del botón simple, establece una corriente en el primario del transformador determinada por la resistencia de los botones en paralelo. Por ser opuesta la acción del diafragma sobre los botones, la señales obtenidas está desfasadas en 180º. La suma de estas señales en el primario del transformador produce la cancelación de armónicas pares reduciendo la distorsión armónica total. Características Generales de los Micrófonos de Carbón Favorables: - Gran resistencia al maltrato mecánico - Alta confiabilidad - Alta sensibilidad - Reversibilidad de las fallas por humedad - Baja impedancia de salida - Bajo costo Desfavorables: - Alta distorsión armónica - Alto nivel de ruido propio (ruido flicker) - Repuesta en frecuencia restringida al rango vocal En la actualidad se siguen utilizando donde la robustez y confiabilidad son prioritarias, como en aplicaciones de telefonía, militares, aeronáuticas y seguridad. Micrófonos Piezoeléctricos Los materiales piezoeléctricos producen un desplazamiento de cargas cuando son deformados mecánicamente. El fenómeno piezoeléctrico es reversible. Uno de los primeros materiales piezoeléctricos fue la sal de Rochelle, sumamente sensible a la humedad. Actualmente existen cerámicas piezoeléctricas como el titanato de bario utilizadas en transductores altamente confiables. Micrófono a Cristal o Piezoeléctrico Data de 1931. En este caso el transductor del universo mecánico al eléctrico es un cristal piezoeléctrico deformado por el diafragma. El amplificador que recibe la señal de un micrófono a cristal debe tener una alta impedancia de entrada, (mayor que 1 MOhm) como la ofrecida por los equipos valvulares de la época. Micrófono a Cristal para Comunicaciones Astatic (vintage) y su Respuesta en Frecuencia Hay que tener en cuenta que el diafragma para poder deformar al cristal debe de ser bastante duro, generalmente de aluminio. Esto implica masa, lo que compromete la respuesta en altas frecuencias y la frecuencia de resonancia será alta lo que limita la parte baja del espectro. No califica como Hi Fi. Micrófonos Piezoeléctricos de Contacto Mas acertadamente se trata de un sensor de vibración puesto que toma las vibraciones directamente del cuerpo o del puente del instrumento. De hecho el resultado acústico no es el mismo que el producido por la caja del instrumento. Características Generales de los Micrófonos Piezoeléctricos (en la actualidad con piezocerámicas) Favorables: - Relativamente resistentes al maltrato mecánico - Relativamente confiables - Alta sensibilidad - Bajo costo Desfavorables: - Alta distorsión armónica - Alto nivel de ruido propio (debido a la alta impedancia de generador) - Repuesta en frecuencia restringida al rango vocal, levemente mejorada en el extremo superior del espectro con respecto al de carbón - Los primitivos con sal de Rochelle eran sumamente sensibles a la humedad En la actualidad destinados como micrófonos para armónica, caja de instrumentos, sensores de vibración y laringófonos. Ley de Faraday Lenz Es conveniente recordar esta ley física antes de analizar los dispositivos dinámicos. Un conductor que corta líneas de campo genera entre sus extremos una fuerza electromotriz inducida proporcional a la velocidad con que se desplaza. El sentido de la corriente circulante sale del producto vectorial entre la velocidad y el campo magnético. Micrófono Dinámico En la parte central del corte hay un imán permanente que con la ayuda de las piezas polares establece un campo magnético en un entrehierro circular. En este campo está inmersa una bobina solidaria al diafragma. Este la pone en movimiento por la incidencia de la presión sonora cortando líneas de campo, lo que da por resultado una f.e.m. proporcional a la velocidad. Aspecto Constructivo de una Cápsula de Micrófono Dinámico En un micrófono dinámico se puede reducir la masa móvil y utilizar un diafragma blando para bajar la frecuencia de resonancia, lo que permite extender la respuesta en frecuencia. Micrófonos Dinámicos Clásicos Americanos Los micrófonos dinámicos son diseñados para múltiples propósitos, siendo algunos diseños capaces de entrar en el dominio de la alta fidelidad. El Shure SM55, un Clásico para Voces Desde los Cincuentas Dos Clásicos mas Modernos de Shure y sus Respuestas en Frecuencia. Se hace evidente que el límite superior presenta una caída prematura. AKG D112, la Opción para el Bombo por su Tolerancia a Los Altos Niveles de Presión Sonora Características Generales de los Micrófonos Dinámicos En términos generales: - Relativa resistencia al maltrato mecánico (dependiente del diseño) - Relativa confiabilidad (dependiente del diseño) - Relativa resistencia a la humedad a largo plazo - Baja impedancia de salida, adaptable con transformador - Distorsión armónica razonablemente baja (dependiente del diseño) - Bajo nivel de ruido propio (baja impedancia de generador) - Muy buena respuesta en frecuencia (dependiente del diseño) - Costo dependiente de la sofisticación del diseño de acuerdo al propósito Como punto desfavorable se puede mencionar una sensibilidad baja con respecto a los otros tipos de micrófonos En la actualidad se usan en radiodifusión, comunicaciones, sistemas de llamados, sonido en vivo y estudios de grabación. Micrófono de Cinta o de Velocidad En este caso el diafragma es el elemento transductor entre el universo mecánico y el eléctrico. Está construido con una cinta de aluminio corrugada inmersa en un campo magnético. Con el clásico tipo de construcción mostrado en la figura, a diferencia de un diafragma convencional cerrado (sensible a la presión) la cinta es sensible a la diferencia de presión entre sus caras, o al gradiente de presión. La cinta conductora corta líneas de campo generado una f.e.m. proporcional a la velocidad. Aspecto Constructivo de un Micrófono de Cinta A diferencia de los micrófonos dinámicos en donde la bobina móvil tiene varias vueltas inmersas en el campo magnético, la cinta es un único conductor en el que se induce la f.e.m por lo que la tensión de salida es muy baja. Esto hace necesario el uso de un transformador de adaptación. Presentan una peculiaridad llamada efecto de proximidad, que consiste en el refuerzo de frecuencias bajas cuando la fuente de sonido está muy cercana. Los Micrófonos de Cinta son Sensibles al Viento No son aptos para exteriores, por que una velocidad de aire excesiva deforma la cinta irreversiblemente. Hablar sobre el micrófono puede producir el mismo efecto, por lo que se introducen protecciones adecuadas. Afortunadamente la reparación es sencilla (pero en algunos casos cara) y también hay cintas para los modelos “vintage”. Micrófonos Clásicos de Cinta Micrófono RCA 44B (1931) Estos primitivos modelos de RCA fueron el acceso serio a la alta fidelidad. En la actualidad siguen siendo utilizados en muchos estudios. Patrón Direccional del RCA44 El formato constructivo mostrado hasta el momento, con una sola cinta, posee un patrón direccional en forma de ocho. Era muy conveniente para utilizar en los estudios de radiodifusión donde dos locutores hablaban enfrentados a cada lado del micrófono. RCA BK5B (1954) En este micrófono la cinta se confina en un receptáculo con aperturas que da por resultado un patrón direccional cardioide. La cámara detrás de la cinta está llena de material absorbente para amortiguar la resonancia. RCA77B, con Directividad Variable El RCA77B combina la señal de una cinta sensible a la presión y otra sensible a la velocidad para conformar múltiples patrones de directividad. Características Generales de los Micrófonos de Cinta Favorables: - Excelente respuesta en frecuencia - Muy baja distorsión armónica - Baja impedancia de salida - Bajo costo de fabricación - Las cintas se reparan con facilidad (en manos expertas) Desfavorables: - Baja sensibilidad. Requiere de un preamplificador de muy bajo ruido - Bajo nivel de ruido propio (baja impedancia de fuente) - Sumamente sensibles al viento - No resiste el maltrato mecánico Es un micrófono para estudio por naturaleza. Micrófono a Condensador En el micrófono a condensador el diafragma funciona en condiciones prácticamente ideales, puesto que no hay nada adosado a el. La única condición que debe cumplir es la de ser conductor para actuar como la placa móvil de un condensador conformado con la placa trasera. El condensador se carga con una fuente externa, debiendo permanecer la carga acumulada constante durante la operación del micrófono. La capacidad del condensador es: S C = ε 0. d La acción de la presión sonora incidente sobre el diafragma produce una variación de la distancia entre placas variando la capacidad. Además: C= Q Q Q ⇒ V = ⇒ ΔV = V C ΔC De lo que se infiere, haciendo una simplificación extrema, que una variación de la distancia entre placas debida a la presión sonora da como resultado una variación de tensión entre las placas del condensador (señal de audio). La deducción de la relación entre la presión sonora y la tensión resultante es sumamente tediosa y concluye en que realmente existe una relación cuadrática. Pero a excursiones pequeñas producidas por niveles de SPL razonables la alinealidad es irrelevante. El micrófono a condensador ofrece la mejor performance de todas las opciones y es el tipo apropiado para instrumentación. Cápsulas Microfónicas de Instrumentación Brüel & Kjaer 4144 y 4192 Las cápsulas de instrumentación son intercambiables sobre un mismo cuerpo de micrófono, que le suministra la polarización y contiene el preamplificador. Cápsula Bruel & Kjaer 4144 en un Cuerpo de Micrófono Preamplificador Interno del Cuerpo de Micrófono Cápsula Neumann K870 En muchas cápsulas de micrófono para estudio el diafragma es de Mylar, al que se lo hace conductivo en el área deseada mediante un proceso de deposición de oro. Las partes aislantes son de Teflon por que no absorbe la humedad, de lo contrario se producirían pérdidas dando lugar a un funcionamiento ruidoso. Micrófonos a Condensador de Neumann Preamplificador Convencional con Transformador Para que la carga acumulada se mantenga constante, la resistencia de polarización y la de entrada del preamplificador deben de ser elevadas (1Gohm). La cápsula no se puede conectar mediante cables largos puesto que la capacidad de estos es comparable. Por esto el preamplificador debe estar dentro del mismo cuerpo del micrófono y requiere alimentación externa suministrada por la consola (phantom power). Etapa de Entrada Dispuesta Como Inversor de Fase Para eliminar el controversial transformador, se puede generar una salida balanceada o simétrica electrónicamente desde el mismo preamplificador. Esto requiere posterior ganancia de corriente para excitar a la línea balanceada. La tensión de polarización se genera mediante un conversor de cc a cc alimentado por la fuente phantom. Neumann CMV3 “The Bottle” (1928) y el Interior de su Preamplificador Un diseño que marcó los lineamientos de los micrófonos actuales. Diseño con Preamplificador de Estado Sólido Patrones Direccionales de Captación de los Micrófonos Patrones Direccionales de Captación de los Micrófonos La conmutación de la fase con la que se suma la señal de dos cápsulas, permite obtener patrones de directividad variables. La simplicidad del circuito no garantiza un nivel de distorsión inferior al de la cápsula, lo que introduce “color” al sonido registrado, en algunos casos un efecto buscado y en otros ignorado. Neumann U87, Uno de los Micrófonos de Estudio Mas Preciados Los gráficos de respuesta en frecuencia revelan extremos poco planos para las posibilidades de un micrófono a condensador. El refuerzo en altas frecuencias produce un sonido brillante, aunque no sea plano hasta 20 KHz. Si el evento a grabar demanda cubrir hasta la zona de 20 Hz será necesario recurrir al refuerzo por medios electrónicos para asegurar una respuesta plana. Cámara Anecoica de Neumann en 1930 AKG C414, Otro Diseño que Perdura en el Tiempo con Algunas Mejoras Para todos los diagramas polares, la respuesta en frecuencia es razonablemente plana y alcanza los extremos del espectro de audio sin caídas prematuras. Micrófonos de Electret Los micrófonos de electret no requieren polarización externa puesto que este material, con el que está construido el diafragma, tiene la propiedad de almacenar cargas de modo permanente. Es un polímero sometido a un campo eléctrico durante el proceso de fabricación. El funcionamiento es exactamente igual al de los micrófonos a condensador convencionales. Cápsulas con Electret para Aplicaciones Generales Algunos diseños ofrecen una respuesta lo suficientemente plana como para oficiar de micrófono de instrumentación, pero el electret pierde su carga lentamente en función del tiempo, lo que hace disminuir la sensibilidad. Las cápsulas con electret por su bajo costo y excelente performance han desplazado a los micrófonos de carbón en telefonía y a los dinámicos en grabadores y equipos de comunicación. El Shure SM81 es un micrófono de estudio resultante del perfeccionamiento de las cápsulas con electret. La respuesta en frecuencia es tan buena como la de un micrófono con tensión de polarización. El punto débil consiste en que la carga disponible no es tan grande como la que se puede acumular con polarización externa, lo que compromete en cierto grado la relación señal ruido. Características Generales de los Micrófonos de Condensador Favorables: - Excelente respuesta en frecuencia - Muy baja distorsión armónica - Alta sensibilidad - Baja impedancia de salida (debido al preamplificador interno) Desfavorables: - En general los de diafragma grande no toleran alta presión sonora - Necesitan alimentación externa (fuente phantom) - Los diafragmas de Mylar aureado tienen duración limitada. - Sensibles a la humedad a corto plazo y a largo plazo - Alto costo Son la opción obligada de alta calidad para estudios y dispositivos de medición. Aplicaciones Especiales de los Micrófonos Micrófonos de Garganta o Laringófonos Se utilizan donde el ruido ambiente es excesivo, como en aviones de combate, helicópteros, tanques y actualmente en grupos comando, donde es necesario emitir información en voz baja. Salieron del ámbito militar para poder establecer comunicaciones en exteriores con viento y en ambientes ruidosos. Es básicamente un sensor de vibración, puede se piezoeléctrico o dinámico. Laringófono con conexión Bluetooth Aplicaciones Especiales de los Micrófonos Micrófonos Para Equipos de Comunicaciones En muchos casos se diseñan cápsulas con respuesta en frecuencia intencionalmente restringida al rango vocal, especialmente las dinámicas, puesto que las de carbón están inherentemente limitadas. Micrófono de palma con cápsula electret Micrófonos con cápsula dinámica de rango restringido Microteléfono o “handset” militar con cápsula de carbón Aplicaciones Especiales de los Micrófonos Micrófonos PZM (Preassure Zone Microphone) “Comb Filter” generado por la reflexión de la señal acústica sobre una superficie. Aplicaciones Especiales de los Micrófonos Micrófonos PZM (Preassure Zone Microphone) Los micrófonos PZM Impiden la formación del “Comb Filter”. Aplicaciones Especiales de los Micrófonos Micrófonos PZM (Preassure Zone Microphone) Micrófonos PZM de Crown, mono y estéreo. Ley de Hopkinson Analogía Eléctrica de los Circuitos Magnéticos Fmm = φ .R R= R = Reluctancia L μ0 . μ r . S L = Longitud del circuito magnético S = Sección del circuito magnético (Equivalente a Resistencia) Fmm = Fuerza Magnetonotriz = NxI (Equivalente a Tensión) Ø = Flujo de B (Equivalente a Corriente) “Pick Ups” Para Guitarra o Bajo Es un captor magnético que funciona por la variación de reluctancia que produce el movimiento de la cuerda que vibra frenta a un iman permanente. Los imanes permanentes están dentro de una bobina en la que la variación del campo produce una f.e.m. acorde a la vibración de la cuerda. Hidrófonos Son básicamente transductores piezoeléctricos de presión diseñados para cubrir rangos de frecuencias entre 0.1 Hz y 80 KHz de acuerdo a su aplicación. Se utilizan para detección de submarinos o barcos en superficie, monitoréo de actividad volcánica, sensores de cavitación, sistemas de sonar, ecozondas, etc. Los destinados para funcionar a grandes profundidades requieren de un preamplificador incorporado. Especificaciones Respuesta en frecuencia Especificaciones Ruido propio También conocido como nivel de ruido equivalente, su valor se mide en dBA, o de acuerdo a la norma CCIR 468-1 en dB. Indica el nivel de presión sonora que produciría en un micrófono ideal sin ruido, la tensión de ruido generada por el micrófono real en un ambiente anecoico. •Un buen valor es 15 dBA o 30 dB respectivamente. Especificaciones Sensibilidad Mide la eficiencia como transductor del micrófono. Se mide en mV/Pa o dBV/microbar. Según la norma IEC 268-4, la sensibilidad se mide en mV por Pascal a 1 kHz (midiendo micrófonos hasta 250 Hz). Como una alternativa, la tradición americana mensura la sensibilidad en dB relativo a 1V/Pa que dará un valor negativo. Especificaciones Máximo nivel de presión sonora Se mide para un nivel de distorsión especificado. Un nivel normalmente usado de THD es 0,5% (también se usa 1% ).
