5Transductores Microfono

5. Transductores. Micrófonos.
Los micrófonos son transductores que
convierten señal acústica en señal eléctrica.
5.1
Características Básicas
Sensibilidad HM = |e| / |p|
ó en dBs
HM(dB) = 20.log(|e|/|p|) =
HM(dB) = 20.log(HM / Href)
Href = 1V/Pa
También se suele dar en mV/µbar
ó en dBs referidos a1V/µbar
Directividad
Cociente de la tensión en voltios en
circuito abierto en bornas de micrófono
entre la presión sonora que la produce.
Se suele dar a 250 Hz ó a 1 KHz
según fabricantes
D = Sensibilidad Máxima / Sensibilidad promedio
Factor direccional. Patrón de emisión (ver 5.2 Tipos de micrófonos según su
directividad).
Respuesta en frecuencias
Impedancia
Nivel de ruido
Margen dinámico
Distorsión, TDH = Distorsión armónica Total
Comportamiento ante humedad, campos magnéticos, vibración, presión ambiental,
temperatura, sol,...
5.2
Tipos de micrófonos según su directividad
De presión – omnidireccional
Un recinto cerrado por una membrana es sensible a la
presión, cambia de volumen en función de la
presión del aire circundante. Si es pequeño
comparado con la longitud de onda (y lo será
porque nos interesa que el micrófono mida el
sonido en un punto) su factor direccional es el de una fuente
simple (equivalente a una fuente esférica), es decir,
omnidireccional. Micrófonos y altavoces son recíprocos, igual
geometría igual direccionalidad. F=kte
De velocidad – bidireccional
Si la membrana está libre por ambos lados no se mueve por
la presión en una de sus caras sino por la
diferencia de presión entre sus caras. La
derivada de la presión es la velocidad. La
membrana, que además es pequeña y ligera, se mueve
conjuntamente con el aire circundante.
Su direccionalidad es igual que la de un altavoz sin caja,
asimilable a un doblete acústico F = ksd⋅p⋅cosφ
Cardioide – F = a⋅½⋅(1+cosφ)
Sumando la respuesta de un micrófono de presión y otro de
velocidad se obtiene una respuesta con
forma cardioide, máxima delante y nula
detrás. Esta suma se podría hacer usando
dos micrófonos distintos ó mejor fabricando
uno que tenga en parte un recinto que haga que la
membrana responda a la presión frontal pero que tenga
algún orificio para que entre también presión a la cara
posterior, atenuada en la medida adecuada.
Hipercardioide –F = a⋅½⋅(1+3⋅cosφ)
Supercaridoide – F = a⋅(0’37+0’63⋅cosφ)
Para diferentes ajustes de la relación entre presión
frontal y trasera se obtienen factores direccionales más
estrechos a costa de un lóbulo trasero no nulo
El diseño del camino acústico, con cavidades que dan
compliancia (elasticidad), conductos que dan inertancia
(masa, inercia) y poros que dan resistencia, permite
además ajustar la respuesta frecuencial del sistema
para intentar que combinado con la respuesta mecánica de la membrana móvil (masa,
elasticidad, amortiguación) sea plana. Esto es muy útil en los micrófonos de bobina móvil
ya que la frecuencia de resonancia mecánica suele estar dentro de la banda de trabajo.
El circuito acústico permite añadir un cero a esa misma frecuencia.
En aplicaciones en que se requiere gran directividad se utilizan otras configuraciones
más directivas:
Parábola: muy directiva, “mucho trasto”
Array de disparo en el extremo y
micrófono rifle (ver tema 2.2): un array de
N fuentes (ó micrófonos) desfasadas justo
lo que tarda el sonido en llegar de una a
otra enfoca en la dirección del eje, más
cuanto mayor sea N. En lugar de usar N
micrófonos y sumar sus señales eléctricas
se usa un sólo micrófono al que llegan
sumadas las ondas que han entrado por
orificios en un tubo largo. La distancia recorrida por el sonido desde una fuente hasta el
diafrágma del micro a través de diferentes orificios es distinta por lo que se suman con
fases distintas y queda debilitado, excepto si viene de frente en cuyo caso todos los
caminos tienen igual distancia y la suma es máxima.
Matriz. Si disponemos de esos N micrófonos podemos elegir el ángulo en que se enfoca
variando el desfase de cada señal antes de sumarlas. Con una matriz podemos elegir
los dos ángulos, la dirección. Además con el mismo conjunto de micrófonos podemos
obtener simultáneamente las señales enfocadas a diferentes ángulos.
Interferometría laser. Mediante láser se pueden medir desplazamientos minúsculos de
una superficie que puede estar muy alejada.
5.3
Tipos de micrófonos según su tecnología
Carbón
Una cavidad con granulos de carbón (grafito ó
antracita) que son comprimidos por el
desplazamiento de un vástago unido
h ⋅y
al diafragma. La resistencia del carbón
varía en función de la compresión. No
genera energía, se aplica una tensión
Ro≈200Ω
para que la corriente que circula varíe
en función de la variación de resistencia.
Eo
Bajo costo. Durabilidad. Baja fidelidad.
La resistencia depende del desplazamiento y Rc=Ro+h⋅yoejωt
La corriente tiene el término de continua más la señal
hy 0 << R0
2

E0
E 0  hy 0 cos ωt (hy 0 ) 1 + cos 2 ωt
 = i0 + i a
1 −
i=
=
+
+
...
2

R0 + hy 0 cos ωt
R0 
Ro
2
R0

Es como si hubiera una fuente de tensión
E hy
ea = R0 ia = − 0 0 cos ωt
R0
ea
Ro
Eo
Dinámicos:
Cinta
F=B⋅I⋅L
Cinta metálica vertical arrugada dentro
de un campo magnético. De velocidad.
Frágil
Muy usados en los años 50.
Cinta impresa, espiral de aluminio dentro
de diafragma de poliéster entre 4 imanes
toroidales.
Bobina movil
F=B⋅I⋅L
Misma estructura que un altavoz electrodinámico, hasta el punto de que son reversibles,
un micrófono de bobina móvil se puede usar como altavoz y un altavoz electrodinámico
como micrófono. Las diferencias vienen de que un micrófono es más pequeño (para
medir el sonido en un solo punto) y conduce menos corriente (la que lleva la energía
obtenida del sonido).
El diafragma es un casquete
esférico de aluminio, plástico ó
papel. Imán anillo circular,
campo magnético radial.
Bobina de hilo muy fino (no
necesita soportar corriente y
nos conviene poca masa)
predominantemente resistiva a
menos 1000 Hz.
Resonancia de circuito abierto
en los márgenes de audio. A
pesar del hilo fino tienen
demasiada masa para que la
resonancia este en frecuencias
más altas que el audio, y aumentar la rigidez reduciría el desplazamiento y por tanto la
sensibilidad. También aumentar la amortiguación reduciría la sensibilidad. La solución
suelen ser circuitos acústicos con una antirresonancia para aplanar el pico (pero
respuesta irregular).
Masa elevada ==> mala respuesta en alta frecuencia (y ataques); sensible a vibración y
golpeteo.
La bobina se comporta como antena captando ruido, se corrige con otra bobina fija
arrollada al revés, bobina anti-hum.
La sensibilidad suele ser baja -60/-80 dB re 1V/µbar
Bajo coste; uso sencillo; robusto; salida de tensión de nivel medio; admite altos niveles
de presión sin saturar; resistencia de salida baja, 10-100 ohmios ==> vale cable largo.
Junto al micro se suele poner un transformador de relación 3:1 ó similar para elevar la
tensión y adaptar la impedancia a la del cable (75 – 300 ohmios).
Elevado margen dinámico, de 20 a 140 dB SPL
Poco sensibles a humdead y temperatura
Variedad de modelos. Algunos modelos direccionales y
cardioide tienen 2 transductores, para bajas y para altas
frecuencias con red de cruce (crossover).
Magnético mide variación de reluctancia
Electrostáticos:
Piezoeléctrico
También reversible. Alta impedancia mecánica y mucha
rigidez ==> bueno para agua y alta frecuencia --> sonar
Condensador
Placa fija y placa móvil-diafragma de acero, aluminio,
vidrio ó poliéster metalizado. Polarizado con tensión,
al moverse el diafragma cambia la capacidad y se
produce corriente.
C0 = ε.s/x0 = 27'8.a2/x0 pF
s superficie, a es el
radio, εaire = 8'85.10-12F/m
En reposo
C0 = ε.s/d
En funcionamiento C0 = ε.s/(d-ym)
ym = desplazamiento promedio (analizando las vibraciones en la membrana
circular salen ecuaciones de Bessel que indican que a bajas frecuencias (ka<1) ym es
independiente de la frecuencia.
Desarrollo Taylor y aproximo para pequeños desplazamientos y considero un tono.
C = Co + Coyoejωt/d = Co + C1ejωt
Ecuación de malla...Ecuación diferencial... Solución ec.dif. si Co << C1 i=EC1/C0...
Características:
Alta impedancia interna (decenas de picofaradios). Para adaptar a los cables blindados
normales hay que amplificar junto a la cápsula. Se suele hacer con un FET (alta
impedancia de entrada), antes con válvulas pero no con transistores. Por tanto requiere
alimentación
Calibración constante en el tiempo
Requiere polarización (tensión de alimentación), se usa conexión fantasma
Electret
Es un micrófono de condensador pero ya polarizado (con un material que tiene carga
“fija”, invento “reciente”).
Ello da gran comodidad porque evita la alimentación.
Pero también da mejor resultado si se amplifica in situ, por lo que también vienen con
FET incorporado que hay que alimentar.
En los conectores Jack estéreo se puede-suele usar un canal para alimentar.
5.4
Técnicas de toma de sonido
Para cada situación concreta de grabación (tipo y posición de la fuente de sonido,
entorno de grabación, etc.) conviene elegir bien la posición y tipo del micrófono para
obtener el mejor resultado.
Por ejemplo en una sala de videoconferencia podemos usar un solo micrófono fijo para
captar la voz de cualquiera de las personas de la sala. En ese caso el micro estará
bastante lejos de la fuente de sonido, y si esta encima de una superficie rígida como una
mesa le llegará una onda reflejada poco después de la original y con intensidad similar.
Para algunas frecuencias la suma reforzará la señal y para otras la anulará (las que la
diferencia de recorridos desfase media longitud de onda). La respuesta frecuencial no es
plana.
Una solución es utilizar Microfonos de Zona de Presión, PZM,
diseñados para colocarse pegados a la mesa. En este caso la onda
directa y la reflejada llegan a la vez, en fase. Además de conseguir
respuesta frecuencial plana la sensibilidad aumenta 6 dB.
Microfonos Lavalier, de corbata. Usados para fijar en la solapa dejando libertad de
movimiento. Al no estar frente a la boca los agudos llegan más débiles que los graves,
así que para compensarlo suelen tener menor respuesta a los graves.
Micrófonos inalámbricos. En lugar de usar cable para llevar la señal eléctrica desde el
micrófono hasta el equipo amplificador se transmite inalámbricamente. Así se evita el
engorro y los ruidos debidos al cable a costa de mayor complejidad. Se puede transmitir
por infrarrojos (los LED son muy lineales) pero los obstáculos pueden estropear la señal.
Suele transmitirse por radio modulada en la banda VHF ó UHF (rodea los obstáculos).
Un problema es que en algunos puntos la señal directa ser cancelada por las reflejadas.
Se arregla usando dos antenas receptoras y usando la mejor señal de ambas, es muy
improbable que la cancelación coincida en las dos antenas.
Efecto de proximidad.
Filtro anti-Pop. Tela colocada entre la boca y el micrófono para evitar las corrientes
instantáneas de aire que provocarían offset, al mantener el diafragma empujado la señal
entraría en la zona no lineal.
Toma de instrumentos. En general poner el micro cerca del punto donde se genera el
sonido y/o donde el contenido de armónicos sea más completo. Teniendo en cuenta la
intensidad del sonido y el rango dinámico del micrófono intentaremos aprovechar al
máximo ese rango (para reducir la relación S/N) pero dejando un buen margen para que
no sature en los picos de intensidad.
Toma estéreo. Varias formas, con dos micros en el mismo punto:
Toma XY: Dos micros cardioides orientados en distinto ángulo.
Stereosonic: Dos micros bidireccionales orientados en distinto ángulo.
Toma Middle-Side: Un micro cardioide al frente y otro bidireccional perpendicularmente.
La suma M+S enfoca un ángulo hacia un lado, y la M-S hacia el otro lado.
O con micrófonos separados.
Micrófono de esfera. Se simula el efecto acústico (difracción,...) de la cabeza con una
esfera y se ponen los micrófonos donde estarían las orejas. Se usa para sistemas
Surround Sound con varios canales.
Calibración por reciprocidad