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% ).
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