1
1.1.2. Micrófonos . 1. Sensibilidad. 2. Respuesta en frecuencia. 3. Impedancia. 4. Ruido 5. Parámetros para definir la directividad de micrófonos 6. Circuitos acústicos para la obtención de diagramas direccionales
1.1.2. Micrófonos Un micrófono es un transductor acústico-eléctrico acústico-eléctrico que consiste en la combinación escalonada de dos tipos de transductores, un acústico mecánico (T.A.M.), y otro mecánico- eléctrico (T.M.E.), los cuales van a convertir las variaciones de presión en variaciones de señal eléctrica (tensión, corriente). El primer transductor, por regla general, consiste en un pequeño pistón en forma de lámina (diafragma), o en una cavidad que recoge la presión o diferencia de presiones para ser convertida en magnitudes mecánicas, que actuarán sobre el segundo transductor, generalmente más complicado y característico de cada tipo de micrófono, para ser finalmente convertidas por éste último en magnitudes eléctricas. Cumplen los micrófonos dos fines fundamentales: a) Convierten la palabra, música, etc. en señales eléctricas que posteriormente son manipuladas de alguna forma para su reproducción posterior. b) Son utilizados como aparatos de medida haciendo que la señal eléctrica causada como consecuencia de un cambio de la magnitud acústica (presión), actúe sobre un aparato de medida calibrado convenientemente. Se puede establecer una clasificación sencilla de los micrófonos según la forma de obtener la energía a partir de la energía sonora que incide sobre el diafragma, es decir, dependiendo del tipo de transductor incorporado. Así tenemos: t enemos:
•
•
•
•
•
•
Micrófonos electrostáticos (de condensador): Utiliza el principio de transductor electrostático y su funcionamiento está basado en la variación de capacidad existente entre una placa fija y otra móvil que actúa como diafragma. Micrófonos de resistencia variable (de carbón): Lleva incorporado un sistema que hace variar la resistencia de un conjunto de gránulos de carbón contenidos en una cavidad cuya tapadera es solidaria con el diafragma. Esta resistencia varía con la presión sonora recibida por el diafragma. Micrófono de bobina móvil: Basado en el transductor electromagnético. Consiste en un ligero diafragma al que está solidario una bobina móvil inmersa en un campo magnético producido por un imán. Micrófono de cinta: Su funcionamiento está basado en el transductor electromagnético y consiste en una ligera cinta metálica suspendida entre las dos piezas polares de un imán permanente y accesible a la presión acústica por ambos lados. Micrófono piezoeléctrico: Basado en el principio de transductor piezoeléctrico, tales que las presiones de utilización responden con tensiones de salida linealmente relacionadas con las deformaciones.
Micrófonos electret: electret: Se pueden considerar dentro de los micrófonos electrostáticos con la diferencia de que no necesitan alimentación exterior ya que se polarizan previamente a su utilización.
En temas sucesivos se estudiará cada uno de ellos por separado, por lo cual no creemos necesario extendernos más en esta breve clasificación. Existen en el mercado infinidad de modelos y tipos de micrófonos que los hacen distintos unos de otros dentro del campo de aplicación, pero todos tienen unas características que les son
2 comunes, en cuanto a características básicas que deban suministrarse a todos los modelos. Estas características son las siguientes:
• Sensibilidad regularidad, linealidad • Respuesta en frecuencia, Fidelidad: regularidad, • Directividad • Distorsión • Caracteríticas direccionales
1. Sensibilidad Se define como el cociente entre la tensión en el micrófono cuando está en circuito abierto y la presión que incide sobre él en campo libre, es decir:
S=
V p
Se suele expresar en mV/Pa o mV/ bar. Estos valores de la sensibilidad son muy pequeños. Por ejemplo, 94 dB de NPS (nivel de presión sonora) que es un nivel alto de presión, corresponde a 1 Pascal. Un micrófono con una sensibilidad de 1 mV/Pa proporcionaría 1 mV al recibir esta presión. Cuando se realiza el cálculo de la sensibilidad de un determinado tipo de micrófono, ésta nos viene dada en función de la frecuencia; por ello los fabricantes dan la sensibilidad para unas frecuencias determinadas que suelen ser 250 Hz, 500 Hz y 1000 Hz. La sensibilidad también puede venir expresada en dB. Para ello, hay que tomar una sensibilidad de referencia. Las dos sensibilidades de referencia que se suelen tomar son: So1=1 V/ µbar; So2=1 mV/ µbar
Ejemplo: Si un micrófono tiene una sensibilidad de -60 dB referidos a 1 V/bar, cuando reciba una presión de 1 µbar (74 dB de NPS) dará lugar a una tensión de 1 mV. Cuando menos negativa sea la sensibilidad de un micrófono, más sensible será, es decir, más tensión de salida dará para una misma presión incidente sobre el diafragma. Así será más sensible un micrófono de sensibilidad -55 dB que -70 dB. Los valores de la sensibilidad referida a 1 V/ µbar son siempre negativas, sus valores típicos están comprendidos entre -50 y -80 dB. Siempre que nos den una medida de la sensibilidad, nos darán un nivel de referencia y la frecuencia a la que ha sido realizada. La referencia normalizada es de 1 V para una presión sonora de 1 bar y la frecuencia utilizada es de 1 kHz (aunque también es utilizada en ocasiones 250 Hz).
El dato de sensibilidad se nos puede dar de cualquiera de las siguientes formas equivalente entre s!: • Sensibilidad a 1""" #z: $%% d& ref. 1 '(µbar. • Sensibilidad a 1""" #z: "1) m'(µbar. *lgunas veces se prefiere especificar la sensibilidad indicando la potencia suministrada a la carga en condiciones de adaptación cuando la presión incidente es de 1 +ascal ,1" µbar-. Se puede comprobar que ambas formas de expresar la sensibilidad están relacionadas mediante la expresión:
d&m/2" logS$1" log0 )) d& donde se a tomado p / 1" microbar y 0 es la resistencia de carga.
3
2.Respuesta en frecuencia * la sensibilidad en d& absolutos o relativos en función de la frecuencia se le denomina respuesta en frecuencia. 4os define el comportamiento de la se5al de salida del micrófono en función de la frecuencia. 6onstituye uno de los criterios decisivos para determinar la calidad de un micrófono y sus posibles aplicaciones. 7eneralmente viene dada mediante una gráfica semilogar!tmica en la que se representa en el e8e orizontal la frecuencia y en el vertical la sensibilidad expresada en d& que o bien representa la se5al de salida referida a 1 ' o bien una escala con el origen " d& en el valor correspondiente a 1 9#z teniendo as! las variaciones en decibelios frente al valor para 1 9#z directamente. a curva obtenida de esta forma será aproximadamente plana en la zona central presentando ca!das; ,pigura 1-.
Figura 1. Respuesta en frecuencia de distintos micrófonos a fidelidad de un micrófono nos indica la capacidad que tiene
) +or e8emplo ) d& $ 2 d& 2? #z a 1@ 9#z que nos dice entre que márgenes var!a la sensibilidad del micrófono. 6uando menores sean estos valores más fiel será el micrófono. as normas AB4 )??"" establecen mediante un gálibo las exigencias m!nimas que debe cumplir un micrófono para ser considerado de alta fidelidad. Aicas exigencias son las siguientes: • •
Cargen de frecuencias de ?" #z a 12? 9#z como m!nimo. 0egularidad m!nima dada por la gráfica de la figura 2 .
Figura 2: Área de tolerancia según la norma DIN de la curva de respuesta relativa a la de 1000 H para un micr!fono omnidireccional "l#nea continua$ % para un micr!fono unidireccional "l#nea de traos$ #ay que acer notar que la figura 2 representa las tolerancias máximas admitidas en la respuesta en frecuencia y que se a tomado como nivel " d& el valor de la sensibilidad a 1 9#z. +uede verse que para los micrófonos unidireccionales se da un mayor margen de fluctuación dada en la figura por la l!nea de trazos en ba8as frecuencias. Esto es as! porque dicos micrófonos responden a gradiente de presión y presentan el inconveniente de que su salida en ba8a frecuencia aumenta cuando disminuye la distancia de la fuente al micrófono seg=n se puede ver en la figura 3. En dica figura se observa como aumenta la sensibilidad de salida para un micrófono de gradiente cuando la distancia a la fuente pasa de ser 1 m a 1 cm. En la misma figura vienen expresados los grados en las distintas curvas esto es as! porque los micrófonos tienen propiedades directivas es decir var!a su sensibilidad en función del ángulo que forma el e8e del micrófono con la dirección de propagación de la onda de presión.
Figura 3 *unque generalmente las medidas de la sensibilidad se realizan para un ángulo de "D ,e8e de micrófono y dirección de la onda forman "D- tambi
?
>igura )
4. Ruido. Relación señal/ruido. Factor de perturbación magnética El ruido propio de un micrófono se define como la tensión de salida que se obtiene en ausencia de perturbación es decir en un ambiente idealmente silencioso. Sus causas son diversas por e8emplo las mol
2.?. BC+EA*46B* B4GE04* H *A*+G*6BI4 AE CB60J>I4IS. E>E6GI AE 6*&E. 'isto desde su salida el
F
Zo
Vca
Vm
Figura 5 6uando se conecte una carga en la salida parte de la tensión caerá en K o con lo que la tensión =til 'm será menor que ' ca. a primera carga que se conectará al micrófono será un cable blindado en el que se puede suponer que existe una capacidad entre ilos ,6 c- proporcional a la longitud del cable. Aico cable unirá el micrófono a un sistema que podr!a ser por e8emplo una mesa de grabación cuya entrada presenta una impedancia resistiva ,0 in- sobre la que interesa recoger la mayor tensión posible ,'in- de la que aporta el micrófono ,figura F-. Micrófono Zo
Vca
Cable
Vm
Mesa de grabación
Cc
Vin
Rin
Figura 6 * continuación se indica como la tensión =til que llega a la mesa ' in depende de la longitud del cable de unión micrófono$mesa y de la impedancia interna K o del micrófono. Esta impedancia interna es básicamente una resistencia 0 o para los micrófonos dinámicos y un condensador 6o para los electrostáticos. a$ Micrófonos de bobina y de cinta En el caso de este tipo de micrófonos K o es resistiva y peque5a. +or ello el circuito equivalente es el que se muestra en la figura %:
I
Micrófono Ro
Vca
Vm
Cable
Mesa
Cc Vin
Figura &
% *nalizando el circuito de la figura % se obtiene la curva de transferencia de tensión del micrófono a la mesa: Vca = IR 0 + Vin
1 R in ⇒ ω j C c Vin = I 1 R in + jωC c
Vin Vca
1
=
2
R 0 1 + + (ωR 0 C c )2 R in
En el caso de que 0 o sea muco menor que 0in y ω muco mayor que el producto 0 o6c la función de transferencia se puede simplificar a: Vin
≅
1
ωR 0 C c En el caso de ba8as frecuencias se cumple que: Vca
Vin
≅
Vca
R in R in + R 0
En la figura 8 se representa dicha función de transferencia, normalizada respecto al máximo en dB, en función de la frecuencia f.. 0
-5
-10
-15
-20 0 10
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
Figura ': funci!n de transferencia para el micr!fono din(mico) R0*200 + Rin*,00 - c *10 F)
%
En la figura se puede observar la evolución de la función de transferencia con la variación de 0o El peque5o valor de 0 o permite utilizar longitudes de cable de asta F" metros sin p
@
1
Ro= 25
0.9
Ro= 50 0.8
Ro= 75
0.7
Ro=100
0.6
Ro= 125
0.5
Ro= 150 Ro= 175 Ro= 200
0.4
0.3 2 10
10
3
10
4
10
5
Figura .: /fecto de Ro en la funci!n de transferencia para el micr!fono din(mico) Rin*,00 % - c*10 F $ Micrófonos electrostáticos (de condensador) +ara este tipo de micrófonos K o corresponde a un condensador con una capacidad 6 o de muy ba8o valor. El circuito equivalente ser!a aora el que se representa en la figura 1".
I
Micrófono Co
Vca
Cable
Mesa
Cc
Vm
Vin
Figura 10 a función de transferencia de este circuito es la siguiente: 1 + Vin Vca = I jωC 0
⇒ Vin = I 1 R in + jωC c * frecuencias altas se cumple que: 1 j C ω c
R in
Vin Vca
≅
Vin Vca
=
ωR in C 0 1 + (ωR in (C c + C 0 ))
2
C0 Cc + C0
En este caso la función de transferencia desde el micrófono a la mesa indica dos problemas: Si el cable es largo ,6 c grande- se pierde nivel de tensión en la mesa. Si 0 in no es muy alta se pierde respuesta en graves ,figura 11-. +ara eliminar ambos problemas la cápsula electrostática se une directamente a la entrada de un preamplificador$adaptador que presente una elevada impedancia 0 p a la cápsula y una ba8a
impedancia 0op al cable ,t!picamente 2"" omios-. 6on ello la salida del previo es similar a la de un micrófono dinámico pudiendo realizarse la conexión a la mesa por un cable largo sin problemas. 0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 0 10
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
Figura 11: Funci!n de transferencia para el micr!fono electrost(tico) Rin*1 "impedancia de entrada mu% alta$ % - c *- o * 1,0 pF "cale mu% corto$
NOTA !os "icrófonos pie#oel$tricos ta"bien están caracteri#ados por una alta i"pedancia de salida.
%&STORS&'N !&NA! NO !&NA! En general se llama distorsión a cualquier deformación de la se5al de salida del dispositivo en estudio 's respecto de la de entrada. Si para una frecuencia fi8a la función de transferencia f/2" log # es constante e independiente de la tensión de entrada ' e la distorsión es lineal . ,figura 12-
) s V ( a d i l a s e d n ó i s n e T
f 2 f 1
0
Tensión de entrada (Ve)
Figura 12: Distorsión lineal Aentro de la distorsión lineal se puede distinguir entre: a$ Distorsi!n de amplitud : 6uando la amplitud a la salida var!a en función de la frecuencia o no se mantiene la relación de amplitudes al variar el nivel de entrada. Aa lugar a irregularidades en la curva de respuesta. $ De fase: 6uando el cambio de fase introducido por el elemento en estudio no sigue una ley ∆φ/Mf es decir no es proporcional a la frecuencia.
1" Si para una frecuencia fi8a la función de transferencia f/2" log # es variable y depende de la tensión de entrada ' e la distorsión se llama no lineal +odemos distinguir: a$ Distorsi!n arm!nica: 6uando al introducir una se5al sinusoidal pura a la entrada * oNsen ωt a la salida se encuentra una se5al del tipo ,ver comentarios de la sección 1.1 .1 para altavocesA 0 + A 1 sen 2ωt + A 2 sen 3ωt + ...
c$ Distorsi!n por intermodulaci!n: 6uando al introducir dos se5ales de frecuencias f 1 y f 2 a la salida se obtiene además se5ales función de f 1$f 2 y de f 1 f 2 ,ver comentarios de la sección 1.1.1 para altavocesDe fase: Si al variar la tensión de entrada var!a el desfase introducido por el dispositivo. -N/3I4N D/ 56 I-R4FN6 a conexión el
Conexión asimétrica
masa
Figura 13: Conexión asimétrica Este sistema es el más sencillo pero es muy sensible a los campos parásitos externos ya que la malla no act=a como blinda8e sino como conductor. Se emplea preferentemente por este motivo con cables cortos. 27 -one8i!n de un micr!fono con salida sim9trica "2 ilos % linda;e$ En el monta8e sim
11
Micro Cable señal
Conexión simétrica
señal masa
Figura 14: Conexión simétrica #ay que tener en cuenta que la se5al que se transmite es del orden de los milivoltios con lo que los efectos de las inducciones por e8emplo los ?" #z de la red son m uy importantes. Este montaje supone, naturalmente, la presencia de una entrada simétrica en el amplificador o mesa de mezcla a la que esté conectado, lo que puede conseguirse con la utilización de un transformador con primario y secundario separados. Las dos conexiones del primario del transformador no tienen contacto ninguno con el chasis (mesa) del amplificador o mesa de mezcla, sólo tiene contacto con los dos hilos de unión del micrófono. En este caso decimos que se utiliza un transformador separador (figura 15).
Simétrico
Asimétrico
Amplificador
Figura 1< 5= F=6/ /N 56 I-R4FN6 os micrófonos deben de estar conectados en fase de manera que a un mismo efecto sonoro den se5ales del mismo signo en sus bornes de salida. Esto sucede cuando se utiliza más de un micrófono como en el caso de una grabación estereofónica. El efecto de grabar con un micrófono fuera de fase es el análogo a tener en contrafase los altavoces durante la reproducción. Si grabamos con más de un micrófono para un sólo canal y se encuentran próximos unos a otros al mezclar despu
12
En fase
En contrafase
Figura 16 Existen varios procedimientos para poner los micrófonos en fase algunos de los cuales son sencillos ya que solo precisan de un mezclador que posea al menos dos entradas para micrófono y que incorpore un indicador de nivel de salida. os pasos a realizar son los siguientes: 1D Situaremos los micrófonos muy próximos el uno al otro y los conectaremos a dos entradas independientes colocando todos los controles de mezcla a cero. 2D Emitiendo un sonido de nivel constante o ablando delante de los micrófonos subiremos el control de nivel de uno de ellos asta conseguir un nivel de salida conveniente por e8emplo de $? d&. *notaremos la posición del control para que se obtenga dico nivel y lo pondremos de nuevo a cero. 3D +rocederemos de igual forma con el segundo control de nivel asta alcanzar el mismo nivel de salida de antes ,$?d&-. *notaremos la posición a la que se obtiene dica salida retornando de nuevo el control a cero. )D >inalmente situaremos ambos controles en las posiciones anotadas para cada uno de ellos sin de8ar de producir el sonido de antes observando la lectura del indicador del nivel de salida. Si es mayor que la que se obten!a separadamente con ambos micrófonos ,esto es mayor de $? d&- podemos asegurar que están en fase. Si por el contrario la lectura es menor que la obtenida con cada micrófono ,menor de $? d&- los micrófonos están en contrafase. En este caso solo ay que intervenir las conexiones de la se5al de uno de los micrófonos de8ando el otro igual. Ona nueva prueba nos llevará al convencimiento pleno de que ambos micrófonos se encuentran aora en fase ,figura 1%-. A
B
13
C
D
En fase
E
Contrafase
Figura 17: Búsqueda de la conexión en fase. A: Montaje a realizar, B: Búsqueda de nivel en el primer micrófono, C: Búsqueda de nivel en el segundo micrófono, D: Comprobación y conexión en fase, E: Comprobación y conexión en contrafase
1)
5. CARACTERÍSTICAS DIRECCIONALES DE LOS TRANSDUCTORES RECEPTORES (MICRÓFONOS) En la toma de sonido se da con frecuencia el eco de que además de la fuente =til existen otras fuentes secundarias como puede ser el ruido de p=blico en un concierto que no interesa en absoluto captar con el micrófono. *demás ay que tener en cuenta que si en la sala donde se realiza la grabación la reverberación es excesiva puede interesar que el micrófono no capte las ondas refle8adas o por lo menos las capte con una intensidad reducida de forma que no reste definición a la fuente de sonido principal. En esta sección distinguiremos dos partes muy diferenciadas. a primera cuyo ob8etivo es definir y relacionar los parámetros que describen las propiedades direccionales de los transductores receptores ,micrófonos-. a segunda trata sobre los procedimientos para conseguir distintos diagramas de directividad en transductores receptores. *AR+MTROS ,- %SR&/N !A %&RT&0&%A% % !OS M&R'ONOS
Respuesta relatia. %irectiidad Se define la respuesta relativa de un micrófono en una dirección determinada 0, θ,ψ), como el cociente entre la sensibilidad en la dirección considerada y la sensibilidad en la dirección de máxima sensibilidad que usualmente es la de θ / " y ψ /": V (S)θ,ψ P θ,ψ R (θ, ψ ) = = Smax V P θ=0,ψ =0
Si la medida se a realizado con la misma presión + la respuesta relativa es un cociente de tensiones.
actor e 3ndice de directiidad as magnitudes aqu! definidas son análogas a las magnitudes del mismo nombre definidas para transductores emisores. Se define el factor de directividad de un micrófono en una dirección determinada ,θo,Φo), como el cociente entre el cuadrado de la tensión en circuito abierto generada cuando la onda de presión llega desde esta dirección comparada con el cuadrado del valor medio de la respuesta relativa en todo el espacio. Catemáticamente: Q(θ0 , ψ 0 ) =
R 2 (θ0 , ψ 0 ) 4π
R (θ, ψ )dΩ 4π ∫ 1
2
0
En esta expresión el denominador ser!a el cuadrado de la tensión que se generar!a si se situara el micrófono en un campo difuso. Otilizando coordenadas esf
R 2 (θ 0 , ψ 0 ) 1 4π
4π
∫ R (θ, ψ )dΩ 2
0
=
R 2 (θ 0 , ψ 0 ) 1 4π
R 2 (θ 0 , ψ 0 )
= 1 4π
2π
π
∫ ∫ 0
0
=
2
R 2 (θ, ψ )
r sen θdθdψ r2
∫
4π
R (θ, ψ ) 2
0
dS
=
r2
R 2 (θ0 , ψ 0 ) π
R (θ) sen θdθ 2∫
1
2
0
1? El Pndice de directividad es el factor de directividad expresado en d&.
ficiencia "edia de ener43a (%) Se define como el cociente entre la energ!a media captada por un micrófono directivo en todo el espacio y la energ!a captada por un micrófono omnidireccional. actor distancia (%) Es la distancia relativa a la que ay que situar un micrófono omnidireccional respecto a uno directivo para que la respuesta media en el espacio de ambos sea id
1 E.D.
Otros pará"etros cuación polar a ecuación polar es el cociente entre la presión que llega al micrófono en función del ángulo y la presión máxima: F(θ) =
p(θ)
p max En la tabla 1 se representan las ecuaciones polares de distintos tipos de micrófonos.
Arco de captura 3 y 6 dB El arco de captura de 3 d& θ3d& representado en la figura 1 es el arco alrededor del valor máximo para el cual la presión cae 3 d&. El arco de captura de F d& se define del mismo modo pero para una ca!da de F d&. 90 120
60
150
30
180
0
210
θ3dB
330
240
300 270
Figura 1 Salida relatia a 56 4rados. Es la relación existente entre el valor de presión a "D y a "D: 20 log
p(θ = 90º )
p( θ = 0 º ) Salida relatia a 176 4rados Relación delante8detrás. Es la relación existente entre el valor
de presión a "D y a 1@"D: 20 log
p(θ = 180º ) p ( θ = 0º )
1F
!AS&&A&'N % !OS M&R'ONOS N -ANTO A %&RT&0&%A%. TA/!A RS-MN
%ia4ra"a polar
cuación polar ( )
+n4ulo de captación 9: d/
+n4ulo de captación 9; d/
1
3F"
3F"
cosθ
"
12"
"?,1cosθ-
131
1@"
".2?,13cosθ-
1"?
1)1
"3%"F3cosθ
11?
1?F
cos2θ
F"
"
".?,1cosθ-cosθ
%%
1")
90 120
60
150
O"nidireccional
30
180
0
210
330
240
300 270
90 0 120
60 -10 -20
150
30
-30
/idireccional
180
0
210
330
240
300 270
90 0 120
60 -10 -20
150
30
-30 180
ardióide
0
210
330
240
300 270
90 0 120
60 -10 -20
150
30
-30 180
0
210
330
240
300 270
90 0 120
60 -10 -20
150
Supercardioide
30
-30 180
0
210
330
240
300 270
120
90 0
60
-10
/idireccional 2= orden
-20
150
30
-30 180
0
210
330
240
300 270
90 0 120
60 -1 0 -2 0
150
ardioide 2= orden
30
-30 180
0
210
330
240
300 270
Tabla 1
1%
O"nidireccional
Tensión de salida relatia a 56= (d/s)
&de" a 176=
"
"
+n4ulo para tensión de salida nula
ficiencia "edia de ener43a %
actor de distancia
1
1
" d&
/idireccional
"
"
"33
1%
$)@ d&
ardióide
$F
1@"
"33
1%
$)@ d&
$12
$F
11"
"2?"
2
$F d&
Supercardioide
$@F
$11%
12F
"2F@
1
$?% d&
/idireccional 2= orden
"
"
"2""
22
$% d&
ardioide
"
"133
2= orden
1@"
$@@ d&
Tabla 2
2%
1@ ;. ircuitos ac>sticos para la obtención de dia4ra"as direccionales En esta sección se estudian los diferentes tipos de transductores ac=stico$mecánicos empleados en la práctica. Aico de otra forma se aborda la cuestión de cómo obtener la fuerza que mueve el diafragma del micrófono. Este mecanismo es el que determina la directividad del micrófono. En función de la forma de obtener la fuerza se distinguen los siguientes tipos de micrófonos: • • •
Cicrófonos de presión ,Imnidireccionales-. Cicrófonos de gradiente de presión ,&idireccionales-. Cicrófonos combinados de presión y de gradiente de presión.
icr!fonos de presi!n En este tipo de micrófonos el diafragma se mueve respondiendo a variaciones de presión sonora. Están formados por un diafragma flexible que termina por una de sus caras en una cavidad cerrada. +ara mantener la presión estática ,en equilibrio- en el interior de la cavidad igual a la presión atmosf
Orificio
diafragma
Cavidad Cerrada
Conexión mecánica al elemento transductor
P2
P1 P
Diafragma
λ /2
i4ura 2
x
i4ura :
a fuerza que la presión exterior e8erce sobre el diafragma es >/+S siendo S la superficie del diafragma. El aire en el interior de la cavidad interna de volumen ' act=a elásticamente comportándose como un tubo cerrado. El movimiento que la fuerza > provoca en el diafragma ,caracterizado por su masa C CA su compliancia 6CA y su resistencia 0 CA- venciendo su impedancia mecánica la del transductor electromecánico unido a
Micrófonos de 4radiente de presión. fecto de pro?i"idad os micrófonos de gradiente de presión están constituidos por un diafragma sometido a dos ondas de presión: una la incidente y otra que se recibe por la cara posterior del diafragma que es la misma onda incidente pero con cierto desfase ,figura )-. a magnitud de la fuerza sobre el
1 diafragma es función de la diferencia de camino recorrido de la frecuencia y del ángulo de incidencia de la onda sonora. Ae las figuras ) y ? teniendo en cuenta que la superficie normal a la onda es S/S Acosθ la fuerza vale: f D = −∆pSD cos θ ≅ −
∂p ∆lSD cos θ ∂x
* partir de la relación:
∂p ∂u = −ρ 0 ∂x ∂t y suponiendo una variación armónica:
∂u ∂ = (u p e jωt ) ∂t ∂t ∂p = −ρ 0 jωu ∂x se tiene por tanto que: f D = −
∂p ∆lSD cos θ = ρ 0 jωu∆lS D cos θ ∂x
Se puede observar que la fuerza sobre el diafragma es proporcional a la velocidad y su diagrama polar será en forma de oco ,bidireccional-. ∆l
2
1 p(x+∆l)
p(x)
SD
a
p(x)
X
θ
X
S
dx
i4ura @
X
i4ura
* continuación se estudiará como responde el micrófono ante una onda plana progresiva y ante una onda esf
∂p = p 0 (− jk )e − jkx + jω = ( − jk ) p ∂x +or tanto la fuerza sobre el diafragma será:
2"
∂p ∆lSD cos θ = jp 0 kSD ∆le − jkx cos θ = ∂x ω = p 0 kSD ∆l cos θ = p 0 SD ∆l cos θ
f D = −
c Si llamamos d a la diferencia de caminos entre la onda que incide por la cara anterior y la de la cara posterior se tiene que: f D = p 0 kS D d cos θ = p 0
ω c
SD d cos θ =
= ρ 0 u 0 S D ωd cos θ donde se a tenido en cuenta que el valor de la impedancia ac=stica espec!fica es: ZS =
p0 u0
= ρ0c
a fuerza es por lo tanto proporcional a la velocidad de las part!culas para cada frecuencia. +or esta razón a este tipo de micrófonos se les llama de velocidad . *ara el caso de una onda esf$rica pro4resia +ara este caso cuando se abla muy cerca del micrófono las ecuaciones son: p ef =
A 2 r
e
− jkr + jωt
∂p A 2 1 − jkr + jω − (1 + jkr ) − + ω A 2e jkr j = − = + jk e 2 r r ∂r r de donde se obtiene que: f D = −
∂p 1 + jkr dS D cos θ = dS D A 2 e − jkr + jωt cos θ 2 ∂r r
y en módulo: f D
ef
=
1 + k 2 r 2 r2
dSD A cos θ = k
1 + k 2 r 2
kr = u ef ωρ0SD d cos θ
p ef dSD cos θ =
donde se a utilizado la relación: u ef =
p ef
1 + k 2 r 2
ρ0 c kr obtenida a partir de la impedancia ac=stica espec!fica de la o nda esf
21
p ef
u ef =
1 + k 2 r 2
ρ0 c kr +ara frecuencias altas 9r LL 1 esta expresión coincide con la obtenida para ondas planas: u ≅
p
ef
ρ0c
+ara frecuencias ba8as la fuerza disminuye de manera inversamente proporcional a la distancia r ,es decir al acercarse al micrófono-. *l aumentar f A aumentará tambi
p
θ
V p θo
= cos θ
cuya representación es la de la figura @. Campo Fuente
u
Campo próximo
Campo lejano 1/r
1/r2 rp ≈
50
r
f
i4ura ;
i4ura B fecto de pro?i"idad
22
901 120
0.8
60
0.6 150
30
0.4 0.2
180
0
210
330
240
300 270
Figura ': Diagrama de directividad del micr!fono de gradiente de presi!n
MICRÓFONOS COMBINADOS DE PRESIÓN Y DE GRADIENTE DE PRESIÓN 6omo se a visto en los apartados anteriores los micrófonos de presión son omnidireccionales y los de gradiente de presión bidireccionales. +ara lograr cualquier otro diagrama polar de directividad en receptores es necesario recurrir a un circuito ac=stico de desfase tambi
Figura .>a
Figura .>
En la figura 1" se muestra el diafragma de un micrófono en el que tanto la parte frontal como la posterior se exponen al campo sonoro. En este caso la incidencia con "D es la que se anula. a caracter!stica de este tipo es bidireccional.
23
Figura 10
OTROS MÉTODOS PARA OBTENER CARACTERÍSTICAS DIRECCIONALES as figuras 11 y 12 ilustran un m
2
D2 3 4
D1
Polarización
Selector de directividad
Figura 11: icr!fono de dole diafragma) ?osici!n 1: cardioide+ ?osici!n 2: omnidireccional+ ?osici!n @: idireccional+ ?osici!n A: supercardioide +or lo que respecta a las t
2)
=
+ Cardioide
Cardioide
Omnidireccional
=
Cardioide
Cardioide
Bidireccional
=
Cardioide
Cardioide
Supercardioide
Figura 19: Detalle de las combinaciones 2, 3 y 4 del circuito del micrófono de doble diafragma.
d1 Frente Plano
Eje FOCO
d2
Figura 20: Micrófono parabólico En todos estos casos no basta con utilizar un micrófono cardióide o similar, ya que no se obtiene una atenuación suficiente de las fuentes sonoras laterales, sino que se necesitan micrófonos altamente directivos y un tanto especiales. Una primera solución consiste en utilizar los llamados "micrófonos de espejo parabólico" en los que el micrófono, propiamente dicho, se sitúa en el foco acústico de un reflector parabólico, que concentra las ondas que inciden paralelamente a su eje. El tamaño de este reflector depende de las frecuencias que se deseen concentrar o dirigir. En general, podemos decir que el sistema es efectivo mientras las longitudes de onda son menores que el tamaño del reflector, lo que nos dice que es prácticamente imposible, para un caso general, concentrar frecuencias por debajo de los 340 Hz, ya que se necesitarían reflectores de más de 1 metro. Con este sistema, se consigue aumentar la sensibilidad del conjunto para los sonidos frontales en una media de 20 dB.
2? b) Micrófono de caCón (i4ura 1@) Otra solución consiste en utilizar uno de los micrófonos del tipo "cañón" que se ofrecen en los catálogos de las casas fabricantes. Estos micrófonos consisten en una cápsula, generalmente unidireccional, que puede ser del tipo dinámico o de condensador y a la que se añade un tubo direccional, más o menos largo y elaborado. La longitud del tubo depende principalmente del grado de directividad que se desee en bajas frecuencias y su actuación se basa en el hecho de que cuando el sonido incide de forma lateral en el tubo, se producen dentro de este unas interferencias que atenúan la presión acústica de estos sonidos laterales. Cápsula
Cañón
Ranuras
Figura 21: Micrófono de cañón La entrada de los sonidos que inciden lateralmente se efectúa a través de una o varias ranuras longitudinales practicadas en el tubo. El extremo del tubo está acoplado al diafragma por medio de una pequeña cavidad que será de menor tamaño en el caso de que se utilice una cápsula de micrófono de condensador, y mayor si la cápsula es de tipo dinámico.
Ganto las ranuras de entrada del sonido como el interior del propio tubo están cubiertas por determinados materiales absorbentes. En el interior del tubo el material sirve para evitar la presencia de ondas estacionarias y no presenta mayores complicaciones. El material con el que se cubren las ranuras de entrada del sonido se utiliza para amortiguar a los sonidos laterales pero su aplicación es algo más complicada. a atenuación de los sonidos laterales que inciden sobre el tubo y afectan a la cápsula debe ser independiente del punto del tubo sobre el que incidan de forma que todos estos sonidos lleguen al diafragma con la misma amplitud pero con distintas relaciones de fase. Esto quiere decir que hay que incrementar de forma escalonada El valor relativo de la resistencia acústica empleada en cada ranura, según se vayan acercando estas a la cápsu1a, de forma que se compensen los efectos de pérdida de energía sonora en el interior del tubo para los sonidos que incidieron en puntos más alejados de la cápsula. El hacer que la atenuación de paso ejercida por la ranura sea una función de su distancia a la cápsula es más complicado que hacer que la atenuación debida al material introducido en el interior del tubo sea función de tal distancia y es ésta la solución adoptada normalmente. Así pues, la resistencia acústica del material del interior del tubo no es constante, sino que su valor va creciendo de forma escalonada desde el extremo libre hasta la cápsula microfónica.
+uesto que en el tubo solo deben penetrar las ondas progresivas otra de las condiciones que se deben cumplir es que dico tubo est< terminado en ambos extremos por la impedancia caracter!stica del medio. a longitud efectiva del tubo aumenta para las altas frecuencias con respecto a la que se obtiene para las ba8as frecuencias como consecuencia de la disparidad en este =ltimo caso entre la longitud de onda del sonido y las dimensiones f!sicas del tubo. Esto tiene como efecto el estrecamiento progresivo del diagrama directivo cuando crece la frecuencia. +ara evitar esta desigualdad en las propiedades directivas se aumenta el valor correspondiente a la reactancia de la masa ac=stica de las ranuras situadas cerca de un extremo del tubo eliminando sustancialmente de esta forma su contribución en altas
2F frecuencias. as ranuras situadas a lo largo del tubo forman parte de un sistema distribuido de filtros paso$ ba8o con frecuencias de corte graduales. a separación de las ranuras es menor en el extremo del tubo situado 8unto a la cápsula ,extremo correspondiente a las altas frecuencias- siendo mayor en el extremo libre ,correspondiente a las ba8as frecuencias-. En estos micrófonos es particularmente importante emplear las protecciones adecuadas contra el viento al rea1izar tomas al aire libre o al e8ecutar movimientos rápidos con el micrófono. Gambi
