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La física del sonido y vibración en los micrófonos acústicos
Los micrófonos se encuentran en casi todos nuestros dispositivos electrónicos – desde celulares, computadoras y bocinas portátiles, hasta televisiones, tabletas y relojes inteligentes.
En este artículo, te guiaremos a través de la física de los micrófonos que están específicamente diseñados para ser usados en sistemas que cuantifican el sonido: micrófonos de medición.
La física
Los micrófonos de medición se basan en un principio físico muy simple: la capacitancia.
La capacidad de un micrófono es inversamente proporcional a la distancia entre la placa posterior (una placa rígida) y el diafragma (una lámina metálica delgada y muy tensada).
Al exponerse a la presión del sonido, el diafragma se deforma y se acerca o se aleja de la placa posterior, cambiando la capacitancia del sistema.
Estas variaciones en la capacitancia se convierten en variación de tensión. La mayoría de los micrófonos de medición se basan en este principio.
El tamaño
Los micrófonos de medición vienen en diámetros de 1, ½, ¼ y 1/8 de pulgada. Entre más grande es el diafragma, menos rígido es y mejor para detectar variaciones de presión de sonido más pequeñas.
Por otro lado, el tamaño del diafragma limita la detección de frecuencias con longitudes de onda que están en el mismo intervalo o mayor que el diafragma.
Los diafragmas grandes producen un ruido más bajo, mientras que los diafragmas pequeños permiten una alta frecuencia.
De esa forma, los micrófonos de menor tamaño permiten mejores características omnidireccionales a altas frecuencias.
El desplazamiento del diafragma para un micrófono típico de ½ pulgada es solo en el orden de magnitud de 5 nanómetros para una excitación de un Pascal. Para comparación, un diafragma con un diámetro del tamaño del planeta Tierra, se movería apenas 5 m
La longitud de onda de una onda de sonido de 20 kHz (el límite superior del rango de audio) es de 1,7 cm. Eso es aproximadamente el ancho del dedo índice
¿Sabías qué?
El uso de un micrófono de campo libre en un entorno de campo de presión produce un error cercano a 9 dB en torno a 20 kHz.
Sensibilidad
La sensibilidad es la tensión producida por los micrófonos bajo una presión de sonido definida. Se define en V/Pa y depende de la frecuencia. Una presión de sonido de un Pascal corresponde a un nivel de 94 dB SPL. Es por eso que la mayoría de los calibradores de micrófono (por ejemplo, el Calibrador de Sonido Tipo 4231 de Brüel & Kjær) producen 94 dB SPL o 1 Pa.
Respuesta de frecuencia
Debido a que la sensibilidad depende de la frecuencia, la respuesta de frecuencia se define como una expresión de la sensibilidad en todo el intervalo de frecuencia. Esto generalmente se expresa en decibeles en relación con la sensibilidad de 250 Hz.
Intervalo dinámico
El intervalo dinámico de los micrófonos de medición (por ejemplo, 16 dBA – 143 dB) es el intervalo en el que el micrófono actúa como un transductor lineal perfecto.
El primer número es el ruido inherente. Tanto los micrófonos de condensador como los preamplificadores tienen un ruido inherente causado, entre otras cosas, por limitaciones en la electrónica y los movimientos brownianos.
Este número indica el nivel de presión sonora que crearía la misma tensión que el ruido generado por el micrófono. El ruido se mide históricamente en la banda de la tercera octava, ponderada A en el intervalo de audición humana (entre las bandas de 22,4 Hz y 22,4 kHz), si no se especifica nada más.
El segundo número es el nivel de presión sonora más alto medible con menos del 3 % de distorsión armónica total.
El intervalo dinámico de un micrófono a menudo está limitado por el preamplificador. Por ejemplo, un preamplificador CCLD, por sus siglas en inglés, “constant-current line drive” (unidad de línea de corriente constante) está diseñado para ofrecer un máximo de 7 V pico para frecuencias inferiores a 20 kHz. Esto da un máximo de 134 dB SPL para una sensibilidad de micrófono de 50 mV / Pa. En este caso, es posible extender el límite superior del intervalo dinámico a 146 dB utilizando un preamplificador clásico.
¿Sabías qué?
Los micrófonos estándar de laboratorio tipo 4180 y 4160 de Brüel & Kjaer son tan estables que todas las medidas acústicas absolutas en todo el mundo son relativas a su sensibilidad de referencia. No hay fuentes de presión de sonido directas que puedan producir Pascal con una incertidumbre suficientemente baja en un amplio rango de frecuencias.
El micrófono de campo libre de Brüel & Kjær de ½ pulgada Tipo 4191 tiene un intervalo dinámico de 20 dBA a 162 dB (esto es 142 dB). Si convertimos esta relación a distancia, la medida se extendería desde un mechón de cabello hasta más de tres Torres Eiffel apiladas una encima de la otra.
El campo sonoro
Los micrófonos de medición, por su tamaño y forma, influyen en la presión del sonido. Esta influencia, que depende del tipo de campo de sonido, se considera en el diseño de cada micrófono y las respuestas del micrófono están optimizadas para compensar la influencia.
Esto nos permite dar siempre una respuesta plana para el campo de sonido elegido. Los micrófonos de medición se dividen en tres tipos principales, cada uno optimizado para uno de los tres tipos principales de campos de sonido, y es importante elegir el micrófono que mejor se adapte al campo de sonido.
Campo abierto
Un campo libre es un campo de sonido donde las ondas de sonido pueden propagarse libremente sin ningún objeto molesto. Esto significa un espacio sin reflexiones. Los campos de sonido con una gran similitud con el campo libre pueden lograrse en una cámara anecoica o emularse utilizando un algoritmo de respuesta selectiva en el tiempo (TSR).
Los micrófonos de campo libre se utilizan normalmente para medir, por ejemplo, altavoces o sonido de exteriores.
Campo difuso
Un campo difuso es creado por ondas de sonido que llegan simultáneamente desde todas las direcciones con igual probabilidad y nivel. Los campos de sonido con una gran semejanza con el campo difuso se pueden lograr en entornos como edificios con paredes duras, donde existen muchas fuentes de sonido o ruido simultáneos; como, por ejemplo, mediciones en cabinas e iglesias.
Si no está seguro sobre el campo de sonido en el que se encuentra, es mejor asumir que es difuso para minimizar el error de medición.
Los micrófonos de campo difuso se utilizan normalmente para medir el ruido interior del vehículo o la acústica de los edificios.
Campo de presión
Un campo de presión es una presión sonora que tiene la misma magnitud y fase en cualquier posición dentro del campo. Los campos de sonido con una gran similitud al campo de presión se pueden lograr en cavidades pequeñas (pequeñas en comparación con la longitud de onda), como los oídos artificiales.
Los micrófonos de campo de presión se utilizan normalmente en acopladores, túneles de viento o en cualquier medición empotrada.
Asegurando la estabilidad
Los micrófonos de medición de Brüel & Kjær están diseñados para ser extremadamente estables, especialmente con el tiempo, la temperatura, la humedad y la presión ambiental.
Para lograr la máxima estabilidad en los micrófonos, utilizamos material de alta calidad cuidadosamente seleccionado; aplicamos un tratamiento térmico controlado para envejecer y liberar artificialmente cualquier tensión en el cartucho y probamos continuamente cada micrófono en cada paso del proceso de producción.
Los micrófonos están expuestos a múltiples procesos de limpieza durante la fabricación en una sala limpia de clase 10.
En una sala limpia de clase 10, hay menos de 10 partículas de más de 0.5 µm y menos de 2 partículas entre 1 y 5 µm por pie cúbico.
A modo de comparación, el aire de la sala común es de aproximadamente “clase 1 millón”. Si se considera que la distancia entre la placa posterior y el diafragma es de alrededor de 20 µm, cualquier partícula más grande que esté presente en la cavidad causará problemas de estabilidad, especialmente cuando se produce condensación o cambios en la temperatura.
Si se perfora la membrana, se producirá contaminación y partículas y residuos entrarán en el cartucho. Es posible que lograr el mismo nivel de limpieza durante una reparación no garantice un micrófono con una respuesta óptima. Esta es la razón por la que Brüel & Kjær no ofrece reparación de micrófono.
¿Sabías qué?
Hemos monitoreado cuidadosamente la sensibilidad de nuestros micrófonos estándar de laboratorio Tipo 4160 y 4180 desde 1984. La sensibilidad permanece en el intervalo de ± 0.02 dB (esto significa menos de 0.2 % de cambios). Estos micrófonos se utilizan en todo el mundo en sistemas de calibración.
Autor: Dr. Rémi Guastavino Especialista acústico, Brüel & Kjaer, Traducción por MB Instrumentos, S.A. de C.V. Artículo original “The physics of sound and vibration – Measurement microphones explained” en línea en https://bksv.com/en/about/waves/WavesArticles/2018/Measurement-microphones-explained
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