Los micrófonos son todos iguales

Resumen: Para convertir la presión acústica en una señal eléctrica, los micrófonos de medición utilizan un delicado diafragma metálico estirado a través de una placa posterior con un espacio muy estr

Resumen:  Para convertir la presión acústica en una señal eléctrica, los micrófonos de medición utilizan un delicado diafragma metálico estirado a través de una placa posterior con un espacio muy estrecho entre ellos, formando un condensador. El sonido que se capta desvía el diafragma, y ​​la variación de la distancia a la placa posterior produce un cambio en la geometría del condensador, lo que genera una señal eléctrica proporcional a la presión del sonido.

La física del sonido y la vibración.

Hay micrófonos en casi todos nuestros dispositivos electrónicos, desde teléfonos fijos y celulares, computadoras y tablets, hasta televisores y relojes inteligentes. Pero, ¿cómo funcionan?  No son todos iguales, los hay desde los muy pequeños piezoeléctricos o de carbón (para los teléfonos p. ej.) que valen monedas y no necesitan buena fidelidad ni precisión, hasta algunos micrófonos bastante más grandes y caros diseñados específicamente para ser utilizados en sistemas que cuantifican precisamente el sonido: los micrófonos de medición.

Estos micrófonos de medición cubren todo tipo de aplicaciones, desde sistemas de detección sísmica acústica hasta mediciones de airbag y aplicaciones de ultrasonidos, siendo la más común la de transductor apropiado para sonómetros (o decibelímetros) de calidad.

Un poco de Física…!

La mayoría de los micrófonos de medición se basan en un principio físico simple: la capacitancia. La capacitancia 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). Cuando se expone a un sonido (variación de la presión del aire), 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 voltaje.   

Tamaños

Los micrófonos de medición vienen generalmente en diámetros de 1, ½, ¼ y 1/8 de pulgada. Cuanto más grande es el diafragma, más flexible se muestra y detecta mejor las variaciones de presión de sonido más pequeñas. Por otro lado, el tamaño del diafragma limita la detección de frecuencias a longitudes de onda que están en el mismo rango o más grandes que el diafragma. Los diafragmas grandes producen un ruido más bajo, mientras que los diafragmas pequeños permiten una alta frecuencia. Los micrófonos de pequeño tamaño permiten mejores características omnidireccionales a altas frecuencias. La longitud de onda de una onda de sonido de 20 kHz (el límite superior del rango de audición humano) es de unos 1,7 cm. Por eso es que para propósitos generales se utiliza comúnmente el micrófono de ½” en los sonómetros y los de ¼” en los dosímetros de ruido.

Sensibilidad

El desplazamiento del diafragma para un micrófono típico de ½ pulgada es de apenas unos 5 nanometros (una millonésima de milímetro!!) para una excitación de un pascal de presión. Para comparar, un diafragma (teórico) con un diámetro de UN KILÓMETRO, apenas se movería más o menos medio milímetro…!!

La sensibilidad es el voltaje producido por los micrófonos bajo una presión de sonido definida. Se expresa en V / Pa ,  y depende de la frecuencia. Una presión de sonido de un pascal corresponde a un nivel de 94 dB SPL (Sound Pressure Level = Nivel de Presión Sonora). Es por eso que la mayoría de los “calibradores” (realmente chequeadores de campo) de micrófonos producen un nivel de 94 dB, o sea 1 Pa.

Ahora pregúntense cuán repetibles y estables deben ser las propiedades elásticas de esta membrana para que el micrófono entregue una señal sensiblemente diferente entre (p. ej.) 94 y 95 dB a la misma frecuencia, y que pueda diferenciar entre distintas frecuencias de vibración…  ¿Será frágil?

Respuesta en frecuencias

Como la sensibilidad puede depender de la frecuencia, no puede usarse un único número para expresarla. Si se la quiere describir bien debería usarse una expresión de la sensibilidad en todo el rango de frecuencias. Cuando hay un único valor es porque generalmente se expresa en decibeles en relación con la sensibilidad a 250 Hz. Otra forma es aclarar un valor y un % máximo de desviación del mismo dentro del rango audible humano (aproximadamente desde 20-25 HZ hasta 18-23 kHz). Buenos micrófonos certifican la sensibilidad constante.


Rango dinámico

El rango dinámico de los micrófonos de medición (por ejemplo, 20 dBA - 140 dB) es el rango donde el micrófono actúa como un transductor lineal perfecto. El primer número depende del 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 aleatorios. Este número indica el nivel de presión sonora correspondiente al mismo voltaje que el ruido eléctrico generado por el micrófono por el simple hecho de estar “enchufado” (en el silencio más absoluto). El segundo número es el nivel de presión sonora más alto medible con menos del 3% de distorsión armónica total (que es una tolerancia bastante baja y mundialmente aceptada).

El rango dinámico de un micrófono a menudo está limitado también por el preamplificador al variar el voltaje de excitación.  Ocasionalmente es posible extender el límite superior del rango dinámico de un determinado micrófono (p.ej. de 130 a 144 dB) utilizando un preamplificador diferente.

Algunos micrófonos especiales de campo libre tienen un rango dinámico de 20 dBA a 160 dB (esto es 140 dB). Si convirtiéramos esta relación de presiones a distancias, sería como medir CON LA MISMA HERRAMIENTA desde un milímetro hasta diez kilómetros !! (y sin perder precisión, siempre dentro del ± 3% !!). Para los sonómetros de usos generales en Higiene Ocupacional y Medio Ambiente alcanza en general con rangos menores: 50 ó 70 dB para aquellos equipos sencillos en los que se debe ajustar la escala de medición previamente, hasta 100 a 120 dB en aquellos donde una sola escala cubre todo el campo de aplicación (p. ej. 30 a 140 dB)

Campo de sonido

Los micrófonos de medición, por su diseño físico en tamaño y forma, influyen en la presión del sonido antes de que se genere la señal eléctrica. Esta influencia depende del tipo de campo de sonido y se considera en el diseño de cada micrófono para que las respuestas estén optimizadas para compensar aquella 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 (Libre, Difuso, y de Presión) y es importante elegir el micrófono que mejor se adapte al campo de sonido.

Campo libre
Un campo libre es un campo de sonido donde las ondas de sonido pueden propagarse libremente sin objetos perturbadores. Esto significa un espacio sin reflexiones. Los campos de sonido con una gran similitud con el campo libre pueden lograrse físicamente en una cámara anecoica o eventualmente emularse electrónicamente usando un algoritmo de respuesta selectiva en el tiempo (TSR).  Los micrófonos de campo libre se utilizan normalmente para medir sonido en exteriores.

Campo difuso
Un campo difuso perfecto 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 observar en entornos tales como edificios con paredes duras, donde existen muchas fuentes de sonido o ruido simultáneos, o medidas en cabina. Los micrófonos de campo difuso se utilizan normalmente para medir el ruido interior de vehículo o la acústica de los edificios.

Campo de presión
Un campo sonoro de presión es provocado por una presión sonora que tiene la misma magnitud y fase en cualquier posición dentro del campo. Los campos de sonido con una gran similitud con el campo de presión se pueden lograr en pequeñas cavidades (pequeñas en comparación con la longitud de onda), como los oídos artificiales, sobre todo en altas frecuencias.  Los micrófonos de campo de presión se utilizan normalmente en acopladores, túneles de viento o en cualquier medición donde esté empotrado al ras.

ATENCIÓN:  Dependiendo de la frecuencia del sonido a medir, las diferencias entre usar o no el micrófono de campo adecuado a la aplicación pueden ser ENORMES.  Por ejemplo, el uso de un micrófono de campo libre en un escenario de campo de presión en torno a los 20 kHz, puede generar un error de entre 8 y 10 dB.   Si no está seguro sobre el campo de sonido con el que se va a encontrar, es mejor asumir que es difuso para minimizar el error de medición debido al cambio de escenario.

Estabilidad de la respuesta y Calibraciones.

Los mejores micrófonos de medición están diseñados para ser extremadamente estables, especialmente con el tiempo y frente a variaciones de condiciones ambientales (temperatura ambiente, humedad relativa y presión atmosférica). Para lograr esa estabilidad, se utiliza material de alta calidad cuidadosamente seleccionado y finalizada la producción se aplica un tratamiento térmico controlado para envejecimiento acelerado para liberar artificialmente cualquier tensión en los metales.

El armado del micrófono se suele hacer en una sala limpia de clase 10 o mejor (en una sala limpia clase 10 hay menos de 10 partículas por pie cúbico). Ya que como la distancia entre la placa posterior y la membrana metálica flexible es de entre 5 y 50 µm, cualquier partícula presente en la cavidad causará problemas de estabilidad al moverse o cuando se produce condensación o cambios en la temperatura.

Si se perfora o daña la membrana, se producirá contaminación, y partículas del aire ambiente entrarán. Cualquier intento de reparación será inviable pues no puede asegurarse la ausencia de partículas sobre las piezas usadas, e incluso es muy probable que aunque se lograra durante una reparación el mismo nivel de limpieza al fabricarlo, no se garantice un micrófono con una respuesta óptima. Esta es la razón por la que no se puede ofrecer reparación de micrófonos.

Incluso puede no existir ningún daño visible en la membrana pero por un mal uso o exposición a sonidos o ambientes fuera de lo recomendado en el manual, podrían afectarse sus propiedades elásticas y el micrófono no funcionará adecuadamente en todo el rango. Esto puede suceder a veces durante el chequeo con un “calibrador” portátil de campo: si se introduce demasiado rápidamente el micrófono en el generador de sonido o si se tapa inadvertidamente el pequeño orificio para igualar las presiones o se usa un generador de sonido de baja calidad puede generarse una sobrepresión que deforma de manera imperceptible la membrana. Hasta es probable que ajustando la ganancia del equipo pueda indicar bien en una determinada frecuencia y nivel (p.ej.: 114 dB, 1 KHz) o incluso en dos puntos, pero eso no garantiza que el instrumento esté midiendo bien en todo el rango de frecuencias y niveles. Si existe esa falla solamente se podrá detectar con un calibrador de varias frecuencias diferentes (mínimamente 125 HZ, 1 kHz, 4 kHz; preferentemente 6 ó 7 valores) y varios Niveles (mínimamente 84, 94, 114 y 124 dB; preferentemente 6 ó 7 valores) para poder realmente chequear el buen funcionamiento en una docena de puntos o más distribuidos por todo el plano “dB-Hz” del rango audible humano.

Un “calibrador” de campo es básicamente un generador portátil de sonido, generalmente a 1000 Hz y 114 dB, a veces con dos niveles (94 y 114 dB), algunos pocos con 2 frecuencias (250 y 1000 Hz). Es muy útil y se recomienda utilizar con cuidado, al comenzar y al finalizar cada medición para asegurar que el equipo completo no ha sufrido algún daño inhabilitante. Si el instrumento tiene la posibilidad de memorización, puede ser una buena estrategia que ambos chequeos sean guardados en memoria y así servir como constancia del control realizado. Los “calibradores” de campo también deben calibrarse contra un patrón para asegurar a) emitir un tono puro, b) chequear/ajustar la frecuencia, c) ídem del Nivel, y d) certificar su estabilidad.  Esta calibración es recomendada cada año junto con la completa del sonómetro y sólo pueden hacerse contra un generador de Laboratorio, patrón multiNivel multiFrecuente. Observe el Informe Técnico de la certificación:
Muestra informe calibrador acústico
Muestra  informe decibelímetro

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