11.1.2. 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 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: • 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: 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 Respuesta en frecuencia, Fidelidad: regularidad, linealidad 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 sí: • Sensibilidad a 1000 Hz: -77 dB ref. 1 V/µbar. • Sensibilidad a 1000 Hz: 0,14 mV/µbar. Algunas veces se prefiere especificar la sensibilidad indicando la potencia suministrada a la carga, en condiciones de adaptación cuando la presión incidente es de 1 Pascal (10 µbar). Se puede comprobar que ambas formas de expresar la sensibilidad están relacionadas mediante la expresión: LdBm=20 logS-10 logRL+ 44 dB donde se ha tomado p = 10 microbar y RL es la resistencia de carga. Para ello la fidelidad se puede expresar por medio de la respuesta de frecuencia que a su vez los fabricantes la suelen dar como curva de respuesta. Generalmente viene dada mediante una gráfica semilogarítmica en la que se representa en el eje horizontal la frecuencia y en el vertical la sensibilidad expresada en dB. Como se puede comprender en este caso no se tiene idea de la uniformidad de la curva de respuesta. que. se puede expresar 25 . teniendo así las variaciones en decibelios frente al valor para 1 kHz directamente.3 2.Respuesta en frecuencia A la sensibilidad en dB. Por ejemplo. Figura 1. La gama de frecuencia es el margen de frecuencia entre dos frecuencias extremas para las que la salida del micrófono sufre una atenuación dada. . absolutos o relativos. o bien una escala con el origen 0 dB en el valor correspondiente a 1 kHz. Regularidad La regularidad nos da idea de la uniformidad de la curva de respuesta.18000 Hz (-3dB) indicando que el margen de frecuencias está comprendido entre dos frecuencias que vienen determinadas cuando la señal de salida del micrófono se atenúa 3 dB. en función de la frecuencia. se le denomina respuesta en frecuencia. o bien representa la señal de salida referida a 1 V. Nos define el comportamiento de la señal de salida del micrófono en función de la frecuencia. Para ello el fabricante nos da los límites entre los que varía la curva de respuesta dentro de la gama de frecuencias. gama de frecuencia o regularidad. Constituye uno de los criterios decisivos para determinar la calidad de un micrófono y sus posibles aplicaciones. Gama de frecuencia Los fabricantes suelen dar la respuesta en frecuencia de otra forma más sencilla: la gama de frecuencia. Al decir que un micrófono tiene un cierto grado de fidelidad nos estamos refiriendo a que la sensibilidad es más ó menos uniforme dentro de la banda de frecuencias audibles. La curva obtenida de esta forma será aproximadamente plana en la zona central presentando “caídas” (pérdidas) en los extremos de la banda y posiblemente algún pico de resonancia (Figura 1). a no ser que el fabricante nos dé un margen máximo de variación de dicha curva de respuesta. Respuesta en frecuencia de distintos micrófonos La fidelidad de un micrófono nos indica la capacidad que tiene éste para reproducir exactamente (transformada en señal eléctrica) la onda de presión que incide sobre el diafragma. 4 Por ejemplo. En la misma figura vienen expresados los grados en las distintas curvas. Puede verse que para los micrófonos unidireccionales se da un mayor margen de fluctuación. según se puede ver en la figura 3. varía su sensibilidad en función del ángulo que forma el eje del micrófono con la dirección de propagación de la onda de presión. también algunas veces se suele dar la curva de respuesta para distintos ángulos de incidencia de la onda. lo cual nos da una idea de la directividad del micrófono. Esto es así. porque dichos micrófonos responden a gradiente de presión y presentan el inconveniente de que su salida en baja frecuencia aumenta cuando disminuye la distancia de la fuente al micrófono. en bajas frecuencias. Regularidad mínima dada por la gráfica de la figura 2. Dichas exigencias son las siguientes: • • Margen de frecuencias de 50 Hz a 12. Figura 3 Aunque generalmente las medidas de la sensibilidad se realizan para un ángulo de 0º (eje de micrófono y dirección de la onda forman 0º).2 dB 25 Hz a 18 kHz. Las normas DIN 45500 establecen mediante un gálibo las exigencias mínimas que debe cumplir un micrófono para ser considerado de alta fidelidad. Cuando menores sean estos valores más fiel será el micrófono. En la figura 4 se puede ver como el efecto directivo aparece en las altas frecuencias. esto es así porque los micrófonos tienen propiedades directivas. . dada en la figura por la línea de trazos.5 kHz como mínimo. En dicha 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. Figura 2: Área de tolerancia según la norma DIN de la curva de respuesta relativa a la de 1000 Hz para un micrófono omnidireccional (línea continua) y para un micrófono unidireccional (línea de trazos) Hay que hacer notar que la figura 2 representa las tolerancias máximas admitidas en la respuesta en frecuencia y que se ha tomado como nivel 0 dB el valor de la sensibilidad a 1 kHz. que nos dice entre que márgenes varía la sensibilidad del micrófono. es decir. + 4 dB . 2. Por esta razón. que da la tensión en circuito abierto (Vca). . Visto desde su salida eléctrica. A éste ruido hay que añadir siempre el del ambiente. Sus causas son diversas.5. en un ambiente idealmente silencioso. las moléculas de aire que chocan contra la membrana debido al movimiento térmico o. produciéndose dos tensiones inducidas opuestas. Este dato puede venir expresado de varias formas: • Como relación señal/ruido referida a una presión sonora de 1 Pascal (DIN 45590). por ejemplo. en cuyo caso son normales valores entre 60 y 70 dB • Como nivel de ruido equivalente ponderado (DIN 45590). tienen que pasar también forzosamente por la bobina compensadora. el movimiento térmico de los electrones en la resistencia de la bobina móvil. los buenos micrófonos dinámicos llevan una bobina compensadora. Ruido. es decir.5 Figura 4 4. Relación señal/ruido. en serie con la impedancia interna del micrófono (Zo). pueden inducirse tensiones perturbadoras en la bobina. que para micrófonos dinámicos es de tipo resistivo (Ro) y para micrófonos electrostáticos es de tipo capacitivo (Co). Cuando uno de estos micrófonos se sitúa en las proximidades de un campo magnético fuerte. en los micrófonos dinámicos. un micrófono es similar al circuito de la figura 5: un generador ideal de tensión. IMPEDANCIA INTERNA Y ADAPTACION DE MICRÓFONOS. con valores entre 20 y 30 dB • Como nivel de sonoridad equivalente ponderado en la malla A. arrollada en sentido inverso que la principal. que nunca es totalmente silencioso. debido a ruido inherente (IEC 170) con valores entre 10 y 20 dB. Este factor de interferencia magnética suele indicarse para un valor de campo magnético de 5 µT y una frecuencia de 50 Hz o de 100 Hz. y las vibraciones que se transmiten al micrófono. El “factor de perturbación por campo magnético” es un dato exclusivo para los micrófonos dinámicos. Factor de perturbación magnética El ruido propio de un micrófono se define como la tensión de salida que se obtiene en ausencia de perturbación. EFECTO DEL CABLE. Las líneas de fuerza que atraviesan la bobina móvil. La primera carga que se conectará al micrófono será un cable blindado. Micrófono Zo Vca Cable Mesa de grabación Cc Vm Vin Rin Figura 6 A continuación se indica como la tensión útil que llega a la mesa. Vin. a) Micrófonos de bobina y de cinta En el caso de este tipo de micrófonos Zo es resistiva y pequeña. Dicho cable unirá el micrófono a un sistema que podría ser. una mesa de grabación cuya entrada presenta una impedancia resistiva (Rin). Vm. con lo que la tensión útil. Esta impedancia interna es básicamente una resistencia Ro para los micrófonos dinámicos y un condensador Co para los electrostáticos. depende de la longitud del cable de unión micrófono-mesa y de la impedancia interna Zo del micrófono. Por ello el circuito equivalente es el que se muestra en la figura 7: I Micrófono Ro Vca Vm Cable Mesa Cc Vin Figura 7 .6 Zo Vca Vm Figura 5 Cuando se conecte una carga en la salida. parte de la tensión caerá en Zo. en el que se puede suponer que existe una capacidad entre hilos (Cc). proporcional a la longitud del cable. sobre la que interesa recoger la mayor tensión posible (Vin) de la que aporta el micrófono (figura 6). será menor que Vca. por ejemplo. será suficiente tomar Rin entre 600 y 1200 ohmios (Rin >> Ro). del micrófono a la mesa: Vca = IR 0 + Vin 1 R in jωC c ⇒ Vin = I 1 R in + jωC c Vin 1 = 2 Vca R 1 + 0 + (ωR 0 C c )2 R in En el caso de que Ro sea mucho menor que Rin y ω mucho mayor que el producto RoCc. se obtiene la curva de transferencia de tensión. normalizada respecto al máximo en dB. 0 -5 -10 -15 -20 0 10 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 Figura 8: función de transferencia para el micrófono dinámico. En la figura 9 se puede observar la evolución de la función de transferencia con la variación de Ro El pequeño valor de Ro permite utilizar longitudes de cable de hasta 60 metros sin pérdida de agudos. la función de transferencia se puede simplificar a: Vin 1 ≅ Vca ωR 0 C c En el caso de bajas frecuencias se cumple que: Vin R in ≅ Vca R in + R 0 En la figura 8 se representa dicha función de transferencia. en función de la frecuencia f.7 Analizando el circuito de la figura 7. . R0=200 Ω.. Para no perder nivel de tensión. Rin=600 Ω y Cc=10 µF. si Ro es del orden de 200 Ω. 9 Ro= 50 Ω 0. se pierde respuesta en graves (figura 11).8 1 Ro= 25 Ω 0. Rin=600 Ω y Cc=10 µF b) Micrófonos electrostáticos (de condensador) Para este tipo de micrófonos Zo corresponde a un condensador con una capacidad Co de muy bajo valor. I Micrófono Co Vca Vm Cable Mesa Cc Vin Figura 10 La función de transferencia de este circuito es la siguiente: + Vin 1 ⇒ R in jωC c Vin = I 1 R in + jωC c 1 Vca = I jωC 0 ωR in C 0 Vin = 2 Vca 1 + (ωR in (C c + C 0 )) A frecuencias altas se cumple que: Vin C0 ≅ Vca C c + C 0 En este caso la función de transferencia desde el micrófono a la mesa indica dos problemas: Si el cable es largo (Cc grande) se pierde nivel de tensión en la mesa.8 0. Si Rin no es muy alta. Para eliminar ambos problemas la cápsula electrostática se une directamente a la entrada de un preamplificador-adaptador que presente una elevada impedancia Rp a la cápsula y una baja .4 Ro= 200 Ω 0.5 Ro= 150 Ω Ro= 175 Ω 0.6 Ro=100 Ω Ro= 125 Ω 0.7 Ro= 75 Ω 0. El circuito equivalente sería ahora el que se representa en la figura 10.3 2 10 10 3 10 4 10 5 Figura 9: Efecto de Ro en la función de transferencia para el micrófono dinámico. 4 0. DISTORSIÓN LINEAL Y NO LINEAL En general. Con ello la salida del previo es similar a la de un micrófono dinámico.1 0 0 10 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 Figura 11: Función de transferencia para el micrófono electrostático. es constante e independiente de la tensión de entrada.5 0. respecto de la de entrada. Vs. (figura 12) f2 f1 0 Tensión de entrada (Ve) Figura 12: Distorsión lineal Dentro de la distorsión lineal se puede distinguir entre: a) Distorsión de amplitud: Cuando la amplitud a la salida varía en función de la frecuencia o no se mantiene la relación de amplitudes al variar el nivel de entrada. Ve.9 impedancia Rop al cable (típicamente 200 ohmios). no es proporcional a la frecuencia. Tensión de salida (Vs) Si para una frecuencia fija la función de transferencia.3 0. 0. es decir. pudiendo realizarse la conexión a la mesa por un cable largo sin problemas. . f=20 log H.2 0. la distorsión es lineal. se llama distorsión a cualquier deformación de la señal de salida del dispositivo en estudio. b) De fase: Cuando el cambio de fase introducido por el elemento en estudio no sigue una ley ∆φ=Kf. Rin=1 MΩ (impedancia de entrada muy alta) y Cc=Co = 160 pF (cable muy corto) NOTA: Los micrófonos piezoelétricos tambien están caracterizados por una alta impedancia de salida. Da lugar a irregularidades en la curva de respuesta. La malla no conduce. a la salida se encuentra una señal del tipo (ver comentarios de la sección 1. los dos hilos de unión del micrófono están aislados respecto a la protección metálica (malla) del cable del micrófono. pero es muy sensible a los campos parásitos externos ya que la malla no actúa como blindaje sino como conductor. además. . Ve. con cables cortos. Micro Cable vivo Conexión asimétrica masa Figura 13: Conexión asimétrica Este sistema es el más sencillo. Este montaje es el mejor ya que la protección contra las interferencias es perfecta si la masa del blindaje es buena (dicha masa será la común del equipo. creando una zona de campo nula alrededor de los dos cables internos que llevan la señal y que. por este motivo.. La señal va en forma diferencial (diferencial de potenciales). que puede ser el chasis de éste). Por este motivo se está en condiciones de emplear distintos tipos de conexión a saber: 1º Conexión de un micrófono con salida asimétrica (2 hilos) En este tipo de conexión la señal de audio se conduce por un solo hilo. la distorsión se llama no lineal. 2º Conexión de un micrófono con salida simétrica (2 hilos y blindaje) En el montaje simétrico.1. f=20 log H.10 Si para una frecuencia fija. c) Distorsión por intermodulación: Cuando al introducir dos señales de frecuencias f1 y f2 a la salida. es variable y depende de la tensión de entrada. Como circuito de retorno se utiliza la malla del cable blindado que se pone a masa (figura 13). pueden ir trenzados para compensar inducciones magnéticas. además señales. Se emplea.1. sin referencia a masa. CONEXIÓN DE LOS MICRÓFONOS La conexión eléctrica de los micrófonos al amplificador puede realizarse a través de cables con blindaje o sin blindar. Ao·sen ωt.1 para altavoces) A 0 + A1 sen 2ωt + A 2 sen 3ωt + .1 para altavoces) De fase: Si al variar la tensión de entrada varía el desfase introducido por el dispositivo. simplemente actúa como blindaje contra los campos externos.. Podemos distinguir: a) Distorsión armónica: Cuando al introducir una señal sinusoidal pura a la entrada. se obtiene. preferentemente. la función de transferencia. dado en la figura 14. función de f1-f2 y de f1+ f2 (ver comentarios de la sección 1. naturalmente. fácilmente identificables. ya que si conservamos el orden de las patillas del conector quedaran en fase. Cuanto más separados se encuentran los micrófonos el efecto de cancelación es menor. 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. Pero será bastante más problemático sino son del mismo fabricante o son modelos muy diferentes ya que. Este montaje supone. son muy importantes. En este caso decimos que se utiliza un transformador separador (figura 15). y se encuentran próximos unos a otros. los 50 Hz de la red. Tampoco tendremos problemas si utilizamos micrófonos equilibrados o simétricos del mismo modelo y fabricante. quedan dos conductores por micrófono que no sabemos en que orden conectar (figura 16). En los micrófonos de conexión desequilibrada o asimétrica no existen problemas de fase. lo que puede conseguirse con la utilización de un transformador con primario y secundario separados. como en el caso de una grabación estereofónica. Simétrico Asimétrico Amplificador Figura 15 LA FASE EN LOS MICRÓFONOS Los micrófonos deben de estar conectados en fase de manera que a un mismo efecto sonoro. al mezclar después sus señales para obtener la información definitiva. sólo tiene contacto con los dos hilos de unión del micrófono. Esto sucede cuando se utiliza más de un micrófono. la presencia de una entrada simétrica en el amplificador o mesa de mezcla a la que esté conectado. Las dos conexiones del primario del transformador no tienen contacto ninguno con el chasis (mesa) del amplificador o mesa de mezcla. de manera que ambos están claramente diferenciados. por ejemplo. ya que un punto es la masa y el otro “vivo” de la señal. .11 Micro Cable señal Conexión simétrica señal masa Figura 14: Conexión simétrica Hay que tener en cuenta que la señal que se transmite es del orden de los milivoltios. encontraremos que las señales se cancelan unas a otras en lugar de reforzarse. después de unir las masas. den señales del mismo signo en sus bornes de salida. con lo que los efectos de las inducciones. por ejemplo de -5 dB. al menos. la lectura es menor que la obtenida con cada micrófono (menor de -5 dB). Anotaremos la posición a la que se obtiene dicha salida. colocando todos los controles de mezcla a cero. 4º Finalmente. En este caso. retornando de nuevo el control a cero. situaremos ambos controles en las posiciones anotadas para cada uno de ellos. subiremos el control de nivel de uno de ellos hasta conseguir un nivel de salida conveniente. Una nueva prueba nos llevará al convencimiento pleno de que ambos micrófonos se encuentran ahora en fase (figura 17). A B . Si es mayor que la que se obtenía separadamente con ambos micrófonos (esto es mayor de -5 dB) podemos asegurar que están en fase. 3º Procederemos de igual forma con el segundo control de nivel. los micrófonos están en contrafase. sin dejar de producir el sonido de antes. dejando el otro igual.12 En fase En contrafase Figura 16 Existen varios procedimientos para poner los micrófonos en fase. Si por el contrario. Los pasos a realizar son los siguientes: 1º Situaremos los micrófonos muy próximos el uno al otro y los conectaremos a dos entradas independientes. hasta alcanzar el mismo nivel de salida de antes (-5dB). observando la lectura del indicador del nivel de salida. 2º Emitiendo un sonido de nivel constante. Anotaremos la posición del control para que se obtenga dicho nivel. algunos de los cuales son sencillos ya que solo precisan de un mezclador que posea. o hablando delante de los micrófonos. solo hay que intervenir las conexiones de la señal de uno de los micrófonos. y lo pondremos de nuevo a cero. dos entradas para micrófono y que incorpore un indicador de nivel de salida. A: Montaje a realizar.13 C D En fase E Contrafase Figura 17: Búsqueda de la conexión en fase. D: Comprobación y conexión en fase. C: Búsqueda de nivel en el segundo micrófono. E: Comprobación y conexión en contrafase . B: Búsqueda de nivel en el primer micrófono. Factor e índice de directividad Las magnitudes aquí definidas son análogas a las magnitudes del mismo nombre definidas para transductores emisores. R(θ. de forma que no reste definición a la fuente de sonido principal. ψ = V P θ = 0 . ψ )dΩ 4π 0 R 2 (θ 0 . ψ ) = (S)θ. ψ 0 ) 1 4π 2 R (θ. En esta sección distinguiremos dos partes muy diferenciadas. como puede ser el ruido de público en un concierto. ψ 0 ) ∫ = R 2 (θ 0 . ψ 0 ) 1 4π r 2 sen θdθdψ R (θ. La segunda trata sobre los procedimientos para conseguir distintos diagramas de directividad en transductores receptores. PARÁMETROS QUE DESCRIBEN LA DIRECTIVIDAD DE LOS MICRÓFONOS Respuesta relativa.14 5. como el cociente entre la sensibilidad en la dirección considerada y la sensibilidad en la dirección de máxima sensibilidad que. la respuesta relativa es un cociente de tensiones. la relación queda: Q(θ0 . hay que tener en cuenta que si en la sala donde se realiza la grabación la reverberación es excesiva. ψ ) 2 r 2 R (θ0 . ψ 0 ) = R 2 (θ0 . cuyo objetivo es definir y relacionar los parámetros que describen las propiedades direccionales de los transductores receptores (micrófonos). CARACTERÍSTICAS DIRECCIONALES DE LOS TRANSDUCTORES RECEPTORES (MICRÓFONOS) En la toma de sonido se da con frecuencia el hecho de que. La primera. Además. Matemáticamente: Q(θ0 . además de la fuente útil existen otras fuentes secundarias. Utilizando coordenadas esféricas y suponiendo simetría de revolución en el eje Z (No hay dependencia con el ψ). puede interesar que el micrófono no capte las ondas reflejadas o por lo menos las capte con una intensidad reducida. es la de θ = 0 y ψ=0: R (θ. que no interesa en absoluto captar con el micrófono.Φo). Directividad Se define la respuesta relativa de un micrófono en una dirección determinada. ψ )dΩ 4π 0 ∫ En esta expresión el denominador sería el cuadrado de la tensión que se generaría si se situara el micrófono en un campo difuso. ψ =0 Si la medida se ha realizado con la misma presión P. ψ ) r2 2 = ∫ 4π 0 dS R (θ. Se define el factor de directividad de un micrófono en una dirección determinada (θo. ψ 0 ) = 2 1 π 2 R (θ ) sen θdθ 2 0 ∫ .ψ Smax V P θ. usualmente.ψ). ψ 0 ) 1 4π 2 R (θ. 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. ψ 0 ) = = 1 4π 2π π ∫ ∫ 0 0 R 2 (θ 0 . es el arco alrededor del valor máximo para el cual la presión cae 3 dB. representado en la figura 1. Eficiencia media de energía (DE) Se define como el cociente entre la energía media captada por un micrófono directivo en todo el espacio y la energía captada por un micrófono omnidireccional. Arco de captura 3 y 6 dB El arco de captura de 3 dB. Es la relación existente entre el valor de presión a 0º y a 90º: 20 log p(θ = 90º ) p( θ = 0 º ) Salida relativa a 180 grados: Relación delante-detrás. = 1 E. θ3dB.D. pero para una caída de 6 dB. Por ejemplo.15 El Índice de directividad es el factor de directividad expresado en dB. Otros parámetros Ecuación polar La 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. o la misma respuesta media en el espacio. Es la relación existente entre el valor de presión a 0º y a 180º: 20 log p(θ = 180º ) p ( θ = 0º ) . Se verifica que: F. El arco de captura de 6 dB se define del mismo modo.D. un hipercardioide (tabla 1) debe situarse a la mitad de distancia de la fuente que uno omnidireccional para que ambos tengan la misma eficiencia media de energía. 90 120 60 150 30 180 0 210 θ3dB 330 240 300 270 Figura 1 Salida relativa a 90 grados. Factor distancia (FD) Es la distancia relativa a la que hay que situar un micrófono omnidireccional respecto a uno directivo para que la respuesta media en el espacio de ambos sea idéntica. 5(1+cosθ) 131 180 0.63cosθ 115 156 0 cos2θ 60 90 0 0.5(1+cosθ)cosθ 77 104 Diagrama polar 90 120 60 150 Omnidireccional 30 180 0 210 330 240 300 270 900 120 60 -10 -20 150 30 -30 Bidireccional 180 0 210 330 240 300 270 900 120 60 -10 -20 150 30 -30 180 Cardióide 0 210 330 240 300 270 900 120 60 -10 -20 150 30 -30 180 0 210 Hipercardioide 330 240 300 270 900 120 60 -10 -20 150 Supercardioide 30 -30 180 0 210 330 240 300 270 900 60 120 -10 Bidireccional 2º orden -20 150 30 -30 180 210 330 240 300 270 900 120 60 -10 -20 150 Cardioide 2º orden 30 -30 180 210 330 240 300 270 Tabla 1 . TABLA RESUMEN Ecuación polar F(θ) Ángulo de captación –3 dB Ángulo de captación –6 dB 1 360 360 cosθ 90 120 0.25(1+3cosθ) 105 141 0.37+0.16 CLASIFICACIÓN DE LOS MICRÓFONOS EN CUANTO A DIRECTIVIDAD. 133 2º orden 180 -8.33 1.250 2 -6 dB Supercardioide -8.6 -11.200 2.7 .8 dB Cardióide -6 180 0.7 -4.268 1.7 -4.33 1.8 dB Tabla 2 2.8 dB Hipercardioide -12 -6 110 0.7 dB Bidireccional 2º orden 0 90 0.9 -5.2 -7 dB Cardioide 90 0.7 126 0.17 Omnidireccional Tensión de salida relativa a 90º (dBs) Idem a 180º 0 0 Ángulo para tensión de salida nula Eficiencia media de energía DE Factor de distancia 1 1 0 dB Bidireccional 0 90 0. la del transductor electromecánico unido a él y la elástica de la cámara interna dará lugar a la producción de un voltaje o una intensidad eléctrica. se aborda la cuestión de cómo obtener la fuerza que mueve el diafragma del micrófono. Dicho de otra forma. debidos a los fenómenos de interferencia y difracción. El aire en el interior de la cavidad interna de volumen V actúa elásticamente comportándose como un tubo cerrado. P Orificio diafragma Cavidad Cerrada Conexión mecánica al elemento transductor P2 P1 P Diafragma λ/2 Figura 2 x Figura 3 La fuerza que la presión exterior ejerce sobre el diafragma es F=PS. que como sabemos empiezan a aparecer cuando las dimensiones de los obstáculos son del orden de la longitud de onda de la onda incidente. Para mantener la presión estática (en equilibrio) en el interior de la cavidad igual a la presión atmosférica se practica un agujero fino a través de ésta. Circuitos acústicos para la obtención de diagramas direccionales En esta sección se estudian los diferentes tipos de transductores acústico-mecánicos empleados en la práctica. su compliancia CMD y su resistencia RMD) venciendo su impedancia mecánica. Efecto de proximidad Los 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 4). La magnitud de la fuerza sobre el . la sensibilidad serán independientes de la orientación del micrófono. El movimiento que la fuerza F provoca en el diafragma (caracterizado por su masa MMD. Si las dimensiones del diafragma son pequeñas comparadas con la longitud de onda se puede considerar que la presión sonora que incide sobre el diafragma es constante e independiente de su situación en el campo sonoro (figura 3).18 6. Este mecanismo es el que determina la directividad del micrófono. siendo S la superficie del diafragma. Micrófonos combinados de presión y de gradiente de presión. Se dice que el micrófono es omnidireccional y su curva de directividad será una circunferencia (igual sensibilidad para todas las direcciones) presentando en altas frecuencias efectos direccionales. En función de la forma de obtener la fuerza se distinguen los siguientes tipos de micrófonos: • • • Micrófonos de presión (Omnidireccionales). Micrófonos de gradiente de presión (Bidireccionales). Están formados por un diafragma flexible que termina por una de sus caras en una cavidad cerrada. Los cambios rápidos de presión producidos por la onda sonora incidente hacen que el diafragma se mueva hacia adentro o hacia afuera (figura 2). Micrófonos de gradiente de presión. La fuerza y. por tanto. Micrófonos de presión En este tipo de micrófonos. el diafragma se mueve respondiendo a variaciones de presión sonora. la fuerza sobre el diafragma. que: fD = − ∂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 ocho (bidireccional). Para el caso de una onda plana progresiva p = p 0 e − jkx + jωt ∂p = p 0 (− jk )e − jkx + jω = (− jk )p ∂x Por tanto. De las figuras 4 y 5.19 diafragma es función de la diferencia de camino recorrido. será: . la fuerza vale: f D = − ∆pSD cos θ ≅ − ∂p ∆lSD cos θ ∂x A partir de la relación: ∂p ∂u = −ρ 0 ∂t ∂x y suponiendo una variación armónica: ∂u ∂ = u p e jωt ∂t ∂t ∂p = −ρ 0 jωu ∂x ( ) se tiene. por tanto. teniendo en cuenta que la superficie normal a la onda es S=SDcosθ. de la frecuencia y del ángulo de incidencia de la onda sonora. ∆l 2 1 p(x+∆l) p(x) SD a p(x) X θ X S dx Figura 4 X Figura 5 A continuación se estudiará como responde el micrófono ante una onda plana progresiva y ante una onda esférica también progresiva. Podemos deducir. al área del diafragma y al coseno del ángulo que la normal al diafragma forma con la dirección de propagación de la onda sonora. Para el caso de una onda esférica progresiva Para este caso. por tanto. Por esta razón a este tipo de micrófonos se les llama de velocidad. cuando se habla muy cerca del micrófono. por lo tanto. proporcional a la velocidad de las partículas para cada frecuencia. La expresión tiene la misma forma que en el caso de una onda plana con la diferencia de que en este caso el valor del módulo de la velocidad vale: .20 ∂p ∆lSD cos θ = jp 0 kSD ∆le − jkx cos θ = ∂x ω = p 0 kS D ∆l cos θ = p 0 SD ∆l cos θ c fD = − 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: ω SD d cos θ = c = ρ 0 u 0 SD ωd cos θ f D = p 0 kSD d cos θ = p 0 donde se ha tenido en cuenta que el valor de la impedancia acústica específica es: ZS = p0 u0 = ρ0c La fuerza es. que la fuerza eficaz que actúa sobre el diafragma es directamente proporcional a la velocidad de las partículas en la dirección de propagación de la onda. las ecuaciones son: p ef = A 2 − jkr + jωt e r ∂p A 2 1 − jkr + jω − (1 + jkr ) = − = A 2e − jkr+ jω + jk e 2 ∂r r r r de donde se obtiene que: fD = − ∂p 1 + jkr dS D cos θ = dS D A 2 e − jkr + jωt cos θ ∂r r2 y en módulo: f D ef = 1 + k 2r 2 1 + k 2r 2 dS A cos θ = k p ef dSD cos θ = D r2 kr = u ef ωρ 0SD d cos θ donde se ha utilizado la relación: u ef 1 + k 2r 2 = ρ0 c kr p ef obtenida a partir de la impedancia acústica específica de la onda esférica. a la densidad. a la frecuencia. que es el que caracteriza la directividad de este tipo de micrófonos. En efecto. Nótese que en la expresión de la fuerza. kr >> 1. la sensibilidad. reduciendo r y reforzando como se ha dicho. Al aumentar fD aumentará también la salida eléctrica y por lo tanto.21 u ef = 1 + k 2r 2 ρ0 c kr p ef Para frecuencias altas. llamado efecto de proximidad. Campo Fuente u Campo próximo Campo lejano 1/r 1/r2 rp ≈ 50 f Figura 6 r Figura 7 Efecto de proximidad . la fuerza disminuye de manera inversamente proporcional a la distancia r (es decir. se deja notar bastante cuando un locutor o cantante se acerca bastante al micrófono. las bajas frecuencias (figuras 6 y 7). Este efecto. al acercarse al micrófono). esta expresión coincide con la obtenida para ondas planas: u ≅ p ef ρ 0c Para frecuencias bajas. las bajas frecuencias se ven reforzadas cuando r es pequeño. la respuesta relativa será: R (θ) = V pθ V p θo = cos θ cuya representación es la de la figura 8. Por tanto. tanto en el caso de una onda plana como el en caso de una onda esférica. aparece el término cosθ. 4 0. y los de gradiente de presión bidireccionales.22 901 120 0. Para lograr cualquier otro diagrama polar de directividad en receptores es necesario recurrir a un circuito acústico de desfase. la onda ha de pasar por un circuito inversor de fase acústica. los micrófonos de presión son omnidireccionales. En un micrófono de este tipo. La señal llega así realizando una fuerza doble sobre el diafragma.6 150 30 0. a veces. se consigue que la onda acústica que incide por la cara posterior se haya desfasado un cierto ángulo respecto la que incide frontalmente.2 180 0 210 330 240 300 270 Figura 8: Diagrama de directividad del micrófono de gradiente de presión MICRÓFONOS COMBINADOS DE PRESIÓN Y DE GRADIENTE DE PRESIÓN Como se ha visto en los apartados anteriores. La figura 9-a muestra el caso de que incida una onda de presión con ángulo 0º y fase 0º. Este desfase se controla mediante redes acústicas adecuadas. En este caso la incidencia con 90º es la que se anula.8 60 0. La característica de este tipo es bidireccional. La figura 9 muestra un micrófono combinado cardioide. donde la parte frontal del diafragma actúa por presión. mientras que para llegar a la otra cara del diafragma. El diagrama resultante es un cardioide. se dice que estos micrófonos son de gradiente con desfase controlado. también llamado circuito inversor. por lo que. . Figura 9-a Figura 9-b En la figura 10 se muestra el diafragma de un micrófono en el que tanto la parte frontal como la posterior se exponen al campo sonoro. En la figura 9-b la onda llega con un ángulo de 180º de forma que el diafragma no se mueve. o las que se refieren a las grabaciones de tipo científico de animales en su medio natural. por ejemplo. etc. Posición 4: supercardioide Por lo que respecta a las técnicas para conseguir micrófonos altamente directivos se citan dos técnicas de construcción: a) Micrófono parabólico (Figura 13) Hay muchas ocasiones en las que hay que captar una fuente sonora a la que no podemos acercarnos con el micrófono. Posición 2: omnidireccional. en las que deseamos captar una fuente sonora alejada y situada en un ambiente ruidoso. . Esto puede ocurrir. Posición 3: bidireccional. Diafragmas 1 2 D2 3 4 D1 Polarización Selector de directividad Figura 11: Micrófono de doble diafragma. en un estudio de televisión para obras dramáticas en donde los actores se mueven. Otros casos son algunas retransmisiones de tipo deportivo u otro tipo. Posición 1: cardioide.23 Figura 10 OTROS MÉTODOS PARA OBTENER CARACTERÍSTICAS DIRECCIONALES Las figuras 11 y 12 ilustran un método alternativo para conseguir características directivas de micrófonos combinando dos cápsulas. lo que nos dice que es prácticamente imposible. ya que se necesitarían reflectores de más de 1 metro. 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. que concentra las ondas que inciden paralelamente a su eje. para un caso general. d1 Frente Plano Eje FOCO d2 Figura 20: Micrófono parabólico En todos estos casos no basta con utilizar un micrófono cardióide o similar. El tamaño de este reflector depende de las frecuencias que se deseen concentrar o dirigir. podemos decir que el sistema es efectivo mientras las longitudes de onda son menores que el tamaño del reflector. En general. se consigue aumentar la sensibilidad del conjunto para los sonidos frontales en una media de 20 dB. ya que no se obtiene una atenuación suficiente de las fuentes sonoras laterales. propiamente dicho. se sitúa en el foco acústico de un reflector parabólico.24 = + Cardioide Cardioide Omnidireccional = Cardioide Cardioide Bidireccional = Cardioide Supercardioide Cardioide Figura 19: Detalle de las combinaciones 2. concentrar frecuencias por debajo de los 340 Hz. 3 y 4 del circuito del micrófono de doble diafragma. Con este sistema. . se producen dentro de este unas interferencias que atenúan la presión acústica de estos sonidos laterales. con respecto a la que se obtiene para las bajas frecuencias. generalmente unidireccional. Estos micrófonos consisten en una cápsula. Así pues. como consecuencia de la disparidad. otra de las condiciones que se deben cumplir es que dicho tubo esté terminado en ambos extremos por la impedancia característica del medio. Esto tiene como efecto el estrechamiento progresivo del diagrama directivo cuando crece la frecuencia. La longitud efectiva del tubo aumenta para las altas frecuencias. el material sirve para evitar la presencia de ondas estacionarias y no presenta mayores complicaciones. 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. 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.25 b) Micrófono de cañón (Figura 14) Otra solución consiste en utilizar uno de los micrófonos del tipo "cañón" que se ofrecen en los catálogos de las casas fabricantes. eliminando sustancialmente de esta forma su contribución en altas . debe ser independiente del punto del tubo sobre el que incidan. Tanto las ranuras de entrada del sonido como el interior del propio tubo están cubiertas por determinados materiales absorbentes. Esto quiere decir que hay que incrementar de forma escalonada El valor relativo de la resistencia acústica empleada en cada ranura. 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. entre la longitud de onda del sonido y las dimensiones físicas del tubo. Puesto que en el tubo solo deben penetrar las ondas progresivas. y mayor si la cápsula es de tipo dinámico. según se vayan acercando estas a la cápsu1a. 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 aumenta el valor correspondiente a la reactancia de la masa acústica de las ranuras situadas cerca de un extremo del tubo. En el interior del tubo. más o menos largo y elaborado. 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. Para evitar esta desigualdad en las propiedades directivas. en este último caso. que puede ser del tipo dinámico o de condensador y a la que se añade un tubo direccional. 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. de forma que todos estos sonidos lleguen al diafragma con la misma amplitud pero con distintas relaciones de fase. 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. La atenuación de los sonidos laterales que inciden sobre el tubo y afectan a la cápsula. En estos micrófonos es particularmente importante emplear las protecciones adecuadas contra el viento al rea1izar tomas al aire libre o al ejecutar movimientos rápidos con el micrófono. También es particularmente importante el bajo nivel de ruido propio del micro a la hora de copiar sonidos distantes y débiles.26 frecuencias. . Las ranuras situadas a lo largo del tubo forman parte de un sistema distribuido de filtros pasobajo con frecuencias de corte graduales. La separación de las ranuras es menor en el extremo del tubo situado junto a la cápsula (extremo correspondiente a las altas frecuencias). siendo mayor en el extremo libre (correspondiente a las bajas frecuencias).