3- EAI Especificaciones de micrófonos Cap. 3

7/30/2019 3- EAI Especificaciones de micrfonos Cap. 3

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Ing. Francisco Ruffa 1

Electroacstica I

Especificaciones de

micrfonos

Captulo 3



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Micrfonos: Especificaciones generales

Los parmetros que especifican y definen las caractersticas acsticas yelctricas de un micrfono, varan de fabricante a fabricante.

En algunos casos nos encontraremos que son insuficientes y en otrosabundantes, pero confusos .

La informacin mnima necesaria deber contener valores de:

9 Sensibilidad.

9 Impedancia.

9 Respuesta en Frecuencia.

9 Directividad.

9 Relacin seal ruido.


Micrfonos: Especificaciones generales

Mecano - acsticas Elctricas

Caractersticas

Caractersticas mecano - acsticas

Directividad o respuesta polar

Definimos como directividad, a la sensibilidad relativa de un micrfono enfuncin de la direccin de donde proviene el sonido.

El patrn direccional de un micrfono, es decir la sensibilidad quepresenta para cada direccin del campo, suele especificarse mediante undiagrama polar.


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Una serie de crculos concntricos indican el valor en dB, mientras que elngulo de los radios, medido en grados sexagesimales, muestran la

orientacin de la fuente.

Los patrones direccionales se dividen en dos grandes grupos

Omnidireccionales Direccionales

Son dispositivos depresin que responden,

sin d iferencias, a las

distintas orientaciones.

Son dispositivos degradiente de presin, quese pueden subdivid ir en:

Cardioides

SupercardioidesHipercardioides

Bidireccional o figu ra de ocho


Omnidireccional


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Cardioide


Supercardioide


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Hipercardioide


Bidireccional o figura de ocho


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El conocimiento de las caractersticas directivas de un determinadomicrfono , es esencial a la hora de definir las condiciones generales de

cualquier proceso de audio donde se hallen involucrados.

Tres ejemplos de comportamiento de un micrfono de respuesta cardioide,frente al campo generado en un recinto.


Un micrfono direccional reduce substancialmente el nivel de las sealesaleatorias (campo reverberante o fuera del eje), respecto del nivel de la sealdeseada (sonido directo o en el eje).

El cociente entre ambos niveles se conoce con el nombre de Random

Energy Efficiency (REE) y se especifica en veces o en dB.

Esta informacin ser til en aplicaciones en vivo, dado que permiteconocer la cifra de rechazo del campo reverberante, principal fuente deacoplamiento.

Eficiencia Direccional de Energa (REE)


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Factor de distancia : Cantidad de veces en que puede incrementarse la distanc ia a lafuente sin dismi nuir el REE.

Distintas caractersticas de los cinco patrones polares ms comunes.


Respuesta en Frecuencia

La respuesta en frecuencia debera ser uno de los parmetros ms tiles ala hora de seleccionar un mic rfono.

Normalmente se especifica en el eje y para un nivel constante de presinsonora a lo l argo del espectro de frecuencias.

El resultado se grafica en un diagrama cartesiano semilogartmico, con la

respuesta en decibeles en funcin de la frecuencia en Hertz .

Con las tcnicas actuales de fabricacin, casi todos los micrfonos dedeterminada calidad tienen buena respuesta en frecuencia.

A menudo, una buena respuesta no s igni fica necesariamente que ste seamejor.


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Un micr fono econmico suele tener respuesta plana entre 20 y 20000 Hz.

En general, cuanto ms chico sea el micrfono, ms fcil resultar llegar afrecuencias altas.


Los micrfonos ms caros uti lizan diafragmas de mayor superficie a fin demejorar la relacin seal ruido, dato que pocas veces es suministrado por elfabricante.

Cuanto mayor sea la superficie del diafragma, mayor ser la energaacstica que intercepte y la que transformar en elctrica.

El ruido de fondo asociado a un micrfono es constante y tiene que vercon el ruido elctrico o Jhonson proveniente de su resistencia interna, conexcepcin de los micrfonos que poseen preamplificador incorpo rado.

Los micrfonos dinmicos (lo ms usados) tienen una resistencia internaasociada, generalmente del orden de 150 ohms, que generar un ruidopropio, por lo tanto a mayor superficie de diafragma, mayor seal y mejorrelacin S / R.


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Problemas de respuesta en baja frecuencia

El rango de respuesta en frecuencia puede quedar comprometido porcondiciones ajenas al operador, tales como:

Ruido de baja frecuencia enla sala de grabacin

nfasis en bajas frecuenciasdebido a la cercana de lafuente, llamado efecto deproximidad.



Ruido de baja frecuencia

Se transmite por va slida, debido avibraciones dentro del recinto entre

3 y 25 Hz

Soluciones

Aislarlo con unsoporte

antivibratorio

Utilizar unmicrfono con

menor respuestaen baja

frecuencia

Intercala un filtropasa altos


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Efecto de proximidad

Aparece como un aumentode la respuesta en graves a

medida que la fuente deseal se acerca a la cpsula

Un micrfono de gradientede presin responde a lasdiferencias de presionesentre su cara anterior y

posterior

Debido a la ley de inversa del cuadrado, que es constante para todas lasfrecuencias, la fuerza actuante sobre la cara anterior se incrementaenormemente a medida que la distancia disminuye.


Efecto de proximidad

La mayor presin en graves, combinadacon la co rta distancia entre las caras del

diafragma, dan como resultado unincremento en frecuencias bajas.

9 Este efecto puede ser bueno o malo.

9 Si un vocalista o un inst rumentista necesitan reforzar las bajasfrecuencias, podrn lograrlo acercndose al micr fono.

9 Si se desea evitarlo, se resuelve incorporando en el micrfono un fil tropasa altos.


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Las caractersticas elctricas de un micrfono, conforman el conjunto deparmetros elctricos de salida, necesarios para su correcta aplicacin.

Caractersticas elctricas

SensibilidadMxima p resin

admisibleImpedancia


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La sensibilidad de un micr fono es el nivel de salida en Volts [V] que stees capaz de producir, para una seal de entrada normalizada en niveles depresin sonora [dB SPL] y expresada en decibeles.

A fin de establecer el nivel de seal de entrada en un sistema de sonido,se necesitar conocer la tensin de salida elctrica generada por elmicrfono, expuesto a un campo acstico de valor conocido .

Existen dos mtodos de medicin:

9 Tensin de circui to abierto, donde 0 dB = 1 V / bar

9 Mxima potencia de salida, donde 0 dB = 1 mW / 10 bar = 1 mW Pa

Sensibilidad


Los niveles de presin sonora mas comunes para efectuar medicionesson:

9 94 dBSPL, 10 dyn / cm2 SPL, 10 bar o 1 Pa9 74 dBSPL, 1 dyn / cm2 SPL, 1 bar o 0,1 Pa9 0 dBSPL, 0,0002 dyn / cm2 SPL, 0,0002 Pa o 20 Pa

Esta especificacin implica:

Determinar el nivel deamplificacin necesaria parallevar la seal procedente del

micrfono a valoresoperativos de lnea (-10 dBV o

+4 dBm)

Realizar comparaciones entredistintos micrfonos


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Esta comparacin resulta a veces confusa, por lo que analizaremos los

mtodos.

La sensibilidad de un micrfono debe ser medida con una fuente quegenere un n ivel SPL de 94 dB, equivalente a 10 Dinas/ cm2 o 1 Pascal .

Cuando se utilicen 74 dB (1 Dina/cm2 o 0.1 Pascal), valor muy comn enmediciones, resultar difcil realizar mediciones de campo, debido a la

proximidad de este valor con el ruido ambiente.

"Sound System Engineering Don Davis

Tensin de circuito abierto (0 dB = 1 V / bar)


Existen varias buenas razones para elegir este mtodo entre los otrosplanteados:

9 Permite calcular el comportamiento del micrfono bajo cualquiercondicin de carga.

9 Se corresponde con condic iones reales de uso.

9 Cuando se lo conecta a una impedancia alta respecto a la propia, lasvariaciones de impedancia del micrfono no producen cambios en surespuesta.

Tensin de circuito abierto


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A fin de compatibi li zar esta di ferencia de niveles, Davis propone un

mtodo de medicin.

El procedimiento requiere:

Un sistema degeneracin de ruidorosa ent re 250 y 5000Hz, filtrado por octava

Un amplificadorUn buen parlante de

prueba



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La sensibilidad del sistema (S) ser:

S = 20 log. (EO) - LP + 74Donde:S = dB referidos a 1 V para una presin de 1 Dina/cm2 (LP = 74 dB)EO = Tensin de salida a circuito abierto en volts.LP = Nivel de la seal acstica aplicada.Distancia de medicin = 1 m.

Mediciones a realizar:

Nivel SPL (LP) a travsdel medidor de nivel

sonoro, ajustado a 94 dB

Tensin de salida EOcon un voltmetro.


9 Sea 0,001 V (1 mV.), la tensin de salida de un micrfono sometido a unnivel de presin sonora de 94 dB.

9 Su sensibilidad ser:

- 80 dB / V / 1 Dina/cm2

9 Que deber leerse:

9 Menos 80 dB, referido a un volt, referido a una Dina por centmetrocuadrado es decir 0,1 Pascal .

Ejemplo


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Mtodo grfico


L = S - 10 log. (Z )+ 44 dB

Donde:

L = Sensibilidad en dBm referida a un SPL de 94 dBZ = Impedancia del micrfonoS = Sensibilidad, segn: S = 20 log. (EO) - LP + 7444 dB = Constante

9 Si la sensibilidad estuviera expresada en trminos de dBm, es decir comorelacin de potencias respecto a una referencia (0,001 W), la expresin quevincula ambas sensibil idades ser:

Mxima potencia de salida (0 dB = 1 mW / 10 bar = 1 mW Pa)

44 dB

9 Este valor surge de la suma de:


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La ganancia en tensin S (dBV) se halla referida a 1 V sobre 1 ohm, esdecir 1 W., por lo que la ganancia en dBm (referido a 0.001 W) ser iguala:

10 log. 1W / 0.001W = 30 dB.

La diferencia entre el SPL para determinar S (74) dB) y el nivel paradeterminar L (94 dB) = 20 dB.

La diferencia entre el valor de S medida a circuito abierto y el valor de Lmedida sobre un circuito de iguales impedancias = - 6 dB.

Aplicando la ecuacin a nuestro ejemplo, obtendremos que la sens ib il idadL de ese micrfono, suponiendo que su impedancia sea Z = 200 ohm, serigual a -59 dBm/ 10 Dinas/cm2 .


9A f in de poder efectuar las conversiones, es ti l recordar que:dB SPL = 20 log (Pout / 20 pascal)

dBV = 20 log (Eout / 1 V)dBm = 10 log (Pout / 1 mW)

La tabla indica las formas de expresin mas comnmente utilizadas por losfabricantes y sus equivalencias.

dBm / 10 dinas/cm

dBm / 10 microbars

dBV / dina/cm

dBV / microbar

dBV / 10 dinas/cm

dBV / pascal

mV / pascal

Equivalencias: 10 dinas/cm = 10 microbars = 1 pascal = 94 dB SPL


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Valores tpicos en unidades comerciales

- 85 a - 70- 60 a - 50Cinta

- 85 a - 45- 60 a - 37Condensador

- 85 a - 70- 60 a - 52Dinmico (bobina movil)

- 50 a - 40Cermico

- 50 a - 40Cristal

- 60 a - 50Carbn

Sensibilidad en tensin

S (dBv)

Sensibilidad en potencia

L (dBm)

Tipo de micrfono


Mxima presin admisible

Los mximos niveles de presin que puede soportar un micrfono sehallan limitados a aquellos valores que no produzcan distorsin porsobrecarga (overload distorti on).

Normalmente se especifican en:

Debido a su construccin y al amortiguamiento, los micrfonos dinmicosson dispositivos con muy bajo nivel de distorsin, pudiendo ser capaces defuncionar en forma precisa a niveles mximos de presin de hasta 140 dBSPL.

dB SPL o Pascales


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Los fabricantes especifican el nivel mximo en dB, basndose en el

diseo y en las caractersticas fsicas de sus micrfonos.

El mximo nivel se especifica para el punto donde la placa mvil seaproxima a la fija (en el caso de micrfono de condensador) o donde ladistorsin armnica total (THD) llega a un determinado valor, tpicamente3%.

El nivel mximo que puede entregar un micrfono depende de la tensinaplicada y de su sensibilidad, por lo que se debe calcular la presin enPascales que puede aceptar:

P (Pa) = Tensin mxima (mV) / Sensibi lidad (mV/Pa)

La que deberemos convertir en decibeles por medio de:

dB = 20 log (P / po)

Donde:po = 0,00002 Pa = 20 Pa


Los diafragmas del tipo condensador tampoco presentan problemas dedistorsin, excepto bajo condiciones muy severas de presin.

Debido a que la cpsula de estos sistemas incluye un circui to electrnicode adaptacin de impedancias, el lmite queda impuesto por la mximaseal que ste puede manejar.

Para evitar este problema, muchos modelos inco rporan un atenuador (pad)a la entrada del preamplificador.

Sin embargo, la operacin debe ser cuidadosa, dado que su uso encondiciones de bajo nivel de presin sonora, degradar la relacin seal /ruido (S/N), en una cantidad igual a la atenuacin, la que generalmente es de20 dB.


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En general, los de baja impedancia consti tuyen los de mayor uso en la

actualidad, encontrndose dentro de este grupo los popularesdinmicos.

Las impedancias de los micrfonos se dividen en dos grandes grupos:

Al ta impedancia:20 K - 50 K

Baja impedancia:50 - 600 .

Impedancia


Susceptibles a captar ruidos electrostticos, tales como los producidospor tubos f luorescentes, motores, ignicin, etc.

Sensibles al largo del conductor de conexin, debido al incremento de sucapacitancia.

Para longitudes mayores a los tres metros, esta capacidad, en conjuntocon la alta impedancia de la cpsula, es suficiente para cortocir cuitar lasseales de alta frecuencia.

Este es uno de los motivos por los que se han dejado de usar este tipode micrfonos.

Al ta impedancia


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Muy bajas prdidas de alta frecuencia, an cuando se los utilice concables de varias decenas de metros.

Los micrfonos de impedancia inferior a los 300 , son casi insensibles alos ruidos electrostticos.

El zumbido inducido por campos electromagnticos, se solucionautilizando lneas balanceadas, con blindaje a tierra.

De este modo pueden utilizarse cables largos y de ser necesario, adaptarimpedancias mediante transformadores.

Baja impedancia


Un micrfono no conectado presenta una tensin de salida denominadatensin sin carga o de circuito abierto.

Generalmente las entradas de micrfono de las consolas profesionales,tienen impedancias que superan hasta 10 veces la del micrfono.

Esto se hace para que ste quede efectivamente sin carga sobre susalida y produzca la mxima tensin posible.

Un micrfono a circuito abierto funciona de acuerdo a lasespecificaciones de sensibili dad y respuesta en frecuencia de su diseo.


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Protectores de viento y popeo

El protector de viento es un accesorio instalado en la parte exterior de losmicrfonos, con el objeto de reducir los efectos de la respiracin y el vientoen tomas de exterior.

La efectividad ser funcin de las caractersticas de su superficie y de surea, capaz de crear innumerables micro turbulencias y promediarlas sobreuna gran superficie.

Con una pantalla apropiadamente diseada, pueden obtenerse reduccionesdel ruido producido por el viento del rden de 20 a 30 dB, dependiendo de suvelocidad, SPL en el tiempo y frecuencia.

La figura muestra dosprotectores de polyuretano

fabricados por Shure.


La proteccin contra el popeo se percibe cuando, muy cerca del micrfono,se pronuncian consonantes explosivas tales como las letras T y P.

En estos casos, la seal elctrica producida es la respuesta transitoria delmismo en presencia de un campo acstico impulsivo de baja velocidad y alto

nivel de presin sonora.

Ambas consonantes, pronunciadas muy cerca del micrfono, proyectarn uncampo muy abierto, siendo suficiente para atenuarlo, intercalar una mallasimple que agregar resistencia acstica.


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Cdigos de conectores



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Los micrfonos y los sistemas pueden ser conectados a travs de lneasbalanceadas o desbalanceadas.

Cul es la razn de usar sistemas incompatibles?

En general, los equipos domsticos tienen salidas y entradasdesbalanceadas y los profesionales balanceadas, dado que estas ltimas sondemasiado costosas para equipos de entretenimiento.

La popularidad del high end ha cambiado las reglas, y hoy en dia muchosfabricantes ofrecen las interconexiones en ambos sistemas.

Lneas balanceadas o desbalanceadas ?


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Las instalaciones profesionales usan lneas balanceadas, debido a quereducen la captacin de:

9 Zumbido.

9 Ruido elctrico y transitorios.

9 Seales elctricas del canal adyacente.

En una lnea desbalanceada, la seal de audio aparece en el pin central delconector y la malla corresponde a la conexin a tierra.

Si esta conexin se encuentra cerca de un campo magntico o de una lneade corriente alterna, se inducir una seal de ruido que ser escuchada en el

sistema como un zumbido o un ruido.

En las lneas balanceadas existen tres conductores, de los cuales dosllevan seal y el tercero es tierra.


Las seales que conducen cada una son idnticas, pero 180o fuera de fase.

Cuando la seal en uno se encuentra en el pico posi tivo, la otra estar en elnegativo.


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Por otra parte, las dos seales intrusivas de igual intensidad y polaridad,aparecern en ambos extremos del primario del transformador, eliminando elpotencial a travs del mismo.

Dado adems, que los conductores estn blindados, la seal de ruido sereduce notablemente.


Si ahora al sistema le intercalamos un amplificador diferencial, cuando lasdos seales idnticas, pero de distinta polaridad, ingresen en el mismo, elruido tomado por la conexin, que es comn a ambas lneas, serrechazado.

Esto se debe a que estos sistemas solo amplifican las diferencias entre lasdos seales.

A este efecto se lo denomina rechazo de modo comn.

Las entradas diferenciales se especifican de acuerdo a la efectividad conque rechazan el modo comn, y es llamada common mode rejection ratio oCMRR.

Se debe tener en cuenta que una lnea de este tipo no limpia una sealruidosa.

Solo previene que aparezca ruido adicional en la misma.


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Algunos mtodos para balancear lneas

Lnea transmisora balanceada pasiva (transformador)

La parte izquierda del transformador tiene una pierna referida a masa.

El secundario suministra dos salidas, aisladas del primario e invertidas 180o

entre s.

Esto esquema configura un transformador balanceado o diferencial.


En aplicaciones profesionales, un transformador cumple, muchas veces,la misma funcin que la de un amplificador diferencial, siendo idntico elconcepto.

La reduccin de ruido se produce como consecuencia de que las dos

seales intrusivas de igual intensidad y polaridad, aparecern en ambosextremos del primario del transformador, eliminando el potencial a travsdel mismo.

Dado que los conductores estn blindados, la seal de ruido se reducenotablemente.

Transformadores de lnea


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Lnea transmisora balanceada activa (amplificador operacional)

Otra forma de crear una lnea balanceada es a travs de dos amplificadoresoperacionales.

Dos unidades de este tipo conectadas como el esquema, generarn unasalida directa y una invertida 180o.


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Lnea receptora balanceada pasiva (transformador)

Esta lnea receptora pasiva o transformador, crear una salida diferenciaentre las dos seales aplicadas a la entrada del transformador.

Solamente existir tensin a la salida cuando las seales a la entrada seandistintas.

Lnea receptora balanceada activa (ampli ficador operacional)


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