El sonido se refiere a las fluctuaciones de presión que se propagan a través de un medio (aire, líquido u otro medio perceptible para el oído humano). Las oscilaciones de presión y el sonido se convierten en señales electrónicas en el tímpano y se transmiten al cerebro. El cerebro recibe estas señales e identifica diferentes formas de sonido, como la música, el habla y el ruido, en función de sus características.
Un micrófono funciona de manera similar al tímpano. Luego puede recopilar información sobre las características de la ruta de propagación del sonido desde la fuente de sonido hasta el micrófono grabando y analizando estas señales. Por ejemplo, en las pruebas de ruido, vibración y rugosidad acústica, los ingenieros a menudo quieren reducir los sonidos no deseados, como los que afectan la comodidad de los pasajeros mientras conducen. El ruido puede ser un sonido por encima o por debajo del rango de frecuencia audible para el oído humano, o la amplitud del sonido a una frecuencia resonante. Estas mediciones son cruciales para los ingenieros de diseño que necesitan reducir el ruido para cumplir con los estándares de emisiones o analizar el rendimiento y la vida útil de los equipos.
Principios de funcionamiento de los micrófonos Al diseñar micrófonos, hay varias opciones disponibles, pero los micrófonos de condensador polarizados externamente, los micrófonos de condensador electret pre-polarizados y los micrófonos piezoeléctricos son los micrófonos de medición más utilizados.
1. Micrófonos de condensador
Un micrófono de condensador es un tipo de micrófono basado en un diseño de condensador. Un micrófono de condensador utiliza un diafragma metálico como sustrato de un condensador. Como otro sustrato sirve una chapa metálica adyacente al diafragma. Cuando el campo sonoro excita el diafragma, la capacitancia entre los dos sustratos cambia con el nivel de presión sonora. La aplicación de un voltaje de CC estable a los sustratos a través de una resistencia alta retiene la carga en los sustratos. El cambio de capacitancia produce una salida de CA proporcional al nivel de presión sonora. Los micrófonos pre-polarizados pueden cargar el condensador utilizando un voltaje de polarización externo o las propiedades inherentes del material. Los micrófonos de condensador polarizados externamente requieren un voltaje de alimentación de 200 V. Los micrófonos pre-polarizados funcionan con un preamplificador IEPE que requiere una fuente de corriente constante.
2. Micrófonos piezoeléctricos
Los micrófonos piezoeléctricos utilizan una estructura cristalina para generar un voltaje de placa posterior. Muchos micrófonos piezoeléctricos emplean el mismo mecanismo de acondicionamiento de señal que los acelerómetros y algunos también usan acondicionamiento de señal IEPE para proporcionar el voltaje de polarización. Aunque este tipo de sensor tiene baja sensibilidad, es duradero y puede medir niveles de presión sonora de alta-amplitud. Sin embargo, el nivel de ruido de fondo de este tipo de micrófono suele ser alto. Este diseño es adecuado para aplicaciones de medición de presión de choque y presión de estallido.
Cómo elegir el micrófono adecuado
Campo de respuesta
A la hora de elegir un micrófono se debe considerar el tipo de campo en el que opera. Los micrófonos se clasifican en tres tipos: campo-libre, campo-de presión y campo-difuso. Si bien estos micrófonos funcionan de manera similar en bajas frecuencias, su funcionamiento difiere significativamente en altas frecuencias.
Los micrófonos-de campo libre miden la presión sonora emitida directamente desde una única fuente de sonido en el diafragma del micrófono. Estos sensores miden la presión sonora presente antes de que el micrófono entre en el campo sonoro. Estos micrófonos son los más adecuados para áreas abiertas sin superficies duras o reflectantes. Las cámaras anecoicas o áreas más abiertas son ideales para micrófonos de campo libre-.
Los micrófonos de campo-de presión miden la presión del sonido delante del diafragma. Su amplitud y fase son las mismas en cualquier punto dentro del campo y su longitud de onda es relativamente corta. Se encuentran comúnmente en espacios cerrados o cavidades. Ejemplos de aplicaciones de sensores de campo-de presión incluyen pruebas de presión de paredes, pruebas de presión de alas y pruebas de presión de estructuras internas como tubos, coloides y cavidades.
En algunos casos, el sonido no proviene de una única fuente. Los micrófonos de campo-difuso proporcionan una respuesta uniforme a los sonidos que llegan simultáneamente desde diferentes direcciones. Este tipo de micrófonos son adecuados para medir el sonido en iglesias u otros entornos con paredes duras y reflectantes. Sin embargo, para la mayoría de los micrófonos, las respuestas del campo de presión y del campo de difusión son similares, por lo que los micrófonos de campo de presión también se utilizan a menudo para mediciones del campo de difusión.
Rango dinámico
El estándar principal para describir el sonido se basa en la amplitud de las fluctuaciones de la presión sonora. La amplitud de presión sonora más baja que el oído humano puede percibir es de 20 partes por millón (20 μPa). El uso de pascales para expresar la presión sonora suele ser demasiado pequeño y difícil de procesar, por lo que los decibelios (dB) se utilizan comúnmente como unidad de medida. Esta relación logarítmica describe con mayor precisión la respuesta del oído humano a las vibraciones de la presión del sonido.
Los fabricantes especifican el valor máximo de decibeles según el diseño y las características físicas del micrófono. El valor máximo de decibeles se refiere al nivel de presión sonora al que el diafragma se acerca a la placa posterior, o cuando la distorsión armónica total (THD) alcanza un valor específico (generalmente 3% THD). En un entorno de aplicación determinado, la salida máxima de decibeles de un micrófono depende del voltaje suministrado y de la sensibilidad del micrófono. Antes de calcular el valor máximo de salida de decibelios de un micrófono usando un preamplificador específico y su voltaje pico correspondiente, primero debemos calcular el nivel máximo de presión sonora que puede soportar el micrófono. Los valores del nivel de presión sonora (SPL) se pueden calcular mediante la siguiente fórmula:
P=Pa, donde el voltaje es el voltaje pico del preamplificador.
Una vez que se determina el SPL máximo en el voltaje máximo del micrófono, el SPL se puede convertir a decibeles usando la siguiente fórmula:
Donde P es la presión expresada en Pascales y P0 es el SPL de referencia (una constante,=0.00002 Pa).
Esta fórmula produce el valor SPL máximo medible cuando el micrófono se utiliza con un preamplificador específico. Para determinar el nivel de ruido mínimo requerido o SPL, consulte el estándar de clasificación de ruido térmico del módulo del micrófono. La especificación CTN proporciona el valor SPL mínimo detectable, que es más alto que el ruido eléctrico inherente del micrófono. La Figura 6 muestra los niveles de ruido típicos cuando el micrófono se utiliza con un preamplificador en diferentes frecuencias.
Al seleccionar un micrófono, es esencial asegurarse de que el valor de presión medido esté entre el valor CTN del micrófono y su valor máximo de decibeles nominales. En general, cuanto menor sea el diámetro del micrófono, mayor será el límite superior del valor de decibeles. Los micrófonos de mayor diámetro suelen tener valores CTN más bajos y, por lo tanto, se utilizan a menudo para mediciones de decibeles de rango bajo-.
Respuesta de frecuencia
Después de determinar el tipo de respuesta de campo del micrófono y el rango dinámico requeridos, consulte las especificaciones del micrófono para determinar el rango de frecuencia utilizable. Los micrófonos de menor diámetro suelen tener un límite de frecuencia superior más alto. Por el contrario, los micrófonos de mayor diámetro tienen mayor sensibilidad y son más adecuados para la detección de baja-frecuencia.
Los fabricantes generalmente establecen la tolerancia de frecuencia en ±2 dB. Al comparar diferentes micrófonos, es fundamental comprobar sus rangos de frecuencia y las tolerancias para rangos de frecuencia específicos. Si los requisitos de la aplicación no son altos y la tolerancia aumentada de decibeles está dentro de límites aceptables, se puede mejorar el rango de frecuencia utilizable del micrófono. Puede confirmar con el fabricante o consultar una tabla de calibración de micrófono para determinar el rango de frecuencia utilizable real correspondiente a una tolerancia de decibeles específica.
Tipo de polarización
Los micrófonos tradicionales polarizados externamente y los micrófonos pre-polarizados más nuevos son adecuados para la mayoría de las aplicaciones, pero existen diferencias entre los dos. Los micrófonos polarizados externamente son más adecuados para rangos de temperatura de 120 grados a 150 grados, por lo que se recomiendan para entornos de alta-temperatura. Los micrófonos pre-polarizados son más adecuados para ambientes húmedos. Los cambios bruscos de temperatura pueden provocar cortocircuitos en la estructura del condensador interno de los micrófonos polarizados externamente.
Debido a que los micrófonos polarizados externamente requieren un voltaje específico de 200 V, en su configuración solo se pueden usar cables de 7-pin y conectores LEMO. Los micrófonos prepolarizados más nuevos, alimentados por una fuente de corriente constante de 2-20 mA, son más fáciles de usar y, por lo tanto, más populares. Con esta configuración se pueden utilizar cables estándar y coaxiales y conectores BNC o 10-32 para suministrar corriente y señales al dispositivo lector.
Rango de temperatura
La sensibilidad del micrófono disminuye cuando la temperatura ambiente alcanza su temperatura máxima especificada. Necesitamos considerar tanto la temperatura de funcionamiento como la de almacenamiento del micrófono. El funcionamiento o almacenamiento en condiciones extremas puede afectar negativamente al micrófono y aumentar los requisitos de calibración. En la mayoría de los casos, el preamplificador del sistema es el factor limitante para el rango de temperatura de funcionamiento. Aunque una temperatura alta de 120 grados no afecta la sensibilidad de la mayoría de los micrófonos, el preamplificador requerido está limitado a funcionar en entornos entre 60 y 80 grados.
Acondicionamiento de señal de micrófono
Al prepararse para medir un micrófono utilizando un equipo DAQ, considere los siguientes puntos para garantizar que se cumplan todos los requisitos de acondicionamiento de señal:
Amplificación para mejorar la precisión de las mediciones y la relación señal{0}}a-ruido
Excitación actual para alimentar el preamplificador del sensor IEPE.
Acoplamiento de CA para eliminar la polarización de CC, mejorar la resolución y utilizar completamente todo el rango del dispositivo de entrada.
Filtrado para eliminar el ruido externo de alta-frecuencia
Conexión a tierra adecuada para eliminar el ruido generado por la corriente entre diferentes potenciales de tierra.
Rango dinámico para medir todo el rango de amplitud del micrófono
