MICROFONOS
Un micrófono es un transductor acústico-eléctrico que
convierte la energía acústica (presión por caudal, p x U) en energía eléctrica
(tensión por corriente, e x ji. A su vez este transductor puede considerarse
dividido en dos: un transductor acústico-mecánico y otro mecánico-eléctrico.
El transductor acústico-mecánico está formado por una
membrana, o diafragma, que al recibir una onda de presión p, se desplaza con
una velocidad, u, comunicando uina fuerza f a algún elemento móvil, por ejemplo
una bobina. Dentro de este transductor se encuentran los circuitos acústicos
(tales como tomas posteriores de presión, cavidades, etc., que permiten dar
diferentes directividades a los micrófonos.
El transductor mecano-eléctrico consiste,
generalmente, en un dispositivo electromagnético o electrostático que, según
una ley física (movimiento de una bobina en un campo magnético, y carga o
descarga de un condensador, respectivamente), convierte el desplazamiento del
diafragma en una señal eléctrica. Esta es la base física de cualquier micrófono,
además, para utilizarlos correctamente es conveniente conocer los diferentes
tipos de micrófonos, o por lo menos los más empleados, junto a las
especificaciones que los caracterizan.
TIPOS DE MICRÓFONOS
El dividir un
micrófono en dos transductores permite clasificar los micrófonos según el tipo
de transductor empleado, para cada una de las conversiones de energía. Así se
estudian, a continuación, los tipos de micrófonos, según:
a) El transductor
acústico-mecánico, que da lugar a las diferentes directividades 'de los
micrófonos.
b) El transductor
mecánico-eléctrico, que indica la eficiencia y bondad del micrófono en la
conversión de la onda acústica a señal eléctrica.
Tipos de micrófonos según el transductor mecano-eléctrico
Los tipos de micrófonos más usados son los
llamados dinámicos, ya sean de bobina o de cinta, y los electrostáticos, que
pueden ser de condensador o de electret. Cada tipo de transductor se basa en un
fenómeno eléctrico diferente como se ve a continuación.
Micrófonos dinámicos de bobina
En estos
micrófonos una pequeña bobina recoge el movimiento del diafragma, y al moverse
ella misma, dentro de un campo magnético B, se origina una corriente1,
proporcional a la fuerza mecánica. Al pasar esta corriente por una resistencia
externa se obtiene una tensión proporcional a la presión (figura 5.2). La ley
eléctrica seguida es:
F = B.I.L
donde F es la
fuerza mecánica, B es la densidad del campo magnético, y L la longi- tud de la
bobina. Por la naturaleza del diafragma, su masa y suspensión presentan una
resonancia en los márgenes de audio. Esta resonancia origina que la respuesta a
la presión, en función de la frecuencia, no sea lineal sino picuda. Mediante
circuitos acústicos los fabricantes aplanan este pico, sin embargo la respuesta
en frecuencia suele ser bastante irregular (figura 5.3).
Estas irregularidades pueden
ser útiles para dar "color" a una voz, pero en general son una fuente
de distorsión.
La masa de los elementos
móviles, diafragma y bobina, es bastante elevada, comparada con la de otros
tipos de micrófonos. Ello origina que cuando reciban una onda de presión que
varíe rápidamente en el tiempo (alta frecuencia o un ataque), su movimiento se
retrase hasta vencer la inercia. Por esto, Ib respuesta a los ataques de los
micrófonos de bobina será lenta, y además responderán con dificultad a las
frecuencias superiores de audio. Por la misma razón serán bastante sensibles a
la vibración y el golpeteo. Otro inconveniente de este tipo de micrófono es que
la bobina se comporta como una antena, captando perturbaciones eléctricas, como
la red y señales de radiofrecuencia. Este inconveniente se compensa situando en
serie con la bobina móvil de audio, otra bobina fija (anti-hu mi con su
arrollamiento en sentido inverso al de la primera. Así la acción del campo
parásito, común a ambas bobinas, será producir corrientes parásitas opuestas en
cada bobina, que por tanto se anularán.
A pesar de estos
problemas los micrófonos de bobina son los más usados, por las razones
siguientes:
- Bajo costo y uso sencillo.
- Robustos y difíciles de averiar, lo que los hace útiles para exteriores.
- Salida de tensión de nivel medio, comparada con la de otros tipos.
- Admiten niveles altos de presión sin saturar (duros), por lo que suelen utilizarse para captar instrumentos muy sonoros.
- Resistencia de salida baja ( < 200 ohmios), lo que permite utilizarlos con cables largos, conectándolos a cualquier mesa sin problemas.
Micrófonos
electrostáticos de condensador
Este micrófono consiste en un
condensador, formado por una placa fija y otra placa móvil, que es también el
diafragma (figura 5.5).
Para su
funcionamiento el micrófono debe recibir una polarización, o alimentación
continua, que mantenga cargado el condensador con una cierta energía
electrostática. Entonces, cuando el diafragma reciba una onda de presión se
deformará, variando el volumen de aire en el que se almacena la citada energía.
Esta variación de volumen, o de capacidad, obliga a que la energía eléctrica
almacenada también varíe, produciéndose una corriente que se cierra sobre la
resistencia externa de carga. La caída de tensión producida sobre esa carga
externa es proporcional a la presión incidente. La base del funcionamiento de
este micrófono es la variación de la energía eléctrica almacenada entre las
placas, luego cuanto mayor sea esta energía, o lo que es igual, la tensión
continua de polarización que la produce, mayor será la salida de tensión
(sensibilidad) del micrófono. La Norma DIN establece que las polarizaciones
típicas serán de 48, 24 ó 12 voltios de corriente continua. Aunque hoy día,
bastantes micrófonos pueden trabajar con polarizaciones de 8 a 52 voltios,
gracias a la utilización de convertidores DC a DC.
Puesto que el
micrófono consiste en un condensador de muy baja capacidad, presenta una
impedancia de salida elevada, especialmente en baja frecuencia. Esto da lugar a
fuertes pérdidas de tensión en la transmisión a través del cable de conexión a
la mesa, en cuanto este cable supere longitudes de aproximadamente un metro.
Para evitar estas pérdidas se inserta, inmediatamente detrás de la cápsula del
condensador, un pre amplificador-adaptador de impedancias, que presenta al
micrófono una muy alta impedancia ya la línea de transmisión una baja
impedancia, del orden de 200 ohmios. Este previo presenta una alta impedancia
al micrófono, gracias a utilizar como elemento activo un transistor de efecto
de campo (FET) o un tubo de vacío; en ambos casos será necesario alimentar a
dicho elemento activo con una tensión continua, que se suele extraer de la
polarización del micrófono. De aquí la necesidad de mantener el signo de la
polarización que indique el fabricante. Como inconvenientes de este tipo de
micrófonos se pueden citar:
- Alto costo, debido a la, necesidad de usar preamplificador y al mecanizado de precisión del micrófono.
- Necesidad de suministrar la polarización a través del cable de conexión.
- Poco robustos. Sobre todo su diafragma es muy frágil.
- Sensibles a la humedad, que puede destruirlos por descarga entre las placas. Poco fiables en exteriores.
Las ventajas de su uso son:
- Fundamentalmente su respuesta plana hasta las altas frecuencias, lo que les confiere una gran fidelidad junto a un buen comportamiento en agudos y con los ataques.
- Salida de tensión (sensibilidad) elevada. Dan muy buenas relaciones señal/ruido, aunque también pueden saturar tanto el previo como la entrada a la mesa, si la fuente emite presiones elevadas. Para prevenir esta saturación suele insertarse entre cápsula y previo un atenuador conmutable de unos lo dB, y además puede disminuirse la ganancia del Previo en unos lo ó 20 dB, seleccionables con un conmutador externo.
- Por la pequeña masa del diafragma son poco sensibles a las vibraciones y al ruido de manipulación.
- Sus características son estables en el -tiempo.
- Tamaño pequeño. Válidos como micrófonos de solapa.
Este tipo de
micrófonos tiene el mismo fundamento que los de condensador, diferenciándose de
ellos en que la cápsula no necesita polarización. Así la cámara de aire del
condensador ha sido sustituida, en parte, por un polímero llamado electret.
Dicho polímero ha sido prepolarizado durante su fabricación, es decir, se ha
inducido en él una carga eléctrica permanente, que será la que suministre la
energía electrostática necesaria para mantener el condensador cargado. Con el
empleo de este polímero se ahorra la polarización de la cápsula, pero todavía
sigue siendo necesario el preamplificador-adaptador de impedancias, que
requiere una alimentación de corriente continua. Sin embargo, esta alimentación
(1,5 a 12 voltios) puede darla una simple pila, encerrada en la carcasa del
micrófono.
Sus
características son similares a las de los micrófonos de condensador, excepto
en los puntos siguientes:
- Pueden tener una respuesta en agudos más pobre.
- Su sensibilidad es menor que la de los micrófonos de condensador, debido a que el electret suministra menos energía que una polarización.
- Poco sensibles a la humedad.
- Menor coste que los de condensador.
Micrófonos dinámicos de cinta
Este tipo de
micrófonos se basa en el mismo principio que los micrófonos de bobina, excepto
que ahora el conductor que se mueve en el campo magnético del imán es una cinta
metálica de muy poco espesor. La propia cinta es el diafragma, que al estar
expuesto a la presión por ambas caras, da una directividad en forma de 8
(bidireccional). La cinta presenta una resistencia eléctrica de menos de 1
ohmio, por ello, suelen incluir un transformador-elevador en su salida que
aumenta dicha resistencia hasta los 200 ohmios típicos.
La cinta que
constituye el diafragma está corrugada con el fin de presentar muy poca rigidez
a las ondas de presión; su masa es relativamente alta, lo que hace al micrófono
sensible a la vibración y al movimiento, pudiendo oscilar a su frecuencia de
resonancia (sobre los 40 Hz) sólo con desplazar al micrófono rápidamente
(jirafa).
Físicamente son
grandes, robustos y pesados.
Tipos de micrófonos según el transductor
acústico-mecánico
Al variar la forma en que la onda de presión
llega al diafragma, se pueden obtener micrófonos con diferentes características
direccionales:
- - Micrófono de presión: omnidireccional.
- - Micrófono de gradiente: bidireccional o en 8.
- - Micrófono combinado de presión y gradiente: unidireccional o cardioide.
- - Micrófono con paraboloide concentrador del haz.
- - Micrófono de interferencia o de cañón.
Micrófono de presión
En este micrófono
el diafragma está expuesto por una de sus caras a la presión incidente, y por
la otra a una cavidad cerrada en la que gracias a un tubo ecualizador, existe
la presión ambiente Po (Por tanto, este micrófono siempre que el diafragma sea
pequeño, responde al valor de la presión incidente, independientemente de la
dirección de donde provenga la onda de presión. Si el diafragma tiene un tamaño
grande será algo directivo en alta frecuencia, por dos razones:
- a) La propia carcasa del micrófono "tapa" la radiación posterior.
- b) Se producen interferencias sobre el diafragma, origen de coloración y directividad.
Micrófono de gradiente
El transductor
acústico-mecánico de este tipo de micrófonos consiste en un diafragma expuesto
por su cara anterior a la onda de presión incidente, y por su cara posterior a
la misma onda, pero después de haberle obligado a recorrer un camino acústico
Al, (figura 5.lO).
Por recorrer este
camino, la onda que llega a la cara posterior tiene una presión y fase
diferente de la onda incidente, de forma que sobre el diafragma existe una
diferencia o gradiente de presión, que lo hace moverse. Este gradiente depende del ángulo 6, que forma el eje del micrófono con
la dirección de llegada del frente de ondas .
Micrófonos
combinados de presión y gradiente: Unidireccionales o cardioides
Estos micrófonos
son los que más se usan, por sus características unidireccio- nales.Igual que
en los anteriores el diafragma se mueve por el gradiente de presión que aparece
entre sus caras. Así, la cara anterior recibe la onda directamente,
mientras la cara
posterior recibe la onda con un desfase controlado, debido a que el camino
recorrido por esta onda es diferente según su dirección de incidencia. Por
ejemplo, en la figura 5.16, se tiene el esquema de un circuito acústico de
desfase. En la figura 5.16.a, la onda de _presión incide frontalmente y el
desfase entre las ondas, en las caras anterior y -posterior, es de medio
período, luego el movimiento del diafragma se ve reforzado. En la figura
5.16.b, la onda incide por la parte posterior del micrófono, siendo el camino a
las caras del diafragma idéntico, luego ambas caras sufrirán la misma presión,
y el diafragma no se moverá. La salida para incidencia a 180º es nula.
Estos micrófonos,
que dan respuesta máxima para la captación anterior, y respuesta mínima para la
captación posterior, reciben el nombre de cardioides. Si la onda de presión que
incide posteriormente es de baja frecuencia, la longitud del camino acústico a
la cara posterior del diafragma es pequeña, comparada con la longitud de onda
de la presión incidente. Entonces el desfase producido es insuficiente para que
se produzca la cancelación de las ondas de las caras anterior y posterior del
diafragma.
Micrófonos con paraboloide concentrador
de haz
Si en el foco de
un paraboloide se sitúa un micrófono unidireccional, resulta que para los rayos
de un frente plano, que incida según el eje del paraboloide, el camino desde el
frente hasta el micrófono es el mismo para cualquier rayo de ese frente. Si el
frente plano no incide según el eje, los caminos hasta el foco serán
diferentes, y en lugar de refuerzo se obtendrá interferencia destructiva de la
onda. De esta forma se consigue reducir el ángulo de captación a un haz muy
estrecho, según el eje de la parábola, por lo menos en alta frecuencia. En baja
frecuencia la longitud de onda del sonido es grande, comparada con las
dimensiones de la parábola, y por tanto, el desfase de los frentes laterales en
el foco no es lo suficientemente grande para que se produzca la interferencia
destructiva. El sistema tenderá a hacerse omnidireccional.
Micrófono
con tubo de interferencia: Micrófono de cañón
Este tipo de
micrófono también consigue su alta directividad por el método de interferencia
destructiva de las fuentes de onda laterales. En este caso la diferencia de
caminos, que da el desfase, se produce en un largo tubo de interferencia
situado frente al diafragma de una cápsula cardioide (figura 5.19). Las ranuras
del tubo obligan a que lleguen al micrófono rayos muy desfasados, cuando la
incidencia es lateral, y rayos en fase cuando el frente de onda incide según el
eje.
Estos micrófonos
de cañón y de paraboloide son útiles en exteriores, o donde no exista un campo
reverberante muy intenso, debido a que no rechazan el campo reverberante todo
lo que cabía esperar de su agudo diagrama de directividad. En efecto, la
dirección de las reflexiones que forman el campo reverberante es aleatoria, no
pudiendo considerarlas como frentes planos coherentes. Por ello el fenómeno de
interferencia en el foco o en tubo, es más débil de lo esperado.
Sensibilidad
Indica la
eficiencia con que un micrófono transforma la presión sonora en tensión
eléctrica.
Sensibilidad = S =
Tensión de salida en circuito abierto / Presión referente incidente =Vc.a/p
La presión de
referencia puede ser un Pascal o un microbar, con lo que la sensibilidad vendrá
dada en milivoltios por Pascal, o en milivoltios por microbar, respectivamente.
Puesto que 1
Pascal = lo p bar, se tendrá:
Sensibilidad
(mV/Pa) = 1O.Sensibilidad (mV/,u b)
Dentro de la gran
variedad de modelos existentes en el mercado, los micrófonos de condensador (
zS 20 mV/Pa) son más sensibles que los de bobina ( Sz 2 mV/Pa), y éstos más que
los de cinta (menos de 1 mV/Pa).
La sensibilidad
también suele darse en decibelios con referencia a 1 voltio cuando la presión
incidente es un Pascal:
S - 20 'Og l(l/tl
dB (re i v/Pai
puesto que la
tensión de salida del micrófono será siempre inferior a 1 voltio, esta medida
siempre vendrá dada en dB negativos:
- 20 dB + loo m V/pa; - 40 dB + lo mV/Pa; - 60
dB + 1 m V/Pa; etc.
Curva de respuesta en frecuencia
Los fabricantes
suelen dar para cada tipo de micrófono, la curva de variación de la
sensibilidad en función de la frecuencia.
En general, si se
busca fidelidad, interesa que la curva de respuesta sea plana y se extienda lo
más posible en alta y baja frecuencia. Este comportamiento sólo es seguido por
los buenos micrófonos de condensador; lo cual no es óbice para que las
irregularidades de la curva de respuesta, típicas en micrófonos de bobina y
cinta, puedan dar a la salida eléctrica un carácter o "calidad
tonal", que sea agradable y deseable.
En micrófonos
directivos se suele dar la curva de respuesta a diferentes distancias de la
fuente, con el fin de apreciar el refuerzo producido por el efecto proximidad.
En algunos tipos
de micrófono la respuesta en frecuencia se altera a propósito,
con el fin de
corregir algún problema de uso. Por ejemplo, en los micrófonos de solapa
(Lavalier), aparece un reforzamiento apreciable de la respuesta por encima de
los 4 kHz, con ello se trata de compensar la pérdida de agudos que se produce
al no estar el micrófono en el eje de la boca, y ser esta más directiva en
agudos (figura 5.211- Estos micrófonos suelen ser omnidireccionales, para
evitar el efecto proximidad, que reforzaría el ruido de rozamiento con la ropa.
Nivel equivalente de ruido
Por su naturaleza
eléctrica el propio micrófono genera un ruido eléctrico, que se especifica como
el nivel de presión equivalente que produciría una salida de tensión igual a la
amplitud del ruido generado.
Al ser ruido
equivalente a presión, la especificación se da en dB de presión sonora (dB
SPL), estando por debajo de los 20 dB en micrófonos de calidad, es decir, en
valores despreciables.
Distorsión
Recibe el nombre
de distorsión el conjunto de señales que aparecen en la salida de un sistema y
que no estaban en la entrada. Estas señales que van a "ensuciar" la
señal útil de salida, están originadas porque el sistema no actúa lineal mente
sobre la señal de entrada. La especificación más sencilla de la distorsión de
un sistema es la distorsión armónica total (THD) producida cuando se excita el
sistema con un tono de amplitud conocida:
Formula THD (%) =
loo potencia de las señales de distorsión Potencia de salida del tono. En el
caso de los micrófonos los fabricantes no suelen dar cifras de distorsión,
siendo la experiencia o la marca, quienes orientan sobre el grado de linealidad
de un micrófono.
Las posibles causas de distorsión son:
Distorsión interna:
- - Efecto proximidad.
- - Resonancia internas, que colorean la curva de respuesta.
- - Respuesta lenta a los ataques, en los de bobina y cinta.
- - Vibraciones parciales, en diafragmas de superficie grande.
Distorsión externa:
- - Sobrecarga o
saturación ante una presión elevada. Los micrófonos dinámicos suelen ser
más ''duros" que los de condensador; aunque si estos últimos son de
calidad, la situación puede invertirse. La especificación puede ser: Nivel
máximo de presión (SPL max) para una Distorsión Armónica Total (THD) del
O,5%. Por ejemplo el micrófono de condensador C414 EB de AKG alcanza el
valor de THD = O,5% para una presión de 142 dB (= 250 Pascal); el dinámico
D202 de AKG alcanza ese límite para 124 dB (= 30 Pascal).
La presencia de atenuadores entre cápsula y previo, o en el mismo previo, permite aumentar esos valores. - - Poping. La onda de
choque del aire expulsado al pronunciar las consonantes explosivas p, t,
b, deforma el diafragma, produciendo un ruido característico. Los
micrófonos directivos son más sensibles que los omnidireccionales a este
ruido "pop".
El problema se corrige situando ante el diafragma un filtro "antipop", constituido por una tela que reduce la velocidad de la onda, afectando poco al sonido.
En todo caso es conveniente situar el micrófono fuera del eje de la boca.
- Ruido
de viento
Las turbulencias del viento o
las inducidas al situar el micrófono como un obstáculo en el flujo del aire,
producen variaciones de velocidad, que aparecen como un molesto ruido de baja
frecuencia.
- Para reducir este ruido se puede realizar un filtrado de graves, o utilizar pantallas antiviento que introducen una atenuación de unos lo dB de dicho ruido. Estas pantallas suelen ser una bola de material poroso que encierra al micrófono; este material disminuye la velocidad del aire reduciendo la turbulencia y el ruido. La onda de audio se transmite por conducción a través de este material, sufriendo solamente una pequeña atenuación en alta frecuencia. Estas pantallas también pueden utilizarse como filtros "antipop". Ruido de vibración o golpeteo.
Un micrófono puede estar sometido a
vibraciones procedentes de la estructura del estudio, o captados por su
proximidad a instrumentos muy sonoros (percusión) o recibidos del propio
instrumento cuando se utiliza un micrófono miniatura sobre él.
En todos estos casos la vibración moverá el diafragma, produciendo ruidos
indeseables. Para evitarlo es corriente utilizar soportes antivibración en los
que unos tirantes elásticos amortiguan la vibración que pasa al micrófono.
También es conveniente evitar que la carcasa del micrófono toque al instru-
mento, realizando la unión a través de un material poroso.
Muchos micrófonos, y en especial los dedicados a actuaciones vocales, llevan la
cápsula montada sobre una, o dos, suspensiones antichoque.
Técnica microfónica: Toma de sonido
Una de las técnicas más comunes de uso de micrófonos
es la toma de sonido, es decir lá captación microfónica de sonidos musicales,
voces o ambientes. Existen diferentes ideas sobre cual es el objetivo de una
toma de sonido. Una es buscar la fidelidad, otra es buscar la capacidad de
procesar las señales captadas, actuando sobre ellas para dar un carácter
personal a la música. La primera idea es seguJda, generalmente, en tomas de
música clásica; mientras que la segunda corresponde al método de trabajo en
tomas de música moderna. Una tercera idea sugiere que el objetivo de la toma de
sonido es el oyente y por tanto habrá que pensar en cómo el oyente recibe el
resultado de la toma. Por ejemplo, el oyente de música "enlatada"
suele estar fuera del ambiente típico dela toma, ello le hace ser más crítico y
detallista, lo que nos obligará a ser más minuciosos con los posibles defectos de
la toma de sonido.