Tema 1.2 Transductores electroacústicos MICS PDF

Transductores electroacústicos: Micrófonos y altavoces Roberto Bueno Klein RTVE e Instituto RTVE Índice 1. Transductores electro-mecánicos-acústicos 8 1.1 Transductores 9...

Transductores electroacústicos: Micrófonos y altavoces Roberto Bueno Klein RTVE e Instituto RTVE Índice 1. Transductores electro-mecánicos-acústicos 8 1.1 Transductores 9 1.2 Clasificación de los transductores por su TEM/TME 12 1.2.1 Transductores dinámicos 13 1.2.1.1 Micrófonos de bobina móvil 14 1.2.1.2 Micrófonos de cinta 16 1.2.1.3 Altavoces de bobina móvil 18 1.2.1.4 Altavoces de cinta 20 1.2.2 Transductores electrostáticos 22 1.2.2.1 Micrófonos de condensador 24 1.2.2.2 Micrófonos electret 26 1.2.2.3 Altavoces electrostáticos 27 Índice 2. Micrófonos 29 2.1 Transducción de velocidad y desplazamiento 30 2.2 Características de los micrófonos 31 2.2.1 Sensibilidad 33 2.2.2 Respuesta en frecuencia 35 2.2.3 Distorsión 39 2.2.4 Directividad 38 2.2.5 Ruido 42 2.2.6 Relación señal ruido 43 2.2.7 Margen dinámico 44 2.2.8 Impedancias 45 Índice 2.3 Clasificación de los micrófonos por su TAM/TMA 46 2.3.1 Micrófonos de presión 47 2.3.2 Micrófonos de gradiente de presión 50 2.3.2.1 Micrófonos de gradiente de presión puros 51 2.3.2.2 Micrófonos combinados de presión y gradiente de presión 54 2.3.3 Micrófonos especiales 56 2.3.4 Micrófonos de doble diafragma 58 2.4 Comparación de los distintos tipos de micrófonos 60 2.5 Líneas balanceadas 61 2.6 Alimentación phantom 64 2.7 Splitters 66 Índice 2.8 Micrófonos inalámbricos 68 2.8.1 Micrófonos inalámbricos con modulación analógica 69 2.8.2 Micrófonos inalámbricos con modulación digital 76 3. Altavoces 77 3.1 Clasificación de los altavoces según su TMA 78 3.1.1 Altavoces de radiación directa o de cono 79 3.1.2 Altavoces de radiación indirecta o de bocina 80 3.2 Especificaciones de un altavoz de bobina móvil 82 3.2.1 Impedancia eléctrica de entrada 84 3.2.2 Impedancia nominal 86 3.2.3 Potencia 88 3.2.3.1 Potencia eléctrica máxima 89 3.2.3.2 Potencia nominal de ruido 90 Índice 3.2.3.3 Potencia nominal sinusoidal 91 3.2.4 Sensibilidad 92 3.2.5 Respuesta en frecuencia 93 3.2.6 Función de transferencia 95 3.2.7 Directividad 96 3.2.7.1 Diagrama polar de directividad 97 3.2.7.2 Factor de directividad Q 100 3.2.8 Distorsión 101 3.3 Tipos de altavoces 102 3.3.1 Altavoces pasivos 103 3.3.2 Altavoces activos 105 Índice 3.4 Elementos de una caja 107 3.4.1 Altavoces de cada una de las vías 108 3.4.2 Circuitería electrónica: Filtros de cruce y amplificadores 109 3.4.3 Caja acústica 113 3.4.3.1 Caja cerrada 114 3.4.3.2 Cajas bass réflex 116 3.4.3.3 Cajas con líneas de transmisión 118 3.4.4 Material absorbente 120 4. Reflexiones finales 122 Literatura recomendada AES: artículos y publicaciones https://aes2.org Bartlett, B. y Bartlett, J (2007) Recording music on location, Focal Press, Oxford Beranek, L. (1954) Acoustics. Primera edición. McGraw Hill, Nueva York Borwick, J. (2001) Loudspeaker and headphone handbook. Tercera edición, Focal Press, Oxford Borwick, J. (1990) Microphones: technology and technique, Focal Press, Londres Colloms, M. (2005) High performance loudspeakers. Sexta edición, John Wiley and Sons, West Sussex Davis D., Patronis, E. y Brown. P, (2013) Sound system engineering. Cuarta edición, Focal Press, Oxon Gómez Alfageme, J.J (2002) Sistemas de altavoces de radiación directa Departamento de publicaciones de EUITT (ETSIST), Madrid Literatura recomendada Kinsler, Lawrence E. y Frey, Austin R. (1962) Fundamentals of acoustics. Segunda edición. John Wiley and Sons, Nueva York Newell, P. y Holland, K. (2019) Loudspeakers for music recording and reproduction. Segunda edición. Routledge, Nueva York Sánchez Bote, J.L. y Álvarez Fernández, E. (2000) Transductores electroacústicos. Departamento de publicaciones de EUITT (ETSIST), Madrid Sánchez Bote, J.L (2000) Micrófonos. Departamento de publicaciones de EUITT (ETSIST), Madrid Sánchez Bote, J.L (2000) Altavoces: Características, filtros de cruce y bocinas. Departamento de publicaciones de EUITT (ETSIST), Madrid 1. Transductores electro-mecánico-acústicos 1.1 Transductores Transductor: Un transductor es todo aquel dispositivo que transforma un tipo de energía en otra 1.1 Tipos de transductores: Micrófonos y altavoces Existen dos tipos de transductores electro-mecánicos-acústicos: micrófonos y altavoces. La forma es que transforman la energía es la siguiente Micrófonos Energía acústica (p,U) → Energía mécanica (f,u) → Energía eléctrica (v,i) Altavoces Energía eléctrica (v,i) → Energía mécanica (f,u) → Energía acústica (p,U) 1.1.1 Transductores y transducciones En cada uno de los transductores anteriores existen dos transductores en sí mismos: Transductor electro-mecánico (v,i) ↔ (f,u) Transductor mecánico-acústico (f,u) ↔ (p,U) Son reversibles 1.2 Clasificación de los transductores en función de su TME/TEM En televisión y radio se trabaja principalmente con dos tipos de transductores: Transductores dinámicos Transductores electrostáticos 1.2.1 Transductores dinámicos: Principios físicos Su funcionamiento se basa en las leyes del electromagnetismo: campos variables en el tiempo producen fuerzas que se oponen a la variación de los campos Ley de Faraday-Lenz Ley o fuerzas de Lorenz 1.2.1.1 Transductores dinámicos: Micrófonos de bobina móvil La onda de presión mueve el diafragma del micrófono Coaxialmente al micrófono, se sitúa una bobina arrollada de forma solidaria La bobina se mueve en el interior de un campo magnético, creado por los imanes que rodean al conjunto Se produce una F.E.M en bornas de la bobina, proporcional a la velocidad del diafragma 1.2.1.1 Transductores dinámicos: Micrófonos de bobina móvil 1.2.1.2 Transductores dinámicos: Micrófono de cinta Una cinta conductora colocada entre dos imanes La onda de presión mueve la cinta conductora La cinta conductora se mueve entre dos imanes que se sitúan a sus lados Se produce una F.E.M en bornas de la cinta que es proporcional a la velocidad con la que se mueve la cinta 1.2.1.2 Transductores dinámicos: Micrófono de cinta 1.2.1.3 Transductores dinámicos: Altavoces de bobina móvil Mismos principios físicos que los micrófonos de bobina móvil Se sitúa una bobina coaxial al diafragma que se mueve solidariamente con el mismo. La bobina está rodeada de unos imanes La bobina se alimenta con una corriente variable en el tiempo, que genera un campo magnético variable en el tiempo. El nuevo campo magnético creado, modifica el campo magnético que atraviesa la bobina Las fuerzas de Lorentz tratan de compensar las variaciones que se producen sobre el campo magnético que atraviesan a la bobina en cada momento. Para ello hacen que el diafragma se mueva hacia delante o hacia atrás y de esta manera se varía el flujo magnético creado por los imanes y que atraviesan la bobina 1.2.1.3 Transductores dinámicos: Altavoces de bobina móvil 1.2.1.4 Transductores dinámicos: Altavoces de cinta Mismos principios físicos que los micrófonos de cinta Una cinta colocada entre dos imanes La cinta se alimenta con una corriente variable en el tiempo La corriente variable genera un campo magnético variable en el tiempo Las fuerzas de Lorentz se oponen a la variación del campo magnético que atraviesan a la cinta. Para ello los imanes producen la fuerza que mueven la cinta hacia delante y hacia atrás 1.2.1.4 Transductores dinámicos: Altavoces de cinta 1.2.2 Transductores electrostáticos: Principios físicos I Campos eléctricos y leyes de la electrostática El transductor funciona como un condensador Dos placas, una fija y otra móvil, separadas por un dieléctrico, aire El condensador forma parte de un circuito eléctrico Necesitan de una polarización para sacarlos de su zona no lineal 1.2.2 Transductores electrostáticos: Principios físicos II Movimiento del diafragma Variaciones de la distancia entre placas / Variaciones fuerzas atracción y repulsión Variaciones de la capacidad del condensador Micrófonos Altavoces Variaciones de la carga que almacena el condensador Variaciones de la corriente en el circuito Variaciones de las tensiones en el circuito 1.2.2.1 Transductores electrostáticos: Micrófonos de condensador Las ondas acústicas producen un movimiento en la placa móvil del micrófono que produce una variación en la distancia entre las placas La variación de la distancia entre las placas produce que la capacidad del condensador varíe La variación de la capacidad del condensador produce variaciones en la carga que almacena el condensador La variación de la carga del condensador produce una variación en la corriente del circuito La variación de la corriente del circuito produce una variación de las tensiones que caen en el circuito Las variaciones de tensión que se producen sobre una resistencia de carga se corresponde con la señal eléctrica del micrófono 1.2.2.1 Transductores electrostáticos: Micrófonos de condensador 1.2.2.2 Transductores electrostáticos: Micrófonos electret En los micrófonos electret es igual pero estos no necesitan una tensión de polarización ya que los materiales de los que está compuesto las placas ya poseen una carga remanente 1.2.2.3 Transductores electrostáticos: Altavoces electrostáticos La tensión variable que alimenta al circuito produce variaciones en la corriente del circuito Las variaciones en la corriente del circuito producen variaciones en la carga que almacena el condensador y en la capacidad del mismo Las variaciones en la carga que almacena el condensador produce variaciones en las fuerzas de atracción/ repulsión entre las placas Las variaciones entre las fuerzas de atracción/repulsión de las placas producen variaciones en la distancia que separan a las placas Las variaciones en la distancia entre placas produce las ondas acústicas 1.2.2.3 Transductores electrostáticos: Altavoces electrostáticos 2. Micrófonos 2.1 Transducción de velocidad y desplazamiento Micrófonos de velocidad: La tensión eléctrica generada es proporcional a la velocidad con la que se mueve el diafragma. Se corresponde con los micrófonos dinámicos. Micrófonos de desplazamiento: La tensión eléctrica generada es proporcional al desplazamiento del diafragma. Se corresponde con los micrófonos electrostáticos. 2.2 Características de los micrófonos Sensibilidad Respuesta en frecuencia Distorsión Directividad Ruido Margen dinámico Impedancias 2.2 Características de los micrófonos 2.2.1 Sensibilidad Es la relación entre la tensión eléctrica que entrega en circuito abierto el micrófono, y la presión acústica que incide sobre el diafragma 2.2.2 Respuesta en frecuencia Se caracteriza como la relación entre la sensibilidad para cada frecuencia y la sensibilidad para 1 KHz. La respuesta en frecuencia no es única para un micrófono, y suele variar con la dirección desde la que incide la onda acústica. En algunos micrófonos se proporciona la respuesta en frecuencia para diferentes ángulos de incidencia. Se mide en dBs. 2.2.3 Distorsión Es la variación de la forma de onda de la señal eléctrica, en relación a la forma de onda de la señal acústica. Las distorsiones se pueden cuantificar en el dominio temporal y en el dominio espectral. Debidas al propio micrófono: Debido a las alinealidades del transductor Debidas a factores externos: Debidas a utilizar el micrófono fuera de su rango de funcionamiento 2.2.3 Distorsión Debidas al propio micrófono Irregularidades en la respuesta en frecuencia. Respuesta en frecuencia que no es plana en su magnitud Irregularidades en la respuesta temporal. Dificultad a la hora de reproducir transitorios 2.2.3 Distorsión Debidas a factores externos Saturación: Un exceso de presión acústica lleva al micrófono a funcionar fuera de su zona lineal. Popeo: Cuando el micrófono se enfrenta a flujos de aire como los que se pueden producir con determinadas consonantes, el diafragma puede oscilar sin control. El clásico sonido es cuando suenan “pops”. Se solucionan con los filtros antipop Ruido de viento. Flujos de aire producidos por el viento, también producen que el diafragma oscile sin control, produciendo un ruido de baja frecuencia conocido como “rumble”. Se soluciona con filtros quitavientos o con filtros paso alto 2.2.3 Distorsión Saturación 2.2.4 Directividad Directividad: Es la tensión eléctrica generada en función de los diferentes ángulos de incidencia. Es importante que el micrófono mantenga la directividad con la frecuencia, por lo que la directividad se suele mostrar para diferentes frecuencias Una forma de mostrarlas es mediante las curvas polares/patrón polar en decibelios, en ellas se cuantifica la relación entre la sensibilidad producida para cada ángulo y la sensibilidad producida para la dirección 0º 2.2.4 Directividad Variación del patrón polar con la frecuencia 2.2.4 Directividad 2.2.5 Ruido Ruido: Tensión que entrega el micrófono a su salida, cuando no se produce la incidencia de una onda acústica sobre el diafragma. Se expresa en dB y se suele conocer como NEL NEL: Nivel de presión acústica que produce la misma tensión que el ruido 2.2.6 Relación señal ruido Es la relación entre la el nivel nominal de presión y el ruido de fondo. Se expresa en dBs y el nivel nominal de presión son 94 dBSPL 2.2.7 Margen dinámico Es la relación entre el nivel máximo de presión que puede captar sin saturar el micrófono y el ruido de fondo que produce el micrófono (NEL). Se mide en dBs 2.2.8 Impedancias Impedancias Impedancia de salida Zout: Es la impedancia de salida del equivalente Thevenin que caracteriza al micrófono. Es interesante que sea resistiva Impedancia de carga recomendada Zin: Es la impedancia de entrada mínima del equivalente Thevenin del circuito que va a cargar la salida del micrófono, para que la gran parte de la tensión caiga en el interior de este circuito 10·Zout