Introducción a los transductores de sonido

En este tutorial, aprenderemos sobre los transductores de sonido. Dos transductores de sonido comunes son los micrófonos y los altavoces. Resumen Introducción ¿Qué es el sonido? ¿Qué son los transductores de sonido? Micrófono (Transductor de sonido de entrada) Micrófono de carbono Micrófono de bobina móvil o Micrófono dinámico Micrófono de cinta Micrófono piezoeléctrico Micrófono de condensador Altavoz (Transductor de sonido de salida) Altavoz de bobina móvil o Altavoz dinámico Conducción a SpeakerAltavoces piezoeléctricosAltavoces electrostáticosIntroducciónSonido es un término generalizado que se da a las ondas acústicas, que son un tipo de ondas longitudinales que se propagan por compresión y descompresión en un proceso adiabático. El rango de frecuencia de las ondas acústicas está entre 1 Hz y decenas de miles de Hz. En este amplio rango, el ser humano puede escuchar entre 20 Hz y 20 K Hz. Los transductores de audio o sonido son de dos tipos: sensores de entrada o transductores eléctricos de sonido y actuadores de salida o transductores eléctricos de sonido. El ejemplo de sensor de entrada es un micrófono y de actuador de salida es un altavoz. Los transductores de sonido pueden detectar y transmitir ondas sonoras. Si la frecuencia de la onda de sonido es muy baja, se denominan infrasonidos. Y si la frecuencia de la onda de sonido es muy alta, entonces se les llama ultra-sonido. VOLVER ARRIBA ¿Qué es el sonido? El sonido y la vibración están interconectados ya que el sonido está asociado con la vibración mecánica. Muchos sonidos son causados ​​por la vibración de sólidos o gases. Según ANSI, el sonido se define como “oscilación en presión, tensión, etc., que se propaga en un medio con fuerzas internas o superposición de dicha oscilación propagada”. La onda de sonido es la forma de onda causada por una vibración. Esta forma de onda provoca que se establezca una vibración idéntica en cualquier material afectado por la onda de sonido. Para transmitir ondas de sonido, se necesita un medio que pueda vibrar. Un objeto o material que vibra comprime las moléculas de aire circundantes y las enrarece. No hay transmisión de ondas de sonido a través del vacío. Cuando se transmite el sonido, tiene tres parámetros de onda importantes: velocidad o rapidez, longitud de onda y frecuencia. Estas características son similares a las de una forma de onda eléctrica. La frecuencia y la forma de onda del sonido están determinadas por el origen del sonido o la frecuencia y la forma de onda de la vibración que provoca el sonido. La velocidad y la longitud de onda del sonido dependen del medio que transmite las ondas sonoras. La relación entre los tres parámetros velocidad, longitud de onda y frecuencia se muestra a continuación. Frecuencia (f) = Velocidad (m/s) / Longitud de onda (λ) Las unidades de frecuencia son Hertz (Hz). Enlace de recursos de imagen: electronics-tutorials.ws /io/io46.gifLa velocidad del sonido en un material dado depende de la densidad y elasticidad del material. Por lo tanto, la velocidad del sonido es mayor en los sólidos y menor en los gases a alta presión. La medición objetiva de las ondas sonoras utiliza la intensidad de la superficie receptora medida como el número de vatios de energía sonora por metro cuadrado. El oído tiene una respuesta no lineal y la sensibilidad varía con la frecuencia del sonido. El rango de frecuencia en el que el oído humano puede detectar el sonido es de 20 Hz a 20 kHz. La respuesta del oído es máxima en la región de 2 kHz. VOLVER ARRIBA ¿Qué son los transductores de sonido? Un transductor de sonido es un dispositivo que puede convertir señales de sonido en señales eléctricas o señales eléctricas en señales de sonido. En el primer caso, se denominan transductores de sonido de entrada y un micrófono es un ejemplo de este caso. En el último caso, se denominan transductores de sonido de salida y un altavoz es un ejemplo. Micrófono (transductor de sonido de entrada) El transductor de audio o sonido a energía eléctrica es el micrófono o simplemente se llama mic. Un micrófono produce señales analógicas eléctricas que son proporcionales a las ondas sonoras que actúan sobre su diafragma. Los micrófonos se clasifican según el tipo de transductor eléctrico que utilizan. Además del transductor, el micrófono utiliza filtros y pasajes acústicos cuya forma y dimensión modifican la respuesta de todo el sistema. Las características de un micrófono son tanto eléctricas como acústicas. La sensibilidad de un micrófono se expresa como mV de salida eléctrica por unidad de intensidad de onda de sonido. La impedancia del micrófono tiene una importancia considerable. Un micrófono con alta impedancia tiene una salida eléctrica alta, mientras que uno con baja impedancia está asociado con una salida baja. La alta impedancia hace que el micrófono sea susceptible de captar zumbidos. La direccionalidad del micrófono también es un factor importante. Si el micrófono se usa para detectar la presión de las ondas sonoras, entonces es omnidireccional, es decir recoge el sonido que llega desde cualquier dirección. Un micrófono es direccional si responde a la velocidad y dirección de la onda de sonido. El tipo de transductor de sonido no determina necesariamente el principio de funcionamiento como presión o velocidad, pero la construcción del micrófono es el factor más importante. Los tipos comunes de micrófonos son: micrófono de carbono, micrófono de hierro móvil, micrófono de bobina móvil, micrófono de cinta, micrófono piezoeléctrico y micrófono de condensador electret.VOLVER ARRIBAMicrófono de carbonoEl micrófono de carbono fue el primer tipo de micrófono que se desarrolló para su uso en teléfonos. Ahora son reemplazados por micrófonos de condensador electret. El micrófono de carbono utiliza gránulos de carbono entre un diafragma y una placa trasera. Cuando los gránulos se comprimen, la resistencia entre el diafragma y la placa trasera cae considerablemente. Las vibraciones del diafragma, que son el resultado de la onda sonora que incide sobre él, pueden convertirse en variaciones de resistencia de los gránulos. El micrófono requiere una fuente de alimentación externa ya que no genera voltaje. La principal y única ventaja del micrófono de carbón es que produce una salida que es enorme para los estándares de los micrófonos. Las desventajas incluyen una linealidad deficiente, una estructura deficiente que provoca múltiples resonancias en el audio. rango y alto nivel de ruido ya que la resistencia de los gránulos se altera incluso en ausencia de sonido.VOLVER ARRIBAMicrófono de hierro móvilLos micrófonos de hierro móvil también se conocen como micrófonos de reluctancia variable. El micrófono de hierro móvil utiliza un imán potente. El circuito magnético contiene una armadura hecha de hierro dulce, que a su vez está conectada a un diafragma. A medida que se mueve la armadura, la reluctancia magnética del circuito se altera y esto, a su vez, cambia el flujo magnético total en el circuito. El circuito magnético en este tipo de micrófono hace que el instrumento sea más pesado.VOLVER ARRIBAMicrófono de bobina móvil o micrófono dinámicoLos micrófonos de bobina móvil (dinámicos) utilizan un circuito magnético de flujo constante. En este circuito, la salida eléctrica se genera moviendo una bobina de alambre en el circuito que está unida a un diafragma. Todo este arreglo está en forma de cápsula, lo que lo convierte en un micrófono operado por presión en lugar de operado por velocidad. La bobina se mueve en respuesta al movimiento del diafragma cuando las ondas de sonido golpean el diafragma. Al aplicar la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday, se induce un voltaje en la bobina debido al movimiento de la bobina en el campo magnético. La salida máxima ocurre cuando la bobina alcanza la velocidad máxima entre los picos de la onda de sonido, por lo que la salida está 900 desfasada con el sonido. La vista interna de un micrófono dinámico se muestra a continuación. El rango de movimiento de la bobina es muy pequeño como el tamaño de la bobina es pequeño. Por lo tanto, la linealidad de los micrófonos de bobina móvil es excelente. Debido a la baja impedancia de la bobina, la salida es considerablemente baja y, por lo tanto, se requiere amplificación de la señal. La inductancia de la bobina en los micrófonos de bobina móvil es menor y, por lo tanto, son menos susceptibles a la captación de zumbidos de la red eléctrica. La construcción del micrófono de bobina móvil se asemeja a la de un altavoz al revés.VOLVER ARRIBAMicrófono de cintaEl principio de funcionamiento de un micrófono de cinta se deriva del micrófono de bobina móvil y el cambio es que la bobina se ha reducido a una tira de cinta conductora. La señal se toma de los extremos de la cinta. Se utiliza un campo magnético intenso para que el movimiento de la cinta corte a través del máximo flujo magnético posible. Esto genera una salida con su valor máximo en 900 desfasado con respecto a la onda de sonido. La vista interna del micrófono de cinta se muestra a continuación. El micrófono de cinta es un micrófono operado por velocidad. Los micrófonos de cinta se utilizan en situaciones en las que la respuesta direccional es importante. La principal aplicación de este tipo de micrófono es en comentarios de voz en entornos ruidosos. La linealidad de los micrófonos de cinta es muy buena y su construcción los convierte inevitablemente en un dispositivo de baja salida. Para elevar el nivel de voltaje y el nivel de impedancia, los micrófonos de cinta suelen estar equipados con un transformador. Los micrófonos de cinta de buena calidad son artículos caros. Las cualidades direccionales de este micrófono son adecuadas para la transmisión en estéreo. VOLVER ARRIBA Micrófono piezoeléctrico La ventaja del micrófono piezoeléctrico sobre otros tipos de micrófonos es que no se limita a su uso en el aire, sino que puede unirse a un sólido y también sumergirse en un líquido no conductor . Los transductores piezoeléctricos se pueden usar en frecuencias ultrasónicas y algunos se usan en la región de MHz altos. Los transductores piezoeléctricos consisten en material cristalino. Cuando el cristal se tensa con ondas sonoras, los iones del cristal se desplazan de forma asimétrica. Originalmente, el cristal de sal de Rochelle se usa como material cristalino en micrófonos piezoeléctricos y este cristal está acoplado a un diafragma. El voltaje de salida y la impedancia son altos, pero la linealidad es pobre. Hoy en día, los cristales sintéticos se utilizan sobre los cristales naturales. El titanato de bario es el cristal sintético utilizado para frecuencias de hasta cientos de KHz. La figura del micrófono piezoeléctrico se muestra a continuación. VOLVER ARRIBA Micrófono de condensador El micrófono de condensador consta de dos superficies: una es un diafragma conductor y otra es una placa posterior y la carga eléctrica entre el dos superficies es fija. Cuando la onda de sonido golpea el diafragma, las vibraciones causan una variación en la capacitancia. Como la carga es fija, la variación en la capacitancia provoca una onda de voltaje. La salida depende del espacio entre las placas. La salida es mayor para una amplitud de sonido dada cuando el espacio entre las superficies es menor. La estructura de un micrófono de condensador se muestra a continuación. El micrófono de condensador es un dispositivo operado por presión. Para proporcionar la carga fija, se necesita un suministro de voltaje. Este voltaje se llama voltaje de polarización. Los micrófonos de capacitor brindan linealidad en la operación y también brindan muy buenas señales de audio. Para evitar la polarización del voltaje, se usa un electret. Un electreto es un material aislante con carga permanente. Es el equivalente electrostático de un imán. En los micrófonos de condensador de electreto, una de las placas del condensador es una losa de electreto y la otra es un diafragma. Como el electret proporciona una carga fija, no hay necesidad de suministro de voltaje. VOLVER ARRIBA Altavoz (Transductor de sonido de salida) El uso del micrófono es mínimo a menos que haya un transductor para la dirección opuesta. Los transductores como altavoces, zumbadores y bocinas son actuadores de sonido de salida que pueden producir sonido a partir de una señal eléctrica de entrada. La función de un actuador de sonido es convertir señales eléctricas en ondas de sonido con un gran parecido con la señal de entrada original de un micrófono. Los auriculares son uno de los transductores de sonido de salida más simples que se han utilizado mucho antes que los micrófonos. Los auriculares se utilizaron con una máquina Morse Key en telégrafos eléctricos. Después del desarrollo de los micrófonos, la combinación de transductores de sonido de entrada y salida conduce a numerosas invenciones, incluido el teléfono. La tarea de un auricular es simple y, como se coloca cerca de la oreja, los requisitos de energía también son muy inferiores, generalmente del orden de unos pocos milivatios. Dado que la salida requerida es menor, el auricular utiliza un diafragma pequeño. Un altavoz, a diferencia de los auriculares, no se presiona contra el oído, sino que las ondas sonoras se lanzan al espacio. Por lo tanto, la construcción, el principio y los requisitos de potencia de un altavoz son un poco diferentes. Los altavoces están disponibles en una variedad de tamaños, formas y rangos de frecuencia. El transductor de un sistema de altavoces se denomina unidad de presión, ya que transforma señales eléctricas complejas en presión de aire. Para lograr esto, una unidad de altavoz consta de una unidad de motor que transforma las ondas eléctricas de entrada en vibraciones y un diafragma que mueve suficiente aire para que el efecto de vibración sea audible. Para cada tipo de micrófono, hay un altavoz correspondiente. Algunos de los tipos comunes de altavoces son: hierro móvil, bobina móvil, piezoeléctricos, isodinámicos y electrostáticos. VOLVER ARRIBA Altavoz de bobina móvil o altavoz dinámico El principio de bobina móvil se utiliza en la mayoría de los altavoces y auriculares. Los altavoces de bobina móvil también se denominan altavoces dinámicos. El principio de funcionamiento de un altavoz de bobina móvil es exactamente el contrario al de un micrófono de bobina móvil. Consiste en una bobina de alambre fino llamada bobina móvil que está suspendida en un campo magnético muy fuerte. Esta bobina está unida a un diafragma como papel o cono de Mylar. El diafragma está suspendido en sus bordes a un marco de metal. La estructura interna de un altavoz de bobina móvil se muestra a continuación. Cuando la señal eléctrica de entrada pasa a través de la bobina, se produce un campo electromagnético. La fuerza de este campo está determinada por la corriente que fluye a través de la bobina. La configuración del control de volumen del amplificador del controlador determina la corriente que fluye a través de la bobina móvil. El campo magnético producido por el imán permanente se opone a la fuerza electromagnética que produce el campo electromagnético. Esto hace que la bobina se mueva en una dirección u otra determinada por las interacciones entre los polos norte y sur. El diafragma, que está unido a la bobina, se mueve junto con la bobina y esto provoca una perturbación en el aire que lo rodea. Estas perturbaciones producen un sonido. El volumen del sonido está determinado por la velocidad a la que se mueve el cono o el diafragma. VOLVER ARRIBA Manejo de un altavoz El rango de frecuencias que el oído humano puede escuchar está entre 20 Hz y 20 KHz. Los parlantes, audífonos, audífonos y otros transductores de audio modernos están diseñados para operar en este rango de frecuencia. Sin embargo, para los sistemas de audio de alta fidelidad (Hi – Fi), la respuesta del sonido se divide en subfrecuencias más pequeñas. Esto mejora la eficiencia general y la calidad del sonido del altavoz. Las unidades de baja frecuencia se denominan woofers y las unidades de alta frecuencia se denominan tweeters. Las unidades para frecuencias de rango medio se denominan simplemente unidades de rango medio. Los rangos de frecuencia generalizados y su terminología se mencionan a continuación. Sub-woofer: De 10 Hz a 100 Hz Graves: de 20 Hz a 3 kHz Rango medio: de 1 kHz a 10 kHz Tweeter: de 3 kHz a 30 kHz para dividir y reproducir con precisión la señal de audio de todos los subaltavoces. A continuación se muestra un circuito simple para controlar un altavoz. El transistor está en configuración de seguidor de emisor. La señal PWM de un microcontrolador proporciona una señal de CA a la base del transistor. La configuración de seguidor de emisor proporciona la señal de CA al altavoz mediante la amplificación de la corriente. El diodo actúa como un filtro. A continuación se muestra un diseño de múltiples altavoces. Hay tres tipos de controladores: controlador de woofer, controlador de rango medio y controlador de tweeter. A continuación se muestra un circuito de amplificador de audio simple. Según el circuito de filtro utilizado, el amplificador se puede usar para controlar un woofer, un altavoz de rango medio o un tweeter. A continuación se mencionan algunos de los otros tipos de transductores de salida. VOLVER ARRIBA Altavoces piezoeléctricosGeneralmente, Los tweeters se fabrican utilizando el principio piezoeléctrico. Los diafragmas están hechos de láminas de plástico piezoeléctrico. Cuando se aplica un voltaje entre las caras del diafragma, se contrae y se expande de acuerdo con la señal. Al darle forma al diafragma como parte de la superficie de una esfera, la contracción y la expansión se pueden convertir en un movimiento que moverá el aire.VOLVER AL ARRIBAAltavoces electrostáticosLos altavoces electrostáticos consisten en un diafragma conductor colocado entre dos placas conductoras de electricidad. Las placas conductoras tienen carga positiva y negativa respectivamente. Cuando se conecta una señal de audio, el diafragma cambia entre carga positiva y negativa. El diafragma es atraído hacia la placa con carga opuesta dependiendo de su carga.

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