Transductores electro acusticos

¿Qué es y cómo funciona un transductor electroacústico?

Un transductor es un dispositivo capaz de convertir un tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida, pero de valores relativamente pequeños y un transductor electroacústico es un dispositivo que transforma la electricidad en sonido, o viceversa.

La transducción o transformación de energía se hace en dos fases. Teóricamente un transductor electroacústico se basa en un transductor mecánico-acústico y un transductor electromecánico. Esto quiere decir que primero se lleva a cabo la transformación de la energía mecánica generada por el movimiento de una membrana con la cual inciden las ondas sonoras, y enseguida esa energía mecánica es transformada en energía eléctrica por lo que hay una transformación de energías de acústica a mecánica y de mecánica a eléctrica.

Un ejemplo de este tipo de artefactos son los micrófonos: estos son transductores electroacústicos que convierten la energía acústica (vibraciones sonoras: oscilaciones en la presión del aire) en energía eléctrica (variaciones de voltaje). Un altavoz también es un transductor electroacústico, pero sigue el camino contrario: un altavoz transforma la corriente eléctrica en vibraciones sonoras.

Tipos de transductores electroacústicos

Electrodinámico, dinámico o bobina móvil

Cuando una onda de sonido interactúa con la membrana o diafragma de la bocina, esta membrana se mueve y a su vez mueve una bobina la cual atraviesa las líneas de flujo de un campo magnético generado por un imán permanente, lo cual induce una corriente alterna en la bobina. De forma inversa cuando se induce una corriente alterna en la bobina, el campo magnético también ejerce una fuerza electromotriz la cual hace que el diafragma se mueva y se produzca una vibración.

Altavoz dinámico

Ventajas

• Adecuado para uso en interiores y exteriores.
• No requiere fuente externa.
• Confiable y resistente por su grosor.

Desventajas

• Sensible a campos magnéticos externos.
• Es muy grande.

Magnético

Es muy similar al dinámico, pero en este caso una pieza de material magnético es la que se mueve mientras que la bobina permanece en reposo.

Transductor electroacústico magnético

Ventajas

• Se obtiene una respuesta lineal.
• Son pequeños y de construcción robusta.
• Son sensibles a las vibraciones por lo tanto captan mejor el sonido.

Desventajas

• Sensibles a la temperatura.

Electrostático o de condensador

Cuando la distancia de separación de las placas varia, también varia su capacitancia lo que provoca una variación de voltaje entre las placas del micrófono. De forma inversa cuando la carga en las placas varia la fuerza de atracción entre ellas también varia lo cual genera una vibración.

Transductor electroacústico de condensador

Ventajas

• Puede fabricarse de tamaño muy pequeño.
• El diafragma es muy liviano y de alta sensibilidad.

Desventajas

• Más sensible a la humedad y variaciones de temperatura.
• Requiere preamplificador y adaptador de impedancia (caro y complejo).

Piezoeléctrico

Cuando un material piezoeléctrico sufre una deformación, esto genera una carga positiva en uno de sus lados y la misma cantidad de carga negativa en el lado opuesto del piezoeléctrico, esta polarización que se genera es recogida por un circuito eléctrico. De forma inversa cuando un circuito eléctrico genera una polarización de cargas el material piezoeléctrico sufre una deformación.

Transductor electroacústico piezoeléctrico

Ventajas

• Tamaño pequeño.
• Ligero.
• Alta respuesta a la frecuencia.
• No requiere calibración frecuente.

Desventajas

• Son sensibles a cambios de temperatura.
• Cables de conexión largos que originan ruidos.
• Necesitan de amplificadores para que mejore la señal.

De carbón

Para este se utiliza un contenedor lleno de gránulos de carbón. Cuando la membrana del transductor se mueve debido a una vibración externa, la presión de la membrana sobre una de las paredes del contenedor provoca que el área de contacto que tienen los gránulos de carbón entre ellos, varié con el aumento o disminución de la presión, esto provoca que el paso de una corriente eléctrica aumente o disminuya respectivamente.

Transductor electroacústico de carbón

Ventajas

• Alta sensibilidad (no necesita amplificador de audio).

Desventajas

• Gran distorsión.
• Ruido o soplido, debido a la resistencia cambiante entre los contactos.

Funcionamiento de los micrófonos como transductores electroacústicos

El micrófono funciona como transductor o sensor electroacústico y convierte el sonido (ondas sonoras) en señales eléctricas para mejorar su intensidad, transmitir y grabar. Los micrófonos tienen múltiples aplicaciones en diferentes campos, tales como: telefonía, ciencia, salud, transmisión de sonido en conciertos y eventos públicos, transmisión de sonido en medios masivos, productos audiovisuales (películas y TV), radiodifusión en tiempo real, grabación de audio profesional, desarrollo de ingeniería de sonido, reconocimiento de voz y VoIP.

Actualmente, la mayoría de los micrófonos utilizan inducción electromagnética (micrófonos dinámicos), cambios de capacitancia (micrófonos de condensador) o piezoelectricidad (micrófonos piezoeléctricos) para generar señales eléctricas a través de cambios en la presión del aire. Los micrófonos generalmente deben estar conectados a un preamplificador antes de que sus señales puedan grabarse o procesarse y reproducirse en los altavoces o en cualquier equipo de amplificación de sonido.

Componentes y estructura del micrófono

Diafragma

Es la parte más delicada de un micrófono. En algunos lugares también recibe el nombre de pastilla, aunque generalmente este término se refiere al dispositivo que capta las vibraciones en los instrumentos, como el que capta el sonido de una guitarra eléctrica. El diafragma es una membrana que recibe las vibraciones de nuestra voz y está unido al sistema que transforma estas ondas en electricidad.

Dispositivo transductor

Esta cápsula microfónica puede estar construida de diferentes maneras y, dependiendo del tipo de transductor, podemos clasificar a los micrófonos como dinámicos, de condensador, de carbón, piezoeléctricos… Se encarga de convertir los sonidos en electricidad (audio).

Rejilla

Protege el diafragma. Evita tanto los golpes de sonido (causados por las “p” y las “b”) así como los físicos que sufra por alguna caída.

Carcasa o estructura

Es el recipiente donde colocamos los componentes del micrófono. En los de mano, que son los más comunes, esta carcasa es de metales poco pesados, ligeros de portar, pero resistentes a la hora de proteger el dispositivo transductor.

Conector de salida

A través del conector, llevamos la señal eléctrica a la consola. Por lo general son conectores XLR macho en los modelos sin cables o inalámbricos en los cuales el conector de salida se cambia por un pequeño transmisor de radiofrecuencia que envía la señal a través de ondas electromagnéticas.

Micrófono

Onda sonora

Una onda sonora es una onda longitudinal que transmite lo que se asocia con sonido. Si se propaga en un medio elástico y continuo genera una variación local de presión o densidad, que se transmite en forma de onda esférica periódica o cuasi periódica. Mecánicamente las ondas sonoras son un tipo de onda elástica. Las variaciones de presión, humedad o temperatura del medio, producen el desplazamiento de las moléculas que lo forman. Cada molécula transmite la vibración a las que se encuentren en su vecindad, provocando un movimiento en cadena. Las diferencias de presión generadas por la propagación del movimiento de las moléculas del medio, producen en el oído humano una sensación descrita como sonido.

Onda sonora

Longitud de la onda sonora

La longitud de onda es la distancia que separa dos conjuntos de moléculas sucesivas en el mismo estado vibratorio (misma presión y velocidad acústica).

En la siguiente imagen de abajo la longitud de onda está representada como la distancia que separa dos máximos de compresión (líneas gruesas sucesivas); en el instante $t$, cada grupo de moléculas separadas por esa longitud está sometida a una presión y una velocidad acústica idénticas. En un medio determinado, la frecuencia y la longitud de onda están relacionadas por la fórmula:

$\lambda ={\frac {\mathrm {v} }{\nu }}=\mathrm {v} *\tau .$

En la formula anterior $\lambda$ es la longitud de onda en metros $(m)$, $\mathrm {v}$ la velocidad de propagación de la onda en metros sobre segundo $({\frac {m}{s}})$, $v$ es la frecuencia $(Hz)$ y $\tau$ es el período $(s)$, se puede observar que cuanto mayor es la longitud de onda, más se reduce la frecuencia y a la inversa, cuanto menor es la longitud mayor es la frecuencia. Por ejemplo para una onda con frecuencia de $20Hz$ y una velocidad de propagación de la onda igual a $340{\frac {m}{s}}$, la longitud de onda es de $17m$ y para una onda con frecuencia de $10Hz$ y una velocidad de propagación de la onda igual a $340{\frac {m}{s}}$, la longitud de onda es de $34m$.

Longitud de onda sonora

Interacción de las ondas sonoras con el transductor

Un poco más a detalle: 1. Cuando hablas, las ondas sonoras creadas por tu voz llevan energía hacia el micrófono. Recuerda que el sonido que podemos escuchar es la energía transportada por las vibraciones en el aire.

Onda sonora

2. Dentro del micrófono, el diafragma se mueve hacia adelante y hacia atrás cuando las ondas de sonido lo golpean.

3. La bobina, unida al diafragma, se mueve hacia adelante y hacia atrás también.

4. El imán permanente produce un campo magnético que corta a través de la bobina. A medida que la bobina se mueve hacia adelante y hacia atrás a través del campo magnético, una corriente eléctrica fluye a través de ella.

5. La corriente eléctrica fluye desde el micrófono a un amplificador o dispositivo de grabación de sonido.

Micrófono

Como la energía sonora se convierte en sonido

La energía sonora (o acústica) es la energía que transmiten o transportan las ondas sonoras. Procede de la energía de la vibración del foco sonoro y se propaga a las partículas del medio que atraviesan en forma de energía cinética (movimiento de las partículas), y de energía potencial (cambios de presión producidos en dicho medio o presión sonora). Al irse propagando el sonido a través del medio, la energía se transmite a la velocidad de la onda, pero una parte de la energía sonora se disipa en forma de energía térmica.

La energía acústica suele tener valores absolutos bajos, y su unidad de medida es el julio (J). Aunque puede calcularse a partir de otras magnitudes como la intensidad sonora, también se pueden calcular otras magnitudes relacionadas, como la densidad o el flujo de energía acústica.

A partir de la definición de intensidad acústica, se puede calcular la energía acústica que atraviesa una superficie $A$ en un tiempo $t$ dado, a una distancia $r$ del foco sonoro :

\[ E=\int_{A}^{} \int_{0}^{\triangle t} I(r,t)dtdA. \]

Donde:

$E=energía~ acústica ~que~ atraviesa~ una~ superficie~ en~ una ~variación~ de~ tiempo.$

$I=es~la~intensidad~acústica,~que~es~función~del~punto~escogido~y~del~tiempo.$

$∆t=el~intervalo~de~tiempo~durante~el~que~se~pretende~medir~la~energía~sonora.$

Tipos de ondas sonoras con las que interactúa el transductor

Existen dos tipos de ondas sonoras dependiendo de cómo se desplacen las partículas por el medio:

Las ondas sonoras se originan producto de la vibración de las moléculas de un medio, que puede ser sólido, líquido o gaseoso; por ejemplo, un tubo de metal, el agua o el aire. El sonido se propaga como onda longitudinal en sólidos, líquidos y gases, y también se puede propagar como onda transversal en sólidos.

En una onda sonora longitudinal se producen una serie de zonas de compresión, donde las moléculas están más cercanas unas de otras y la presión es más alta, y zonas de descompresión o rarefacción, donde las moléculas se separan y la presión es más baja. Así, cuando una onda sonora se propaga en el aire, las moléculas de aire vibran a lo largo de la dirección de propagación de la onda, produciéndose cambios en la densidad y en la presión.

Propagación en los medios

Las ondas sonoras se desplazan también en tres dimensiones y sus frentes de onda en medios isótropos, son esferas concéntricas que salen desde el foco de la perturbación en todas las direcciones. Por esto son ondas esféricas. Los cambios de presión $p$ que tienen lugar al paso de una onda sonora tridimensional de frecuencia $ν$ y longitud de onda $\lambda$ en un medio isótropo y en reposo vienen dados por la ecuación diferencial:

$\frac{1}{r^{2}}\frac{\partial}{\partial r}(r^{2}\frac{\partial_{P}\left(r,t\right)}{\partial r}-\frac{1}{\mathrm{v}^{2}}\frac{\partial_{P}^{2}\left(r,t\right)}{\partial^{2}t})=0$

Donde $r$ es la distancia al centro emisor de la onda, y $v$ es la velocidad de propagación de la onda. Para una onda de período bien definido ${\displaystyle V=\lambda \nu }$ y en ese caso la solución de la ecuación, a grandes distancias de la fuente emisora se puede escribir como:

$p(r,t)=p_{0}+\frac{\triangle p}{r}sen(2\pi\nu t-2\pi\frac{r}{\lambda}+\Phi_{0})$

Donde p$_{0},\triangle p$ son respectivamente la presión inicial del fluido y la sobrepresión máxima que ocasiona el paso de la onda.

Las ondas de sonido se propagan con más velocidad en los medios que poseen mayor densidad $(\rho )$, puesto que poseen un mayor número de partículas por unidad de volumen disponibles para propagar el sonido. Por ejemplo, la velocidad del sonido en el agua $(\rho =1.000{\frac {kg}{m^{3}}})$ es casi cinco veces mayor que en el aire $(\rho =1.3{\frac {kg}{m^{3}}})$.

Emisión de las ondas sonoras

Una fuente de sonido o de emisión de ondas sonoras es un cuerpo que al vibrar produce ondas que se propagan en un medio. Entre las distintas fuentes de sonido se encuentran las cuerdas vocales, los parlantes de una radio, la membrana de un tambor, entre otros. El sonido viaja desde una fuente de emisión hasta nuestros oídos en forma de ondas sonoras.

Otra de las características principales de los sonidos es la posibilidad de distinguir entre sonidos agudos o graves. Este parámetro llamado tono, depende de la frecuencia de la onda sonora, mientras mayor sea la frecuencia de la onda, más agudo es el sonido. A su vez, mientras menor sea la frecuencia de la onda sonora, más grave es el sonido. Los seres humanos percibimos sonidos en un intervalo de frecuencias que comprende desde los $20Hz$ a los $20.000Hz$. Bajo $20Hz$ se habla de infrasonidos y sobre los $20kHz$ se habla de ultrasonidos.

Ondas de sonido

Velocidad de las ondas de sonido

La velocidad de propagación del sonido depende de algunas propiedades del medio por el cual se propaga, como la densidad, la elasticidad (en sólidos), la compresibilidad (en líquidos y gases) y la temperatura.

La elasticidad: es la capacidad de una sustancia sólida de deformarse cuando se le aplica un esfuerzo y recuperar su forma inicial cuando este esfuerzo finaliza, por ejemplo, la goma es más elástica que un metal. Una onda de sonido tiene mayor velocidad en un material de menor elasticidad, ya que este transmite las deformaciones de la onda de inmediato, propagándose más rápidamente.

La compresibilidad de líquidos y gases: como su nombre lo indica, describe su capacidad de compresión. Los líquidos y gases con menor compresibilidad tienen moléculas más juntas, que transmiten las compresiones y descompresiones de una onda sonora sin retardo, por lo tanto, en ellos el sonido se propaga más rápidamente.

Temperatura: si la temperatura aumenta en el medio de propagación, la velocidad del sonido se incrementa. Por ejemplo, si la temperatura del aire aumenta, también lo hace la velocidad del sonido, debido a que la agitación de las moléculas de un gas se incrementa con la temperatura. Existe una ecuación matemática que relaciona la velocidad del sonido en el aire con la temperatura del aire en grados Celsius.

$\mathrm {v} =\mathrm {v} _{o}+0,6[{\frac {m}{s^{\circ }C}}]^{\circ }T.$

Donde:

$\mathrm{v}=velocidad~del~sonido[\frac{m}{s}]$

$\mathrm {v} _{o}={\text{velocidad del sonido a}}~0^{\circ }C~[{\frac {m}{s}}]$

$°T=variación~de~temperatura~del~medio~[°C]$

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Aportación por usuario: Carlosmiranda (discusión) 14:20 18 nov 2020 (CST) Emanuel (discusión) 07:27 19 nov 2020 (CST)

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