GEOMETRÍA ANALÍTICA. Patrón de captación del sonido.

Estándar

Patrón de captación del sonido de diferentes tipos de micrófonos.

CARACTERÍSTICAS: 

Todo micrófono debe responder básicamente a dos rangos, al de frecuencia y al de dinámica. El de frecuencia hace referencia a la repetitividad de la onda en un segundo y se mide en Hertz (Hz).Musicalmente la frecuencia representa la altura musical, de modo que sonidos más graves tendrán frecuencia menor. Frecuencias muy altas o muy bajas son difícilmente captadas por un micrófono. 

El rango dinámico hace referencia a la amplitud de onda, es decir, el tamaño del punto de equilibrio a una cresta o valle. Se mide como una distancia en la física, pero en la música representa el nivel sonoro y se mide en decibles (db). Al igual que con la frecuencia rangos muy altos o muy bajos son difíciles de captar. 

http://www.asifunciona.com/electronica/af_conv_ad/conv_ad_1.htm

Generalmente se relacionan ambos rangos gráficamente para calificar micrófonos (gráfica). Lo ideal en un micrófono tiende a ser una línea recta pero con la variabilidad de los rangos la capacidad del diafragma se ve reducida o exagerada. 
Sin embargo estas curvas tienen ciertas ventajas, como por ejemplo en el caso de la grabación de la voz humana al aire libre lo ideal es no captar ondas fuera del rango de voz, para que en la grabación no aparezca sonido ambiental o ruido de fondo de baja frecuencia. 

Características como la masa, dimensiones, forma, eficiencia de las partes móviles, máxima utilización del campo magnético (dinámico) garantizan poca distorsión, buena respuesta frente a rangos dinámicos, y traslado preciso de la señal voltaica a los conectores del micrófono. 

La impedancia es otro punto a ver en los micrófonos. Se clasifican en tres tipos: 
– Baja impedancia (menos de 600Ω) 
– Impedancia media (entre 600Ω y 10,000Ω) 
– Alta impedancia (mas de 10,000Ω) 

Esta hace referencia a la resistencia de los circuitos componentes de los micrófonos. Siendo mejores los micrófonos con baja impedancia, pues con Alta impedancia y una distancia larga se pierde la calidad del sonido especialmente con los agudos o altas frecuencias. Equipos profesionales tienen baja impedancia. 

TIPOS: 

MICRÓFONOS DINÁMICOS: 

O también conocidos como micrófonos de bovina móvil, son los más usados alrededor del mundo. Son muy versátiles al ser resistentes, no necesitando energía externa y buena sensibilidad dependiendo su calidad. Su funcionamiento se atribuye a la vibración del diafragma con las ondas sonoras, lo que hace a su vez vibrar la bovina suspendida en un campo magnético, obteniendo así una pequeña corriente eléctrica causada por la fricción. La fluctuación de esta corriente es similar en forma, amplitud y frecuencia a la onda sonora que la generó.

Los Micrófonos se pueden clasificar de acuerdo con la forma de transducción, en otras palabras, dependiendo de la forma como se transforma la señal acústica en eléctrica.

Tipos de micrófonos:

1 Micrófonos de carbón
2 Micrófonos piezoeléctricos
3 Micrófonos dinámicos (de bobina móvil)
4 Micrófono de cinta
5 Micrófono capacitivo (de condensador)
6 Micrófono eléctret

La energía eléctrica generada por un micrófono es muy baja, por lo cual para reproducir la señal eléctrica se requiere la amplificación varias veces. La señal generalmente se designa con milivoltios. 

Como ventajas tiene más rango de frecuencia que los de carbón y los piezoeléctricos (cristal y cerámica), son confiables, económicos, robustos, no muy delicados, buen nivel sonoro de salida aunque todo depende claramente de la calidad del micrófono. 

http://www.lpi.tel.uva.es/~nacho/docencia/ing_ond_1/trabajos_02_03/micros_altavoces/microfonos_2.htm

También existe el micrófono dinámico coaxial, el cual posee dos sistemas separados. Uno de alta frecuencia llamado Tweeter, y uno de baja frecuencia llamado Woofer, entre ambos sistemas cubren un rango de 500 Hz. 

MICRÓFONOS DE CONDENSADOR O CAPACITOR: 

Los micrófonos de condensador eléctrico poseen muchas ventajas sobre micrófonos dinámicos, desde su incomparable calidad de respuesta como su profesionalidad en todas las características dichas anteriormente. 

Constan de un condensador o capacitor que es un dispositivo que almacena energía en forma de campo electrostático. Una de sus desventajas es el uso o la necesidad de una fuente externa de energía, aunque la mayoría de las veces sean pilas pequeñas además que su alta sensibilidad puede mostrar desventaja con sonidos muy fuertes al crear distorsión, por lo cual son más usados en estudios profesionales. 

Su funcionamiento se basa en un par de placas metálicas separadas, cuando se conecta a una fuente de energía el condensador se carga eléctricamente, con lo cual se aplica un voltaje a las placas del capacitor. Este voltaje cambia de acuerdo a algunas variables, como el tamaño de las placas, la distancia entre ellas. Generalmente una de las placas esta fija y la otra es móvil con lo cual se puede usar una de estas como diafragma directamente además que se puede variar el voltaje que es el objetivo del micrófono convertir impulsos mecánicos en impulsos eléctricos. Entre mas cerca estén las placas mayor será el voltaje y viceversa. 

La masa de las placas debe ser muy baja, especialmente la del diafragma, pues esto le brindará alta sensibilidad al micrófono, hasta el punto de a veces ser hecho de una membrana plástica o una película de poliéster cubierto con una delgada capa de oro para hacerlo conductivo. 

Lo siguiente es el dispositivo encargado de cargar eléctricamente el condensador conocido como voltaje polarizante y que debe estar entre un rango de 50 y 200 voltios. La variación de este voltaje se dá con las vibraciones mecánicas del diafragma causadas a su vez por las vibraciones sonoras. 

Otro punto a ver es la impedancia o resistencia en los circuitos y cableados de los micrófonos de capacitor, la cual es muy alta lo que es un problema, pues como se decía anteriormente es preferible una baja impedancia para no distorsionar el sonido a distancias de más de cinco metros. De forma que se usa otro dispositivo llamado conversor de impedancia, el cual reduce la impedancia de 10 millones de ohms (10 megaohms) a una escala entre 50Ω y 200Ω. 

La mayoría de los micrófonos de condensador poseen un preamplificador interno aunque algunos son externos. Los internos generalmente son muy reducidos incluso con tubos en miniatura (lo cual no implica que los micrófonos de condensador son pequeños). Pero estos preamplificadotes de tubos generan un gasto de energía también. El objetivo de este mini amplificador es reducir impedancia también en conexiones o cableados internos, pues cables de salida generan mucha resistencia y pérdida de calidad sobre todo en agudos. 

Estos micrófonos solían ser extremadamente costosos y hasta engorrosos, necesitando grandes fuentes de energía. Actualmente funcionan con baterías o usan un sistema de fuente fantasma (Phantom Powering System) el cual consiste en el uso de energía de un equipo externo ya sea un amplificador o un dispositivo de grabación. Para algunas situaciones se suele recomendar el uso de baterías para no tener que usar un dispositivo solo como fuente de energía. 

MICRÓFONO ELECTRET: 

Hasta el momento la estructura más complicada es la del micrófono de condensador al requerir dos sistemas de voltaje el del convertir de impedancia (preamplificador) y el de polarización del condensador. 

El eléctret pertenece a los mismos pero tiene una modificación en el sistema de voltaje de polarización, pues en un capacitor normal al impedir el paso de voltaje, este seguirá polarizado por un corto tiempo en el mejor de los casos. En cambio el capacitor eléctret es un dispositivo similar a un capacitor normal con la diferencia que el eléctret posee una polaridad permanente, de forma que en su manufactura se carga y evita el gasto de una fuente de energía por lo menos en la parte del condensador. Sin embargo el conversor de impedancia sigue requiriendo una carga aunque muy baja. 

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PATRONES POLARES Y DIRECCIONALIDAD: 

PATRONES POLARES: 

Los micrófonos poseen áreas de sensibilidad designadas con lo que dependiendo su posición responden mejor a las ondas sonoras. Las ondas sonoras son tridimensionales aunque los esquemas sean bidimensionales y los micrófonos no responden a una onda con la misma fidelidad dependiendo la dirección que proviene. 
Estos esquemas llamados diagramas polares son muy prácticos aunque no representen las ondas en sus tres dimensiones. Estos diagramas indican la sensibilidad del micrófono en diferentes direcciones. 
El diagrama relaciona los ángulos de impacto de la onda sonora y la amplitud o rangos dinámicos con la que se registra el sonido, medida en decibles. Estos rangos se ubican en los círculos y el perímetro del área sombreada representa la disminución de la respuesta dependiendo del grado de entrada de la onda. 

PROPIEDADES DE DIRECCIONALIDAD: 

OMNIDIRECCIONALES:
 

O también llamados no direccionales no varían su sensibilidad de acuerdo a la variación de los ángulos de impacto de las ondas sonoras. 
Sin embargo su rango no es de mucha envergadura, pues al percibir sonidos de múltiples direcciones sin variar, después de cierto alcance no funcionan, es decir su respuesta no es muy amplia en cuanto a dinámica. 
En cuanto a frecuencia no tiene tantas fallas pero un cambio drástico en la frecuencia si afecta la direccionalidad y sensibilidad al deformar un poco la circunferencia perfecta. Es excelente para capturar el sonido ambiental o en situaciones en las que la fuente sonora este en movimiento, de manera que no se modifique la dinámica. Si se quiere capturar un sonido particular no es recomendable por la cantidad de ruido. 

UNIDIRECCIONALES
: 

Estos micrófonos se caracterizan por ser sensibles primordialmente a sonidos provenientes de una sola dirección, incluyen cardioides, supercardioides, hipercardioides y parabólicos. 

Cardioides: 

Se denomina así por su forma de corazón, y tienen gran sensibilidad a sonidos frontales y de solo esa dirección, desde los 45º empieza su disminución de respuesta. 

Cuando un micrófono cardioide apunta un sonido este impacta directamente el diafragma, sin embargo ondas que lleguen lateralmente son conducidas en el diafragma mediante un sistema acústico complejo. 
Algunos diseños de doble sistema (tweeters y woofers) presentan compartimientos para bajas frecuencias en la zona de 180º, es decir, en el conector de salida. 
Este micrófono tiene una gran ventaja tanto en estudio como en sonido en vivo. En estudio o en recintos cerrados, el sonido amplificado rebota en las paredes y llega directo al intérprete, es decir, atrás del micrófono, de modo que las ondas que reboten serán captadas con menor sensibilidad, y no se superpondrán ni distorsionarán. En vivo ocurre algo similar con el retorno (feedback), cuando el intérprete necesita escucharse como lo oye el público, o necesita escuchar otros integrantes, se ubican parlantes apuntando al intérprete, sin embargo esto genera chillidos y ruidos en los micrófonos, pero con un buen micrófono cardioide no ocurrirá esto, pues el retorno apunta a la dirección de los 180º del micrófono, lo cual no será captado. Cuando se usa frente a la audiencia, el ruido proveniente de esta no será amplificado. Los micrófonos de mano son general mente cardioides. 

-Supercardioide:
 
Son micrófonos más direccionales que los cardioides, poseen más alcance en la dirección frontal, la interferencia de sonidos laterales o posteriores se ve muy reducida, por lo que lo hace muy usado cuando se requiere una fuente única de sonido. Los micrófonos de cañón son de este tipo, y llegan a tener una buena respuesta a incluso 5 metros del origen del sonido. 

-Hipercardioide:
 O también llamados ultra direccionales son de los más direccionales. Prácticamente eliminan sonidos laterales de más de 90 grados, aunque en la zona inmediatamente posterior tienen más sensibilidad que un cardioide. 
Esto implica gran precisión en el momento de apuntar a la fuente, pues cualquier inclinación, implicaría grandes pérdidas en la grabación o amplificación. 

– Parabólicos: 
Estos presentan la mayor direccionalidad. Es prácticamente una adecuación a un micrófono hipercardioide, pues consta de un reflector parabólico, el cual gracias a su forma cóncava dirige los sonidos provenientes de un rango mayor a estrictamente el frente del micrófono unidireccional, de modo que el alcance llega al máximo. Al ser los más direccionales son excelentes a grandes distancias y fuentes estáticas. 

BIDIRECCIONALES: 

Son micrófonos con dos direccionalidades, y por lo tanto sensibilidad alta en sentidos opuestos. La menor sensibilidad se presenta a los 90º o 270º. 
Son especialmente usados en entrevistas en las que sea primordial la calidad de grabación de ambas zonas tanto al frente como atrás del micrófono. 
Algunos micrófonos poseen direccionalidad variable, pudiendo pasar de omnidireccionales a unidireccionales, sobretodo en cámaras de video profesionales. 

La ecuación polar, en su forma básica es:

p = A + B cos 0,    donde  A +B = 1.

Los valores particulares de A y B definen el tipo de respuesta:  

A=1 y B=0: patrón omnidireccional. El micrófono responde sólo a variación de presión.

A=0 y B=1: patrón bidireccional; el micrófono responde sólo a velocidad o gradientes de presión. A=B=0.5: patrón del tipo cardioide. Este sistema equivale a sumar un elemento de velocidad con uno de presión:

1+0cos0�?��omnidireccional

0+1cos0�?��.bidireccional

1+1cos0�?��.unidireccional

A=0.375. B=0.625: Patrón del tipo supercardioide.

A=0.25   B=0.75: Patrón del tipo hipercardioide.

 

 

Patrón omnidireccional. = 1.

Los micrófonos con este patrón direccional, poseen la misma eficiencia para la captación sonora sea cual sea el ángulo desde el que provenga el sonido. Cualquier micrófono con otro tipo de patrón, que no sea omnidireccional, entra ya en el campo de los micros o patrones direccionales. Este tipo de patrón es el utilizado obligatoriamente en calibración, debido a que cuando tratamos, por ejemplo, de acoplar un sistema de sonido a un determinado ambiente acústico ( fase de ecualización) es imprescindible que al RTA ( analizador de espectro sonoro) le llegue una mescla de información del equipo de sonido + sala o ambiente.

Patrón bidireccional = cos(q)

En el patrón de captación bidireccional, el micrófono recoge las señales que provienen tanto de su eje frontal como posterior (0º y 180º), en tanto que por sus lados (90º y 270º) no captan sonido.

Patrón cardioide = 0.5 + 0.5 cos(q)

Denominado así por la forma de corazón de su diagrama polar. Este tipo de micro recoge el sonido principalmente en su eje frontal (0º), con unos ángulos de captación más o menos estrechos en sus inmediaciones. Mientras que por sus parte posterior (180º), no captan prácticamente ningún sonido.

Son los más utilizados, en conciertos o actos en directo, debido al rechazo que presentan en su eje trasero, lo que hace que la realimentación (efecto Larsen) se mantenga alejado de la señal útil, así como reverberaciones y ecos, o sonidos del público.

Patrón Super Cardioide = 0.375 + 0.625 cos(q)

Al igual que en el caso anterior, estos patrones también son direccionales, aunque sus ángulos de captación son más estrechos, especialmente en el caso de los micrófonos hipercardioides (hiperdireccionales). Los supercardioides son de aplicación general, mientras que los hipercardioides tienen mejor campo de aplicación en la captación de instrumentos. Ambos presentan un lóbulo de captación en la zona posterior.

Patrón Hiper Cardioide = 0.25 + 0 .75 cos (q)

Las características fundamentales de los diversos patrones se resumen en la siguiente figura:

Sumario de micrófonos de primer orden.

En la figura anterior se define REE (“Random Energy Efficiency”) como la cantidad de ruido ambiente que capta el micrófono en relación a lo que captaría un micrófono omnidireccional a la misma distancia y con la misma sensibilidad (se indica en dB). El factor de distancia DF se refiere a cuanto debemos alejar un micrófono para que capte la misma relación de sonido directo respecto a ruido ambiente, teniendo como referencia a un micrófono omnidireccional colocado a un metro de la fuente.

Micrófonos de configuración variable.

Existen configuraciones de micrófonos que combinan elementos de gradiente de presión, de manera de poder elegir la respuesta polar cambiando el grado de participación de cada elemento. Un ejemplo de ello lo constituye el sistema Brunmuhl-Webwr.

En la siguiente figura se tiene la operación del micrófono como elemento de captación de presión sonora.

Sistema Brunmnihl-Wener en modo presión.

Se puede destacar que cualquier diferencia de presión a cada lado del micrófono no producirá voltaje de salida ya que se compensaría (una de las placas produciría una corriente en un sentido sobre la resistencia mientras que la tora lo haría en sentido contrario). La configuración de gradiente de presión, o velocidad, se consigue cambiando la polaridad de las fuentes, tal como se observa en esta figura.

Sistema Brunmuhl-Weber en modo gradiente de presión.

En la configuración de gradiente de presión se tiene que, si las laminas se acercan o se alejan al mismo tiempo, no se producirá ninguna variación de corriente en la resistencia.

 

Por último se tiene que si se configura la fuente como en la figura que sigue, se tendrá un dispositivo con patrón polar variable cambiando solamente el interruptor para elegir cuanto de captación de presión y cuanto de gradiente se desea en la respuesta total.

 BIBLIOGRAFÍA: 

-http://www.asifunciona.com/electronica/af_conv_ad/conv_ad_1.htm 
-http://www.mediacollege.com/audio/microphones/frequency-response.html 
http://www.lpi.tel.uva.es/~nacho/docencia/ing_ond_1/trabajos_02_03/micros_altavoces/microfonos_2.htm 
-Microphones how they work & how to use them 
Clifford, Martin.

 

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