El sonido es un término generalizado dado a ondas acústicas que son un tipo de ondas longitudinales que se propagan por compresión y descompresión en procesos adiabáticos. El rango de frecuencia de las ondas acústicas está entre 1 Hz y decenas de miles de Hz. En este amplio rango, los humanos pueden escuchar entre 20 Hz y 20 KHz.
Los transductores de sonido o audio son de dos tipos: sensores de entrada o transductores de sonido a eléctricos y actuadores de salida o transductores eléctricos a de sonido. El ejemplo del sensor de entrada es un micrófono y para el actuador de salida es un altavoz.
Los transductores de sonido pueden detectar y transmitir ondas de sonido. Si la frecuencia de la onda de sonido es muy baja, entonces se llaman infra-sonido. Y si la frecuencia de la onda de sonido es muy alta, entonces se llaman ultrasonidos.
Sonido
El sonido y la vibración están interconectados ya que el sonido es 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., propagada 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 hace 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 vibrante comprime las moléculas de aire circundante 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 velocidad, 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 causa el sonido. La velocidad y la longitud de onda del sonido dependen del medio que transmite las ondas de sonido. 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).
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La velocidad del sonido en un material determinado depende de la densidad y la elasticidad del m aterial. Por lo tanto, la velocidad del sonido es mayor en sólidos y baja en gases a alta presión.
La medición objetiva de las ondas sonoras hace uso de la intensidad de la superficie receptora medida como el número de vatios de energía acústica por metro cuadrado. El oído tiene una respuesta no lineal y la sensibilidad varía con la frecuencia del sonido. El rango de frecuencia sobre el cual el oído humano puede detectar el sonido se encuentra entre 20 Hz y 20 kHz. La respuesta de la oreja es máxima en la región de 2 kHz.
Micrófono (Transductor de sonido de entrada)
El transductor de audio o sonido a energía eléctrica es el micrófono o simplemente se llama micrófono. Un micrófono produce señales analógicas eléctricas que son proporcionales a las ondas de sonido que actúan sobre su diafragma. Los micrófonos se clasifican por el tipo de transductor eléctrico que utilizan. Además del transductor, el micrófono utiliza filtros acústicos y pasajes cuya forma y dimensión modifican la respuesta del sistema en general.
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 el que tiene baja impedancia está asociado con una salida baja. La alta impedancia hace que el micrófono sea susceptible de vibración. La direccionalidad del micrófono también es un factor importante. Si el micrófono se usa para detectar la presión de las ondas de sonido, entonces es omnidireccional, es decir, capta el sonido que llega de 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 necesariamente determina el principio de funcionamiento como presión o velocidad, pero la construcción del micrófono es la más factor importante.
Algunos de los tipos más 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.
Micrófono de carbono
El 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 posterior.
Cuando los gránulos se comprimen, la resistencia entre el diafragma y la placa posterior disminuye considerablemente. Las vibraciones del diafragma, que son el resultado de la onda de sonido incidente en él, se pueden convertir 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 carbono es que produce una salida que es enorme para los estándares de los micrófonos.
Las desventajas incluyen una linealidad deficiente, una estructura deficiente que causa resonancias múltiples en el rango de audio y un alto nivel de ruido ya que la resistencia de los gránulos se altera incluso en ausencia de sonido.
Micrófono de hierro en movimiento
Los micrófonos de hierro en movimiento también se denominan micrófonos de reluctancia variable. El micrófono de hierro móvil usa un poderoso imán. El circuito magnético contiene una armadura hecha de hierro dulce, que a su vez está conectada a un diafragma. A medida que la armadura se mueve, 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.
Micrófono de bobina móvil o micrófono dinámico
Los micrófonos de bobina móvil (dinámica) usan un circuito magnético de flujo constante. En este circuito, la salida eléctrica se genera moviendo una bobina de cable en el circuito que está conectado a un diafragma. Toda esta disposición está en forma de cápsula, lo que hace que sea 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 fuera de fase con el sonido.
La vista interna de un micrófono dinámico se muestra a continuación.
El rango del movimiento de la bobina es muy pequeño ya que el tamaño de la bobina es pequeño. Por lo tanto, la linealidad de los micrófonos de tipo bobina móvil es excelente. Debido a la baja impedancia de la bobina, la salida es considerablemente baja y, por lo tanto, se requiere la 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 vibraciones desde la red eléctrica. La construcción del micrófono de bobina móvil se asemeja a la de un altavoz en reversa.
Micrófono de cinta
El 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 desde los extremos de la cinta. Se usa un campo magnético intenso para que el movimiento de la cinta atraviese el flujo magnético máximo posible. Esto genera una salida con su valor máximo en 900 fuera de fase 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 donde la respuesta direccional es importante. La aplicación principal de este tipo de micrófono está en comentarios de voz en entornos ruidosos.
La linealidad de los micrófonos de cinta es muy buena y su construcción hace que sea inevitablemente un dispositivo de bajo rendimiento. Para elevar el nivel de voltaje y el nivel de impedancia, los micrófonos de cinta generalmente están 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.
Micrófono piezoeléctrico
La ventaja del Micrófono Piezoeléctrico sobre otro tipo de micrófonos es que no se limita al uso en el aire sino que se puede unir a un sólido y también sumergirlo en un líquido no conductor. Los transductores piezoeléctricos se pueden utilizar a frecuencias ultrasónicas y algunos se utilizan en la región de alta MHz. Los transductores piezoeléctricos consisten en material cristalino. Cuando el cristal es forzado por ondas de sonido, los iones del cristal se desplazan de manera asimétrica. Originalmente, RocheLine Salt Crystal se utiliza 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. Ahora un día, los cristales sintéticos se utilizan sobre 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.
Micrófono capacitivo
El micrófono condensador consta de dos superficies: una es un diafragma conductivo y otra es una placa posterior y la carga eléctrica entre las dos superficies es fija. Cuando la onda de sonido golpea el diafragma, las vibraciones provocan una variación en la capacitancia. A medida que se fija la carga, la variación en capacitancia causa una onda de voltaje. La salida depende del espacio entre las placas. La salida es mayor para la amplitud de sonido dada cuando el espaciado entre las superficies es menor.
La estructura de un micrófono de condensador se muestra a continuación.
El micrófono de condensador es un dispositivo que funciona a presión. Para proporcionar la carga fija, se necesita un suministro de voltaje. Este voltaje se llama voltaje de polarización. Los micrófonos de condensador proporcionan linealidad en el funcionamiento y también proporcionan señales de audio muy buenas.
Para evitar el voltaje de polarización, se utiliza un electreto. Un electreto es un material aislante con carga permanente. Es el equivalente electrostático de un imán. En los micrófonos de condensador electret, una de las placas del condensador es una losa de electreto y la otra es un diafragma. Como el electreto proporciona una carga fija, no hay necesidad de suministro de voltaje.
Altavoz (Transductor de sonido de salida)
El uso del micrófono es pequeño a menos que haya un transductor para la dirección opuesta. Los transductores como parlantes, 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 parecido cercano a la señal de entrada original a 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 usaron 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 numerosos inventos, incluido el teléfono. La tarea de un auricular es simple y como se coloca cerca de la oreja, los requisitos de potencia también son muy inferiores, generalmente del orden de pocos milivatios. Como la salida requerida es menor, los auriculares usan un pequeño diafragma. Un altavoz, a diferencia de los auriculares, no se presiona contra la oreja, sino que las ondas de sonido se lanzan al espacio. Por lo tanto, los requisitos de construcción, principio y 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 porque transforma señales eléctricas complejas en presión de aire. Para lograr esto, una unidad de altavoz consiste en una unidad de motor que transforma las ondas eléctricas de entrada en vibraciones y un diafragma que mueve suficiente aire para hacer que el efecto de vibración sea audible.
Para cada tipo de micrófono, hay un altavoz correspondiente. Algunos de los tipos más comunes de altavoces son: mover el hierro, mover la bobina, piezoeléctrico, isodinámico y electrostático.
Altavoz de bobina móvil o Altavoz dinámico dinámico
El principio de la 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 opuesto al de un micrófono de bobina móvil. Consiste en una bobina de alambre fino llamada bobina de voz que se suspende 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 de control de volumen del amplificador del controlador determina la corriente que fluye a través de la bobina de voz. 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 en tándem con la bobina y esto causa una perturbación en el aire a su alrededor. Estas perturbaciones producen un sonido. El volumen del sonido está determinado por la velocidad a la que se mueve el cono o el diafragma.
Conducción a Speaker
El rango de frecuencias que el oído humano puede escuchar está entre 20 Hz y 20 KHz. Los altavoces, auriculares, auriculares y otros transductores de audio modernos están diseñados para funcionar en este rango de frecuencia. Sin embargo, para los sistemas de audio de tipo High Fidelity (Hi-Fi), la respuesta del sonido se divide en subfrecuencias más pequeñas. Esto mejora la eficiencia general y la calidad de sonido del altavoz. Las unidades de baja frecuencia se llaman woofers y las unidades de alta frecuencia se llaman tweeters. Las unidades para frecuencias de rango medio simplemente se conocen como unidades de rango medio.
Los rangos de frecuencia generalizados y su terminología se mencionan a continuación.
Subwoofer y # 8212; 10 Hz a 100 Hz
Bass & # 8212; 20 Hz a 3 kHz
Mid-range & # 8212; 1 kHz a 10 kHz
Tweeter & # 8212; 3 kHz a 30 kHz
En sistemas Hi-Fi de altavoces múltiples, hay altavoces de woofer, medios y agudos independientes con una red de cruce activa o pasiva para dividir y reproducir con precisión la señal de audio por todos los sub-altavoces.
A continuación se muestra un circuito simple para conducir un altavoz.
El transistor está en configuración de emisor seguidor. La señal PWM de un microcontrolador proporciona una señal de CA a la base del transistor. La configuración del emisor seguidor proporciona la señal de CA al altavoz amplificando la corriente. El diodo actúa como un filtro.
A continuación, se muestra un diseño de varios 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 utilizar para conectar un woofer o un parlante de rango medio o tweeter.
Algunos de los otros tipos de transductores de salida se mencionan a continuación.
Altavoces piezoeléctricos
Generalmente, los tweeters se fabrican usando el principio piezoeléctrico. Los diafragmas están hechos de láminas de plástico piezoeléctricas. Cuando se aplica una tensión entre las caras del diafragma, se contrae y se expande según la señal. Al moldear el diafragma como parte de la superficie de una esfera, la contracción y la expansión se pueden convertir en movimientos que moverán el aire.
Altavoces electrostáticos
Los altavoces electrostáticos consisten en un diafragma conductivo colocado entre dos placas eléctricamente conductoras. Las placas conductoras se cargan positiva y negativamente, respectivamente. Cuando se conecta una señal de audio, el diafragma cambia entre carga positiva y negativa. El diafragma se dibuja hacia la placa de carga opuesta dependiendo de su carga. Esto hace que el aire que está delante vibre.
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