Tipos de microfone
Los micrófonos son clasificados según su tipo de transductor, ya sea de condensador o dinámico, y por sus características direccionales. A veces, otras características tales como el tamaño de diafragma, el uso previsto o la orientación de la entrada de sonido principal se utilizan para clasificar el micrófono.
microfone condensador
O "microfone condensador" foi inventado nos Laboratórios Bell em 1916 por Edward Christopher Wente). do transdutor: microfones polarizados DC e microfones condensadores de radiofrequência (RF) ou ondas curtas.
Em um microfone com polarização DC, as placas são polarizadas com uma carga fixa (Q). A tensão entre as placas do capacitor muda com as vibrações do ar (de acordo com a equação de capacitância, onde Q = carga em coulombs, C = capacitância em farads e V = diferença de potencial em volts). A capacitância das placas é inversamente proporcional à distância entre elas para um capacitor de placas paralelas. A montagem de placas fixas e móveis é chamada de “elemento” ou “cápsula”.
Uma carga quase constante é mantida no capacitor. Com mudanças na capacitância, a carga através do capacitor muda ligeiramente, mas em frequências audíveis ela é sensivelmente constante. A capacitância da cápsula (cerca de 5 a 100 pF) e o valor da resistência de polarização (100 mO a dezenas de GΩ) formam um filtro que é passa-alto para o sinal de áudio e passa-baixo para a tensão de polarização. Observe que a constante de tempo de um circuito RC é igual ao produto da resistência pela capacitância.
Dentro do intervalo de tempo da variação da capacitância (até 50 ms a 20 Hz de um sinal de áudio), a carga é virtualmente constante e a tensão através do capacitor muda instantaneamente para refletir a mudança na capacitância. A tensão no capacitor varia acima e abaixo da tensão de polarização. A diferença de tensão entre a polarização e o capacitor é detectada através do resistor em série. A tensão no resistor é amplificada para melhorar o desempenho ou para gravação. Na maioria dos casos, a própria eletrônica do microfone contribui para o ganho de tensão, de modo que o diferencial de tensão é bastante significativo, até vários volts para níveis sonoros elevados. Por se tratar de um circuito de impedância muito alta, o ganho de corrente só é necessário para modificar a tensão de referência constante.
Eles usam uma tensão de RF comparativamente baixa, gerada por um oscilador de baixo ruído. O sinal do oscilador pode ser modulado em amplitude por mudanças na capacitância produzida pelas ondas sonoras movendo o diafragma ou cápsula, ou a cápsula pode ser parte de um circuito ressonante que modula a frequência do sinal do oscilador. A demodulação produz um sinal de frequência de áudio de baixo ruído, com uma impedância de fonte muito baixa. A ausência de uma alta tensão de polarização permite o uso de um diafragma com a tensão mais baixa, que pode ser usado para obter a resposta de frequência mais ampla devido à maior sensibilidade. O processo de polarização de RF resulta em uma cápsula de impedância elétrica mais baixa, permitindo que microfones condensadores de RF operem em condições climáticas úmidas, o que poderia criar problemas em microfones que usam uma corrente de referência CC com superfícies isolantes contaminadas. A série de microfones Sennheiser “MKH” usa a técnica RF push.
Os microfones condensadores abrangem toda a gama de transmissores de telefonia, bem como outros usos, desde microfones baratos de karaokê até microfones de gravação de alta fidelidade. Eles normalmente produzem um sinal de áudio de alta qualidade e agora são a escolha comum em laboratórios e estúdios de gravação. A adequação inerente desta tecnologia se deve à massa muito pequena que deve ser movida pela onda sonora incidente, ao contrário de outros tipos de microfones que exigem que a onda sonora realize mais trabalho mecânico. Eles requerem uma fonte de alimentação, seja através das entradas de microfone do computador como alimentação auxiliar ou de uma pequena bateria. Esta corrente é necessária para estabelecer a tensão da placa do capacitor de potência e também para alimentar a eletrônica do microfone (conversão de impedância no caso de microfones de eletreto e polarizados DC, demodulação ou detecção no caso de microfones RF/HF). Os microfones condensadores também estão disponíveis com dois diafragmas que podem ser conectados eletricamente para fornecer uma variedade de padrões polares (veja abaixo), como cardióide, omnidirecional e em forma de oito. Também é possível variar o padrão continuamente com alguns microfones (por exemplo, o Røde NT2000 ou o CAD M179).
Um microfone valvulado é um microfone condensador que usa um amplificador valvulado (válvula). Eles continuam populares entre os entusiastas de som processado por válvula.
Um microfone de eletreto é um tipo de microfone condensador inventado por Gerhard Sessler e Jim West nos Laboratórios Bell em 1962. A aplicação de uma carga externa descrita acima em microfones condensadores é substituída por uma carga permanente em um material eletreto, um material ferroelétrico que foi permanentemente carregado eletricamente ou polarizado. O nome vem de eletrostático e ímã; Uma carga estática é mantida ligada a um eletreto pelo alinhamento das cargas estáticas do material, da mesma forma que um ímã se torna permanente pelo alinhamento dos domínios magnéticos de um pedaço de ferro.
Devido ao seu bom desempenho e facilidade de fabricação, portanto de baixo custo, a grande maioria dos microfones fabricados hoje são microfones de eletreto; Um fabricante de semicondutores estima a produção anual em mais de um bilhão de unidades. Quase todos os telefones celulares, computadores, PDAs e fones de ouvido são do tipo eletreto. Eles são usados em muitas aplicações, desde gravação de lapela de alta qualidade até microfones embutidos em pequenos dispositivos de gravação de som e telefones. Embora os microfones de eletreto tenham sido inicialmente considerados de baixa qualidade, os melhores modelos desses microfones agora podem competir com os modelos condensadores tradicionais em todos os aspectos e podem até oferecer maior estabilidade a longo prazo e a resposta ultraplana necessária para um microfone de medição. Embora não exijam tensão de polarização, como outros microfones condensadores, eles geralmente contêm um pré-amplificador integrado que requer energia (muitas vezes chamado incorretamente de potência ou polarização de polarização). Este pré-amplificador é frequentemente alimentado por fantasma para reforço de som e aplicações de estúdio. Alguns microfones mono projetados para computadores pessoais (PCs), às vezes chamados de microfones multimídia, usam um conector de 3,5 mm, como normalmente é usado, sem tomada de alimentação, para equipamento estéreo; O conector, em vez de transportar o sinal para um segundo canal, transporta energia elétrica através de um resistor de (geralmente) uma fonte de 5 V para o computador. Os microfones estéreo usam o mesmo conector; Não existe uma maneira óbvia de determinar qual sistema é usado por computadores e microfones.
Somente os melhores microfones de eletreto podem rivalizar com outros tipos de microfones de qualidade em termos de nível de ruído e qualidade. Pelo contrário, prestam-se à produção em massa de baixo custo e com desempenho aceitável, o que levou à sua utilização massiva em todos os tipos de dispositivos.
microfone dinâmico
Microfones dinâmicos (também conhecidos como microfones magnetodinâmicos) funcionam por meio de indução eletromagnética. São robustos, relativamente baratos e resistentes à umidade. Isto, juntamente com seu alto ganho antes do potencial de feedback, os torna ideais para uso no palco.
Os microfones de bobina móvel usam o mesmo princípio dinâmico usado em um alto-falante, mas invertido. Uma pequena bobina de indução móvel, localizada no campo magnético de um ímã permanente, é fixada à membrana. Quando o som entra pela grade do microfone, a onda sonora movimenta o diafragma, deslocando a bobina que se move no campo magnético, que por sua vez produz uma variação de corrente na bobina por meio de indução eletromagnética. Uma única membrana dinâmica não responde linearmente a todas as frequências de áudio. Por esse motivo, alguns microfones usam múltiplas membranas para diferentes partes do espectro de áudio e depois combinam os sinais resultantes. Combinar corretamente vários sinais é difícil, e projetos capazes de fazer isso são raros e tendem a ser caros. Por outro lado, existem vários designs que visam mais especificamente partes isoladas do espectro de áudio. O AKG D 112, por exemplo, foi projetado para responder a sons graves em vez de agudos. Na engenharia de áudio, vários tipos de microfones são frequentemente usados ao mesmo tempo para obter o melhor resultado.
microfone de fita
Os microfones de fita usam uma fita metálica fina (geralmente corrugada), suspensa em um campo magnético. A fita é conectada eletricamente à saída do microfone e sua vibração dentro do campo magnético gera o sinal elétrico. Os microfones de fita são semelhantes aos microfones de bobina (ambos produzem som por indução magnética). Eles detectam o som em um padrão bidirecional (também chamado de figura oito, como no diagrama abaixo) porque a fita está aberta em ambos os lados e como tem pouca massa, responde à velocidade do ar e não à pressão sonora. Embora o captador frontal e traseiro simétrico possa ser um incômodo na gravação estéreo normal, a rejeição do lado agudo pode ser usada com vantagem colocando um microfone de fita horizontal, por exemplo, acima dos pratos de uma bateria, de modo que o lóbulo traseiro capte apenas o som dos pratos. Figuras 8 cruzadas, ou pares Blumlein, estão ganhando popularidade na gravação estereofônica, e o arranjo de resposta de um microfone de fita em forma de oito é ideal para essa aplicação.
Outros padrões direcionais podem ser produzidos confinando um lado da fita em uma armadilha acústica ou defletor, permitindo que o som chegue de apenas um lado. O microfone clássico RCA Tipo 77-DX possui várias posições ajustáveis externamente do defletor interno, permitindo a seleção de vários padrões de resposta que variam de "figura oito" a "unidirecional". Esses microfones de fita mais antigos, alguns dos quais ainda oferecem reprodução de som de alta qualidade, já foram muito valorizados por esse motivo, mas só conseguiam obter uma boa resposta de baixa frequência quando a fita estava devidamente suspensa, tornando-os relativamente frágeis. Os materiais utilizados na fita foram modernizados, incluindo novos nanomateriais, o que tornou estes microfones mais confiáveis e até melhorou a sua faixa dinâmica efetiva em baixas frequências. As telas protetoras contra o vento podem reduzir o perigo de danificar uma fita antiga e também reduzir as explosões sonoras durante a gravação. Pára-brisas adequadamente projetados produzem uma redução de agudos insignificante. Como outros tipos de microfones dinâmicos, os microfones de fita não requerem alimentação auxiliar; Na verdade, esta tensão pode danificar alguns microfones de fita mais antigos. Alguns novos designs modernos de microfones de fita incorporam um pré-amplificador e, portanto, requerem alimentação auxiliar. Os circuitos dos modernos microfones de fita passivos, ou seja, aqueles sem o referido pré-amplificador, são projetados especificamente para resistir a danos à fita e ao transformador de potência auxiliar. Existem também novos materiais de fita disponíveis que são imunes ao vento, à explosão e à energia auxiliar.
Microfone de carbono
Um microfone de carbono, também conhecido como microfone de botão, usa uma cápsula ou botão contendo grânulos de carbono pressionados entre duas placas de metal, como os microfones Berliner e Edison. Ao aplicar uma voltagem nas placas de metal, você faz com que uma pequena corrente elétrica flua para o carbono. Uma das placas, o diafragma, vibra em sintonia com as ondas sonoras incidentes, aplicando pressão variável aos grânulos de carbono. A mudança na pressão deforma os grânulos, fazendo com que a área de contato entre cada par de grânulos adjacentes mude, e isso faz com que a resistência elétrica da massa de grânulos mude. Mudanças na resistência produzem uma mudança correspondente no fluxo de corrente através do microfone, produzindo o sinal elétrico. Houve um tempo em que microfones de carbono eram comumente usados em telefonia; Eles têm uma qualidade de reprodução de som extremamente baixa e uma faixa de resposta de frequência muito limitada, mas são dispositivos muito robustos. O microfone de Boudet, que usa bolas de carbono relativamente grandes, era semelhante aos microfones granulares de botão de carbono.
Ao contrário de outros tipos de microfones, o microfone de carbono também pode ser utilizado como uma espécie de amplificador, utilizando uma pequena quantidade de energia elétrica. Originalmente, os microfones de carbono eram usados como repetidores telefônicos, possibilitando chamadas de longa distância na era anterior aos tubos de vácuo. Esses repetidores funcionam mecanicamente, acoplando um receptor telefônico magnético ao microfone de carbono: o sinal fraco do receptor foi transferido para o microfone, onde foi modulado em uma corrente elétrica forte, por sua vez produzindo um sinal elétrico forte para ser enviado pela linha. Uma consequência desse efeito amplificador foi a oscilação de feedback, resultando em um ruído audível nos primeiros telefones de parede quando o receptor era colocado próximo ao microfone de carbono.
Microfone piezoelétrico
Um microfone de cristal ou microfone piezoelétrico[24] utiliza o fenômeno da piezoeletricidade – a capacidade de alguns materiais de produzir uma voltagem quando submetidos à pressão, de converter vibrações em um sinal elétrico. Um exemplo disso é o tartarato de sódio e potássio, que é um cristal piezoelétrico que funciona como transdutor (na forma de um componente extraplano), seja como microfone ou como alto-falante. Microfones de cristal eram comumente fornecidos com equipamentos de tubo de vácuo (válvula), como gravadores domésticos. Sua alta impedância de saída também corresponde à alta impedância (normalmente cerca de 10 megaohms) do estágio de entrada das válvulas a vácuo. Eles eram difíceis de igualar nos primeiros dias dos equipamentos transistorizados, mas foram rapidamente substituídos por microfones dinâmicos por um tempo e, mais tarde, por pequenos dispositivos condensadores de eletreto. A alta impedância dos microfones de cristal os tornou muito suscetíveis a ruídos parasitas, tanto do próprio microfone quanto do cabo de conexão.
Os transdutores piezoelétricos são frequentemente usados como microfones de contato para amplificar o som de instrumentos musicais acústicos, para detectar batidas de bateria, para acionar amostras eletrônicas e para gravar som em ambientes difíceis, como debaixo d'água de alta pressão. Os captadores montados em violões são geralmente dispositivos piezoelétricos em contato com as cordas. Esse tipo de microfone é diferente dos captadores de bobina magnética comumente vistos em guitarras elétricas típicas, que usam indução magnética, em vez de acoplamento mecânico, para captar vibrações.
Microfone de fibra óptica
Um microfone de fibra óptica converte ondas acústicas em sinais elétricos, detectando alterações na intensidade da luz, em vez de detectar alterações na capacitância ou nos campos magnéticos, como acontece com os microfones convencionais.[25][26].
Durante a operação, a luz de uma fonte de laser viaja através de uma fibra óptica para iluminar a superfície de um diafragma reflexivo. As vibrações sonoras do diafragma modulam a intensidade da luz refletida pelo diafragma em uma direção específica. A luz modulada é então transmitida através de uma segunda fibra óptica para um fotodetector, que transforma a luz modulada em intensidade em áudio analógico ou digital para transmissão ou gravação. Os microfones de fibra óptica possuem alta dinâmica e faixa de frequência, semelhante à dos melhores microfones convencionais de alta fidelidade.
Além disso, eles não são influenciados por campos elétricos, magnéticos, eletrostáticos ou radioativos (isso é chamado de imunidade EMI/RFI). O design do microfone de fibra óptica é, portanto, ideal para uso em áreas onde os microfones convencionais são ineficazes ou perigosos, como dentro de turbinas industriais ou no ambiente de equipamentos de ressonância magnética (MRI).
Eles são robustos, resistentes a mudanças ambientais de temperatura e umidade e podem ser produzidos para qualquer direcionalidade ou correspondência de impedância. A distância entre a fonte de luz do microfone e seu fotodetector pode chegar a vários quilômetros sem a necessidade de um pré-amplificador ou qualquer outro dispositivo elétrico, tornando os microfones de fibra óptica adequados para monitoramento e vigilância acústica industrial.
Eles são usados em áreas de aplicação muito específicas, como detecção de infra-sons e cancelamento de ruído. Eles provaram ser especialmente úteis em aplicações médicas, permitindo que radiologistas, funcionários e pacientes localizados em campos magnéticos fortes e ambientes ruidosos em salas de ressonância magnética, bem como em salas de controle remoto, se comuniquem normalmente.[27] Outros usos incluem monitoramento e detecção de equipamentos industriais, calibração e medição de áudio, gravação de alta fidelidade e conformidade com níveis de som limitados por lei.[28]
microfone a laser
Microfones a laser costumam aparecer em filmes como dispositivos espiões, pois podem ser usados para captar som à distância do equipamento de microfone. Um feixe de laser é direcionado à superfície de uma janela ou outra superfície plana afetada pelo som. As vibrações dessa superfície alteram o ângulo de reflexão do feixe, permitindo detectar o movimento do ponto do feixe de laser, que após retornar ao equipamento é convertido em sinal de áudio.
Numa aplicação mais robusta e cara, a luz retornada é dividida e alimentada em um interferômetro, que detecta o movimento da superfície por meio de alterações no comprimento do caminho óptico do feixe refletido. Este é um desenvolvimento experimental; pois requer um laser extremamente estável e uma óptica muito precisa.
Um novo tipo de microfone a laser é um dispositivo que usa um feixe de laser e fumaça ou vapor para detectar vibrações sonoras em ambientes externos. Em 25 de agosto de 2009, a patente US 7.580.533 foi emitida para um microfone de detecção de partículas de fluxo baseado em acoplamento de laser e fotocélula, com um fluxo móvel de fumaça ou vapor no caminho do feixe de laser. As ondas de pressão sonora causam perturbações na fumaça, que por sua vez causam variações na quantidade de luz laser que atinge o fotodetector. Um protótipo do dispositivo foi demonstrado na 127ª convenção da Audio Engineering Society em Nova York, de 9 a 12 de outubro de 2009.
microfone líquido
Os primeiros microfones não permitiam que a fala fosse reproduzida de forma inteligível, até que Alexander Graham Bell fez melhorias, incluindo uma resistência variável entre o microfone e o transmissor. O transmissor de líquido de Bell consistia em um recipiente de metal cheio de água com uma pequena quantidade de ácido sulfúrico adicionada. Uma onda sonora fez com que o diafragma se movesse, forçando uma agulha a subir e descer na água. A resistência elétrica entre o fio e o recipiente foi então inversamente proporcional ao tamanho do menisco de água ao redor da agulha submersa. Elisha Gray apresentou o anúncio de uma versão com haste de latão em vez de agulha. Outras variantes e pequenas melhorias no microfone líquido (desenvolvido por Majoranna, Chambers, Vanni, Sykes e Elisha Gray) foram apresentadas, e Reginald Fessenden patenteou sua própria versão em 1903. Esses foram os primeiros microfones, mas não eram práticos para aplicação comercial. A famosa primeira conversa telefônica entre Bell e Watson foi realizada com um microfone líquido.
Microfone Microeletromecânico (MEMS)
Microfones do tipo MEMS ("Sistemas microeletromecânicos" em inglês), também são chamados de chips de microfone ou microfones de silício. Um diafragma sensível à pressão é gravado diretamente em um wafer de silício usando técnicas de processamento MEMS e normalmente é acompanhado por um pré-amplificador integrado. A maioria dos microfones MEMS são variantes do design do microfone condensador. Os MEMS digitais foram integrados em circuitos analógico-digitais (ADC) integrados no mesmo chip CMOS, tornando o chip um microfone digital completo, mais facilmente incorporado em produtos digitais modernos. Os principais fabricantes que produzem microfones MEMS de silício são Wolfson Microelectronics (WM7xxx) agora Cirrus Logic,[29] Analog Devices,[30] Akustica (AKU200x), Infineon (produto SMM310), Knowles Electronics, MemsTech (MSMx), NXP Semiconductors (divisão adquirida por Knowles[31]), Sonion MEMS, Vesper, Acoustic Technologies AAC[32] e Omron.[33].
Mais recentemente, tem havido um aumento de interesse e pesquisa na fabricação de MEMS piezoelétricos, que representam uma mudança arquitetônica e material significativa em relação aos projetos existentes de MEMS baseados na tecnologia de capacitores.[34][35].
Alto-falantes como microfones
Um alto-falante é um transdutor que converte um sinal elétrico em ondas sonoras. Funcionalmente, é o oposto de um microfone; como os alto-falantes convencionais são construídos como um microfone dinâmico (com diafragma, bobina e ímã), os alto-falantes podem realmente funcionar "ao contrário" como microfones. O resultado, entretanto, é um microfone de baixa qualidade, resposta de frequência limitada (especialmente nos agudos) e baixa sensibilidade. Na prática, os alto-falantes às vezes são usados como microfones em aplicações onde alta qualidade e sensibilidade não são necessárias, como intercomunicadores, walkie-talkies ou periféricos de chat de voz para videogames, ou onde os microfones convencionais são escassos.
No entanto, há pelo menos uma outra aplicação prática deste princípio: o uso de um alto-falante de tamanho médio colocado bem na frente do pedal do bumbo de uma bateria para atuar como um microfone. O uso de alto-falantes relativamente grandes para transduzir fontes sonoras de baixa frequência, especialmente na produção musical, está se tornando bastante comum. Um exemplo de produto desse tipo de aparelho é o Yamaha SUBKICK, um subwoofer de 6,5 polegadas (170 mm) montado na frente de instrumentos de percussão. Tendo uma membrana relativamente pesada, não é capaz de transduzir altas frequências, portanto, colocar um alto-falante na frente de um bumbo costuma ser ideal para capturar o som do bumbo. Menos comumente, os próprios microfones podem ser usados como alto-falantes, quase sempre para reproduzir sons agudos. Os microfones, entretanto, não são projetados para lidar com as potências exigidas normalmente usadas para acionar alto-falantes. Um exemplo de tal aplicação foi o “super tweeter” STC 4001, derivado de um microfone. Este dispositivo foi usado com sucesso em vários sistemas de alto-falantes de alta qualidade da década de 1960 a meados da década de 1970.