Medir sonido con micrófonos

¿Qué es la presión del sonido?

Las variaciones de presión, ya sea en el aire, el agua u otro medio que el oído humano pueda detectar, se consideran sonidos. El tímpano humano transfiere las oscilaciones de presión, o sonido, en señales eléctricas que nuestro cerebro interpreta como música, habla, ruido, etc. Los micrófonos están diseñados para hacer lo mismo. Usted puede grabar y analizar estas señales para recopilar información sobre la naturaleza de la ruta que tomó el sonido desde la fuente hasta el micrófono. Por ejemplo, en las pruebas de ruido, vibración y severidad, los ingenieros suelen estar interesados en reducir los sonidos indeseables, como el ruido que experimentan los pasajeros en un automóvil mientras conducen. Estos sonidos podrían incluir sonidos que están por encima o por debajo de las frecuencias que el oído humano puede detectar o amplitudes en frecuencias de resonancia específicas. Estas medidas son importantes para los diseñadores que necesitan reducir el ruido para cumplir con los estándares de emisiones o para caracterizar un dispositivo para rendimiento y longevidad.

La presión del sonido es la medida más común porque los seres humanos están expuestos al sonido y pueden detectar la presión del sonido. Medido en pascales (Pa), el nivel de presión del sonido representa cómo un receptor percibe el sonido. Usted también puede determinar la potencia del sonido de una fuente. Medido en watts (W), el nivel de potencia del sonido representa la energía acústica total que se irradia en todas direcciones. Es independiente del entorno, incluyendo la habitación, los receptores o la distancia desde la fuente. La potencia es una propiedad de la fuente, mientras que la presión del sonido depende del entorno, las superficies reflectantes, la distancia del receptor, los sonidos ambientales, etc.

Medir sonido con micrófonos

Usted puede elegir entre diferentes diseños para micrófonos, pero los micrófonos de instrumentación más comunes son los micrófonos de condensador polarizados externamente, los micrófonos de condensador de electreto prepolarizados y los micrófonos piezoeléctricos.

Figura 1. Un micrófono es un transductor que convierte ondas acústicas en señales eléctricas.

Micrófonos de condensador

Un micrófono de condensador funciona en un diseño capacitivo. Incorpora un diafragma de metal que forma una placa de un condensador. Un disco de metal colocado cerca del diafragma actúa como placa posterior. Cuando un campo de sonido excita el diafragma, la capacitancia entre las dos placas varía según la variación de la presión del sonido. Se aplica un voltaje DC estable a las placas a través de una alta resistencia para mantener las cargas eléctricas en la placa. El cambio en la capacitancia genera una salida AC proporcional a la presión del sonido. La carga de este capacitor se genera por un voltaje de polarización externo o por las propiedades del propio material, como en el caso de los micrófonos prepolarizados. Los micrófonos polarizados externamente necesitan 200 V de una fuente de alimentación externa. Los micrófonos prepolarizados funcionan con preamplificadores IEPE que requieren una fuente de corriente constante.

Figura 2. El micrófono de instrumentación más común, un micrófono de condensador, funciona con un diseño capacitivo.

Micrófonos piezoeléctricos

Los micrófonos piezoeléctricos utilizan una estructura de cristal para generar el voltaje de la placa posterior. Muchos micrófonos piezoeléctricos usan el mismo acondicionamiento de señales que los acelerómetros y pueden usar el acondicionamiento de señal IEPE para proporcionar el voltaje de polarización. Aunque estos micrófonos de tipo sensor tienen niveles bajos de sensibilidad, son duraderos y pueden medir rangos de presión de gran amplitud. Por el contrario, el nivel de ruido del equipo en este tipo de micrófono es generalmente alto. Este diseño es adecuado para aplicaciones de medidas de presión de impacto y ráfaga.

Elegir el micrófono adecuado

Al elegir un micrófono óptimo, considere el tipo de campo de respuesta, la respuesta dinámica, la respuesta de frecuencia, el tipo de polarización, la sensibilidad requerida y el rango de temperatura. También hay una variedad de micrófonos de tipo especial para aplicaciones específicas. Para seleccionar y especificar un micrófono, el primer criterio que debe tomarse en cuenta es la aplicación y lo que representan el sonido y el entorno.

Para obtener más detalles sobre los componentes y el diseño de los micrófonos, consulte el Microphone Handbook.

Considere el campo de respuesta del micrófono

Debe elegir el micrófono que mejor se adapte al tipo de campo en el que lo utilizará. Los tres tipos de micrófonos de medida son campo libre, campo de presión e incidencia aleatoria. Estos micrófonos funcionan de manera similar a frecuencias más bajas pero funcionan diferente a frecuencias más altas.

El micrófono más común es un micrófono de campo libre. Mide la presión del sonido de una sola fuente directamente en el diafragma del micrófono. Mide la presión del sonido tal como existía antes de que se introdujera el micrófono en el campo de sonido. Estos micrófonos funcionan mejor en áreas abiertas sin superficies duras o reflectantes. Las cámaras anecoicas o áreas abiertas más grandes son ideales para micrófonos de campo libre.

Figura 3. Micrófono de campo libre

Un micrófono de campo de presión está diseñado para medir la presión del sonido enfrente del diafragma. Tiene la misma magnitud y fase en cualquier posición en el campo. Por lo general, se encuentra en una cubierta o cavidad, que es pequeña en comparación con la longitud de onda. Los ejemplos de aplicaciones de micrófonos de campo de presión incluyen probar la presión ejercida en paredes, en las alas de un avión o en estructuras internas como tubos, carcasas o cavidades.

Figura 4. Micrófono de campo de presión

En muchas situaciones, el sonido no proviene de una sola fuente. Los micrófonos de incidencia aleatoria o campo difuso responden uniformemente a los sonidos que llegan simultáneamente desde todos los ángulos. Utilice este tipo de micrófonos cuando realice medidas de sonido en una iglesia o en un área con paredes macizas y reflectantes. Sin embargo, para la mayoría de los micrófonos, las respuestas de presión e incidencia aleatoria son similares, por lo que los micrófonos de campo de presión generalmente se utilizan para medidas de incidencia aleatoria.

Figura 5. Micrófono de incidencia aleatoria

Seleccione el rango dinámico adecuado

El criterio principal para describir el sonido se basa en la amplitud de las fluctuaciones de presión del sonido. La amplitud más baja que puede detectar un oído humano sano es 20 millonésimas de pascal (20 μPa). Ya que los números de presión representados en pascales son generalmente bajos y no se manejan fácilmente, se desarrolló otra escala de uso más común, la escala de decibelios (dB). Esta escala logarítmica se asemeja más a las reacciones de respuesta del oído humano a las fluctuaciones de presión. Estos son algunos ejemplos de niveles típicos de presión del sonido para usar como referencia:

Los fabricantes especifican el nivel máximo de decibelios de acuerdo al diseño y las características físicas del micrófono. El nivel máximo de dB especificado se refiere al punto donde el diafragma se acerca a la placa posterior, o donde la distorsión armónica total (THD) alcanza una cantidad específica, típicamente 3 por ciento del THD. El nivel máximo de decibelios que genera un micrófono en una determinada aplicación depende del voltaje suministrado y de la sensibilidad de ese micrófono en particular. Antes de que usted pueda calcular la salida máxima para un micrófono usando un preamplificador específico y su voltaje pico correspondiente, primero necesita calcular la presión en pascales que el micrófono puede aceptar. Puede calcular la cantidad de presión utilizando la siguiente fórmula:

Donde P = pascales (Pa) y el voltaje es el voltaje pico de salida del preamplificador.

Después de determinar el nivel de presión máximo que el micrófono puede detectar en su voltaje máximo, puede convertir esta cantidad a decibeles (dB) utilizando la siguiente escala logarítmica:

Donde P = presión en pascales

P_o = pascales de referencia (constante = 0.00002 Pa)

Esta fórmula proporciona el rango máximo que un micrófono es capaz de medir cuando se combina con un preamplificador específico. Para el nivel de ruido de gama baja o la cantidad mínima de presión requerida, debe revisar el rango de ruido térmico de la cápsula (CTN) del micrófono. La especificación CTN proporciona el nivel más bajo de presión del sonido que se puede detectar por encima del ruido eléctrico inherente al micrófono. La Figura 6 muestra la representación típica del nivel de ruido a diferentes frecuencias para un micrófono cuando se usa junto con un preamplificador.

Figura 6. El nivel de ruido inherente es mayor en las capacidades superior e inferior del micrófono. 

Al seleccionar un micrófono, debe confirmar que los niveles de presión que está probando se encuentran entre el CTN del micrófono y el nivel máximo de decibelios del micrófono. En general, cuanto menor es el diámetro del micrófono, mayor es el nivel de decibelios de gama alta. Los micrófonos de mayor diámetro suelen tener un CTN más bajo, por lo que se recomiendan para medidas de decibelios de rango bajo.

Revise las especificaciones para evaluar la respuesta de frecuencia

 

Después de considerar el tipo de respuesta de campo del micrófono y el rango dinámico que necesita, revise la hoja de especificaciones del micrófono para encontrar el rango de frecuencia utilizable (Hz). Los micrófonos de diámetro más pequeño generalmente tienen una capacidad más alta del nivel de frecuencia superior. Por el contrario, los micrófonos de mayor diámetro son más sensibles y más adecuados para detectar frecuencias más bajas.

 

Los fabricantes colocan una tolerancia típica de ± 2 dB en las especificaciones de frecuencia. Al comparar micrófonos, asegúrese de verificar el rango de frecuencia y la tolerancia asociada con ese rango de frecuencia específico. Si una aplicación no es crítica, usted puede mejorar el rango de frecuencia utilizable para ese micrófono si está dispuesto a aumentar su tolerancia de decibelios permitida. Puede consultar con el fabricante o consultar la hoja de calibración de un micrófono en particular para determinar el rango real de frecuencia utilizable para tolerancias de decibeles específicas.

 

 

Decida el tipo de polarización

 

Los micrófonos tradicionales polarizados externamente y los modernos prepolarizados funcionan bien para la mayoría de las aplicaciones, pero tienen algunas diferencias. Se recomiendan micrófonos polarizados externamente para altas temperaturas (120 °C a 150 °C) porque el nivel de sensibilidad es más consistente en este rango. Los micrófonos prepolarizados tienden a ser más consistentes en condiciones de humedad. Los cambios repentinos de temperatura que provocan condensación en los componentes internos pueden provocar un cortocircuito en los micrófonos polarizados externamente.

 

Debido a que los micrófonos polarizados externamente requieren una fuente de alimentación distinta a 200 V, está limitado a un cableado de 7 conductores con conectores LEMO en esta configuración. Los micrófonos prepolarizados más nuevos se han vuelto más populares porque funcionan con un suministro de corriente constante de 2 a 20 mA fácil de usar. Con este diseño, usted puede usar cables coaxiales estándares con conectores BNC o coaxiales 10-32 para el suministro de corriente y la señal al dispositivo de lectura.

 

 

Conozca su rango de temperatura

La sensibilidad del micrófono disminuye a medida que la temperatura se acerca a las especificaciones máximas del micrófono. Debe conocer no solamente la temperatura de operación, sino también la temperatura de almacenamiento del micrófono. Operar y/o almacenar un micrófono en condiciones extremas puede afectarlo negativamente y aumentar sus necesidades de calibración. En muchos casos, el preamplificador requerido puede ser el factor limitante para el rango de temperatura de operación. Aunque la mayoría de los micrófonos pueden operar a 120 °C sin pérdida de sensibilidad, los preamplificadores requeridos para estos micrófonos generalmente operan en el rango de 60° C a 80 °C.

Utilice un micrófono especial para aplicaciones en particular

Cuando la temperatura se convierte en un problema, un micrófono de sonda ofrece una solución alternativa. El micrófono de sonda fue diseñado para medidas de presión del sonido en entornos severos. Combina un micrófono con un tubo de extensión de sonda. Esto permite al usuario acercarse mucho más a las fuentes de sonido. La punta de la sonda enviará la señal acústica al micrófono dentro de la carcasa de la sonda. Al colocar algunos de los componentes críticos en la carcasa, este tipo de micrófono se puede usar en aplicaciones de temperatura extremadamente alta, o donde el acceso a la fuente de sonido es demasiado pequeño para un micrófono de condensador típico.

Las aplicaciones que requieren un micrófono para ser completamente sumergibles presentan sus propios desafíos. Los hidrófonos fueron diseñados para detectar señales de presión de sonido bajo el agua. Las pruebas, el monitoreo y las medidas subacuáticas industriales y científicas se realizan con este diseño resistente a la corrosión. Hay diferentes modelos disponibles para diferentes sensibilidades, frecuencias, niveles de decibeles y profundidades de operación.

Los medidores del nivel de sonido son diseñados por los fabricantes para proporcionar una manera rápida y conveniente de obtener una lectura del nivel de presión del sonido. Este diseño contiene todos los componentes necesarios para tomar una lectura de presión del sonido. Esta pequeña unidad portátil incluye micrófono, preamplificador, fuente de alimentación, software y pantalla. Esta es una excelente opción para realizar una medida de dB en un entorno industrial, para evaluación del ruido de la comunidad, medidas de exposición al ruido, medidas de fuego de artillería y muchas otras aplicaciones. El medidor del nivel de sonido se puede proporcionar con varias opciones, incluyendo Evaluación A, analizadores en tiempo real y opciones de software.

Cuando es necesario capturar medidas que involucran la magnitud y la dirección del sonido, una sonda de intensidad es una excelente opción. Al tomar micrófonos de dos fases y colocar un espaciador entre ellos, el usuario no solo puede saber el nivel de presión, sino también la velocidad y la dirección de las ondas sonoras que se propagan. Hay disponibles espaciadores de diferentes tamaños para medir la velocidad de las partículas a diferentes frecuencias. Las frecuencias más altas normalmente requieren un espaciador más pequeño. Los espaciadores más grandes son ideales para frecuencias más bajas y para situaciones en las que hay reverberación.

Para aplicaciones de Holografía Acústica de Campo Cercano (NAH) donde se van a estudiar valores de campo tridimensionales, se recomienda una configuración de micrófono de matriz. Al tomar varios micrófonos de matriz y espaciarlos en un patrón predeterminado, y combinarlos con el software apropiado, se proyecta la transformación espacial de un campo complejo de presión del sonido para asignar el flujo de energía acústica de manera efectiva. Los micrófonos de matriz son una excelente opción para pruebas acústicas de gran cantidad de canales. Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) son una opción recomendada para arreglos, ya que permiten al usuario identificar de manera rápida y fácil un micrófono en particular. Estos chips TEDS y software permiten al usuario almacenar información sobre el modelo de los micrófonos, el número de serie, la fecha de calibración, junto con las especificaciones de sensibilidad, capacitancia, impedancia, etc. de los micrófonos que se pueden descargar y ayudan a garantizar resultados precisos en las pruebas.

Los micrófonos para exteriores se han desarrollado para poder soportar la rigurosa exposición ambiental a la que estarán sujetos estos micrófonos. El ruido del aeropuerto, o el ruido del tráfico en las carreteras, se ha convertido en un lugar cada vez más popular para realizar pruebas y medidas con el fin de brindar seguridad a los seres humanos. Los micrófonos ambientales y los micrófonos para exteriores brindan diferentes niveles de protección para los componentes internos y mantienen sus especificaciones de alta precisión.

Acondicionamiento de señales para micrófonos

Al preparar un micrófono para que un dispositivo DAQ lo mida correctamente, debe tener en cuenta lo siguiente para asegurarse de cumplir con todos sus requisitos de acondicionamiento de señales:

• Amplificación para aumentar la resolución de la medida y mejorar la relación señal-ruido
• Excitación de corriente para alimentar los preamplificadores en sensores IEPE
• Acoplamiento AC para eliminar el desplazamiento DC para aumentar la resolución y aprovechar el rango completo del dispositivo de entrada
• Filtrado para eliminar el ruido externo de alta frecuencia
• Conexión a tierra adecuada para eliminar el ruido del flujo de corriente entre diferentes potenciales a tierra
• Rango dinámico para medir el rango de amplitud completo del micrófono

Para familiarizarse mejor con el hardware de medidas y el procesamiento de software necesarios para las medidas del micrófono, descargue Engineer's Guide to Accurate Sensor Measurements.

Conectar micrófonos al hardware de NI

Una vez que sepa cuáles son sus necesidades de pruebas y sensores, el siguiente paso importante es decidir el hardware para recopilar esos datos. La calidad del hardware de adquisición determina la calidad de los datos que usted recopila. 

NI ofrece una variedad de hardware de sonido y vibración que está diseñado para adquirir datos de sonido y es compatible con una variedad de sensores IEPE.  

Para ayudar a verificar la compatibilidad entre un dispositivo de sonido y vibración de NI y un sensor IEPE, micrófono, etc., use la guía Excitation & Compliance Voltage for IEPE Sensors. Si se usa un preamplificador, el hardware de sonido y vibración de NI aún funciona, pero las características de la señal pueden cambiar. Verifique que la salida del preamplificador está dentro del rango de entrada del hardware de sonido y vibración. De igual manera, para los sensores que no son IEPE, asegúrese de que la salida del sensor sea compatible con las capacidades de entrada del dispositivo.