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A física do ruído e vibração - Microfones de medição explicados

Os microfones estão presentes em quase todos os nossos dispositivos eletrônicos - desde telefones celulares, PCs e alto-falantes portáteis, até TV, tablets e relógios inteligentes. Neste artigo, mostramos a física dos microfones projetados especificamente para serem usados em sistemas que quantificam o som: microfones de medição.

Por: Dr. Rémi Guastavino
Especialista em Domínio, Acústica
Brüel & Kjær

A Brüel & Kjær desenvolve e produz microfones de medição de ponta desde 1945. Trabalhamos ininterruptamente em pesquisa e desenvolvimento e em metodologia de calibração para garantir melhorias contínuas na precisão e no desempenho do microfone. Hoje, essa abordagem contribui para um amplo portfólio de microfones de medição, cobrindo todos os tipos de aplicações, desde sistemas de detecção sísmica acústica até medição de airbags e aplicações ultra-sônicas.

Física
Os microfones de medição são baseados em um princípio físico muito simples: capacitância. A capacidade de um microfone é inversamente proporcional à distância entre a placa traseira (uma placa rígida) e o diafragma (uma fina folha de metal altamente tensionada). Quando exposto à pressão sonora, o diafragma se deforma e se aproxima ou se afasta da placa traseira, alterando a capacidade do sistema.

Essas variações de capacitância são convertidas em variação de tensão. A maioria dos microfones de medição é baseada neste princípio.

Tamanho
Os microfones de medição são fornecidos com diâmetros de 1-, ½-, ¼- e 1/8 de polegada. Quanto maior o diafragma, menos rígido ele é e melhor para detectar variações menores da pressão sonora. Por outro lado, o tamanho do diafragma limita a detecção de frequências com comprimentos de onda que estão na mesma faixa ou maior que o diafragma. Os diafragmas grandes produzem menos ruído, enquanto os diafragmas pequenos permitem alta frequência. Microfones de tamanho pequeno permitem melhores características omnidirecionais em altas frequências. 


O deslocamento do diafragma para um microfone típico de ½ polegada é apenas da ordem de magnitude de 5 nanômetros para uma excitação de um pascal. Para comparação, um diafragma com um diâmetro do tamanho do planeta Terra mal se moveria 5 metros

O comprimento de onda de uma onda sonora de 20 kHz (o limite superior do alcance do áudio) é de 1,7 cm. Essa é aproximadamente a largura do dedo indicador


Você sabia?
O uso de um microfone de campo livre em um ambiente de campo de pressão gera um erro próximo a 9 dB em torno de 20 kHz.

 


Sensibilidade
A sensibilidade é a voltagem produzida pelos microfones sob uma pressão sonora definida. É definido em V/Pa e depende da frequência.

Uma pressão sonora de um pascal corresponde a um nível de 94 dB SPL. É por isso que a maioria dos calibradores de microfone (por exemplo, o Calibrador de Ruído Tipo 4231 da Brüel & Kjær) produz SPL de 94 dB ou 1 Pa. 

Resposta de Frequência
Como a sensibilidade depende da frequência, a resposta de frequência é definida como uma expressão da sensibilidade em toda a faixa de frequência. Isso geralmente é expresso em decibéis em relação à sensibilidade de 250 Hz. 

Faixa Dinâmica
A faixa dinâmica dos microfones de medição (por exemplo, 16 dBA - 143 dB) é a faixa na qual o microfone atua como um transdutor linear perfeito.

O primeiro número é o ruído inerente. Tanto os microfones de condensador quanto os pré-amplificadores têm um ruído inerente causado, entre outras coisas, por limitações nos movimentos eletrônicos e Brownianos. Este número indica o nível de pressão sonora que criaria a mesma voltagem que o ruído gerado pelo próprio microfone. O ruído é medido historicamente na banda de terceira oitava, ponderada A na faixa de audição humana (entre a faixa de 22,4 Hz e 22,4 kHz), se nada mais for especificado. 

O segundo número é o nível mais alto de pressão sonora mensurável com menos de 3% de distorção harmônica total.. 

O alcance dinâmico de um microfone geralmente é limitado pelo pré-amplificador. Por exemplo, um pré-amplificador CCLD (unidade de linha de corrente constante) é projetado para fornecer um pico máximo de 7 V para frequências inferiores a 20 kHz. Isso fornece um máximo de 134 dB SPL para uma sensibilidade de microfone de 50 mV/Pa. É possível, neste caso, estender o limite superior da faixa dinâmica para 146 dB usando um pré-amplificador clássico.

O alcance dinâmico de um microfone

 


Você sabia?
Os microfone padrão de laboratório tipos 4180 e 4160 são tão extremamente estáveis que todas as medições acústicas absolutas em todo o mundo são relativas à sua sensibilidade de referência. Não há fontes diretas de pressão sonora que possam produzir o pascal com incerteza suficientemente baixa em uma ampla faixa de frequência. 

O microfone de campo livre de ½ polegada de Brüel & Kjær, tipo 4191, tem um alcance dinâmico de 20 dBA a 162 dB (ou seja, 142 dB). Se convertermos essa proporção em distância, a medição se estenderá de um fio de cabelo a mais de três torres Eiffel empilhadas umas sobre as outras

Campo sonoro explicado
Os microfones de medição, por seu tamanho e forma, influenciam a pressão do som. Essa influência, que depende do tipo de campo sonoro, é considerada no design de cada microfone e as respostas do microfone são otimizadas para compensar a influência. Isso nos permite sempre dar uma resposta plana para o campo sonoro escolhido. Os microfones de medição são divididos em três tipos principais, cada um otimizado para um dos três tipos principais de campo sonoro, e é importante escolher o microfone mais adequado para o campo sonoro.

Campo livre
Um campo livre é um campo sonoro em que as ondas sonoras podem se propagar livremente sem objetos perturbadores. Isso significa um espaço sem reflexos. Os campos sonoros com grande semelhança com o campo livre podem ser obtidos em uma câmara anecóica ou emulados usando um algoritmo de resposta seletiva no tempo (TSR).

Normalmente, os microfones de campo livre são usados para medir, por exemplo, alto-falantes ou som externo. 


Campo difuso
Um campo difuso é criado por ondas sonoras que chegam simultaneamente de todas as direções com igual probabilidade e nível. Campos sonoros com grande semelhança com o campo difuso podem ser alcançados em ambientes como edifícios com paredes duras, onde existem muitas fontes simultâneas de som ou ruído; medições na cabine e igrejas. Se você não tiver certeza do campo sonoro em que está, é melhor supor que seja difuso para minimizar o erro de medição.

Os microfones de campo difuso são normalmente usados para medir o ruído no interior do veículo ou a acústica do edifício.


Campo de pressão
Um campo de pressão é uma pressão sonora que possui a mesma magnitude e fase em qualquer posição dentro do campo. Campos sonoros com grande semelhança com o campo de pressão podem ser alcançados em cavidades pequenas (pequenas em comparação com o comprimento de onda), como orelhas artificiais. 

Os microfones de campo de pressão são normalmente usados em acopladores, túneis de vento ou em qualquer medição embutida.

 


Protegendo a estabilidade
Os microfones de medição Brüel & Kjær foram projetados para serem extremamente estáveis, especialmente ao longo do tempo, temperatura, umidade e pressão ambiente. Para alcançar a estabilidade máxima, usamos material cuidadosamente selecionado e de alta qualidade; aplicamos tratamento térmico controlado para envelhecer artificialmente e liberamos qualquer tensão no cartucho e testamos continuamente cada microfone em cada etapa do processo de produção.

Os microfones são expostos a vários processos de limpeza durante a fabricação em uma sala limpa da classe 10. Em uma sala limpa da classe 10, há menos de 10 partículas maiores que 0,5 µm e menos de 2 partículas entre 1 e 5 µm por pé cúbico. 

Como comparação, o ar ambiente comum é de aproximadamente "classe 1 milhão". Considerando que a distância entre a placa traseira e o diafragma é geralmente em torno de 20 µm, qualquer partícula maior que a presente na cavidade causaria problemas de estabilidade - especialmente quando ocorrem condensação ou mudanças de temperatura. 

Se a membrana for perfurada, ocorrerá contaminação e partículas e resíduos entrarão no cartucho. Atingir o mesmo nível de limpeza durante um reparo pode não garantir um microfone com a resposta ideal. É por isso que a Brüel & Kjær não oferece reparo de microfone.


Você sabia?
Monitoramos cuidadosamente a sensibilidade dos microfones padrão de laboratório Tipo 4160 e 4180 desde 1984. A sensibilidade permanece na faixa de ±0,02 dB (isso significa menos de 0,2% de alterações). Esses microfones são usados em todo o mundo em sistemas de calibração.


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