SEM Acústica. Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Engenharia Mecânica

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Carlos Eduardo Fraga Wagner
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1 Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Engenharia Mecânica SEM Acústica Fonte principal: Microphone Handbook, B&K 1

2 Objetivos: Dinâmica de Sensores Acústicos - microfones - tipos, resposta em frequencia, dynamic range, - calibração - sondas de intensidade acústica - pp e pv - medição de potência sonora 2

3 Modelos de microfones: Existem diversos tipos de microfones, dentre as características principais estão: - diâmetro do diafragma - princípio de transdução - pré-amplificação - campo acústico - etc. 3

4 Escolha de microfones: Princípio Microfones medem a pressão que atua sobre o diafragma Em geral expressamos o nível de pressão sonora em db. com Por que medimos pressão? 4

5 Escolha de microfones: Campo acústico Existem microfones específicos para cada campo tipo acústico - campo de pressão: onde a magnitude e fase são as mesmas em todo o espaço (pequenas cavidades menores que l). Usualmente cavidades de teste/calibração - campo livre: campo onde as ondas se propagam livremente, sem obstáculos ou reflexões. - campo difuso: ou incidência aleatória é o campo onde ondas de diversas direções, com amplitude similar estão presentes em todo o campo. 5

6 Escolha de microfones: O que se espera de um bom microfone? -comportamento linear numa banda larga de frequencia - comportamento linear para diferentes SPL -pouco distúrbio no campo a ser medido - baixa influência da pressão estática, temperatura e humidade do ambiente - baixa influência de vibração e campo eletro-magnético, resistência a choque mecânico 6

7 Escolha de microfones: O que se espera de um bom microfone? - estes requisitos são atendidos, em geral, por microfones capacitivos (condencer ) conectados a um pré-amplificador, que polarisa o capacitor permitindo a geração de um sinal elétrico análogo à pressão. Diafágma Microfone Backplate pre-amplificador Resistor de Polarização Fonte de Tensão Capacitor Amp 7

8 Escolha de microfones: Princípio de funcionamento diafrágma (1,5 a 8m sob tensão controlada) backplate (gap de 20m± 0,5m) 8

9 Escolha de microfones: Princípio de funcionamento O pré-amplificador mantém as placas carregadas Desta forma, o movimento do diafragma resulta em sinal de tensão. Campo elétrico constante aplicado na direção normal às placas V E h e 0 C A h + V A h V obs. 0 q A h V h : permissivi dade elétrica(cte dielétrica) 0 : 8,854 pf/m (parao ar) A : áreasuperficial de cada placa h : distância entreasplacas 9

Escolha de microfones: Princípio de funcionamento - microfones pré-polarizados Uma camada de eletreto é responsável pela carga. A carga permanece na superfície do eletreto por séculos.

10 Escolha de microfones: Princípio de funcionamento - microfones pré-polarizados Uma camada de eletreto é responsável pela carga. A carga permanece na superfície do eletreto por séculos. O campo magnético gerado pelo eletreto é similar ao dos microfones com polarização externa de 200V. Sendo assim os pré-amps podem ser mais simples. Eletreto Diafrágma Backplate microfone de eletreto de uso doméstico microfone de eletreto de uso profissional 10

11 Escolha de microfones: Modelo Mecânico A sensibilidade do mic é inversamente proporcional à rigidez do diafragma A componente principal é a rigidez da membrana sob tensão (k d ) A camada de ar atrás do diafragma introduz uma rigidez no sistema ( 10%) A sensibilidade do microfone é dada por: P s pressão atmosférica, P s,ref pressão de referência, F k d /k b 11

12 Escolha de microfones: Modelo Mecânico A pressão dinâmica medida é da ordem de 10 8 a 10 9 vezes menor que a pressão atmosférica Esta pressão estática, pode varia durante o experimento e principlamente em locais diferentes (ao nível do mar ou em altitude) Microfones são projetados para equalizar a pressão interna com a atmosférica Cuidado com a fixação dos mics. (side vs. rear vents) 12

13 Escolha de microfones: Modelo Mecânico A abertura (vent) modifica a cavidade do microfone (antes fechada) Este sistema se assemelha a um 1ª order, com constante de tempo da ordem de 0,1s. Porém afeta a resposta do microfone me baixas freqüências. Compromisso entre linearidade/confiabilidade e resposta linear em baixas freqüências (0,1s 5Hz) S 5Hz f 13

14 Escolha de microfones: Modelo Mecânico O fato do microfone estar suceptivel a variações de pressão do fluido depende da montagem 14

15 Escolha de microfones: Modelo Mecânico O fato do microfone estar suceptivel a variações de pressão do fluido depende da montagem Em (A) a faixa dinâmica se estende a frequencias mais baixas que em (B) CUIDADO: a montadem do microfone em estruturas auxiliares pode vedar a passagem de ar no vent. 15

16 Escolha de microfones: Modelo Mecânico Estas curvas também dependem da pressão atmosférica (ref = kpa): a) 1 bar, b) 2 bar, c) 10 bar, d) 0.5 bar 16

17 Escolha de microfones: Modelo Mecânico Relação de fase (ref = kpa): a) 1 bar, b) 2 bar, c) 10 bar, d) 0.5 bar 17

18 Escolha de microfones: Modelo Mecânico O limite máximo de freqüência de um microfone é definido pela ressonância do diafragma. A rigidez deste sistema é dada pela tensão no diafragma e pelo ar confinado no microfone A massa, por sua vez, é a massa da membrana e uma parcela referente à massa de ar no canal de ventilação (vent.) m d +m v Apesar de pequena, a massa do vent acelera mais que a membrana, portanto de forma efetiva: m v / m d 10~50% 18

19 Escolha de microfones: Modelo Mecânico O movimento do diafragma, movimenta o ar entre este e o backplate, principal fonte de amortecimento viscoso O controle do nível de amortecimento se dá pela disposição de furos no backplate b) pressure c) free field 19

20 Escolha de microfones: Modelo Mecânico Influência do diâmetro do diafragma: a) 1 b) ½ c) ¼ Compromisso: Diafragmas mais finos aumentam o range dinâmico Requerem maior tensão Precisam de materiais mais resistentes e estáveis... 20

21 Modelo Análogo do Microfonoe 21

22 Modelo Eletro-Mecânico Microfone + Amp Devido à sua característica elétrica de alta impedância, o sinal gerado pelo microfone precisa ser amplificado para que possa ser lido pelos instrumentos de medida e, principalmente, transportado pelos cabos dB 22

23 Modelo Eletro-Mecânico Microfone + Amp com 23

24 Modelo Eletro-Mecânico Microfone + Amp com 24

25 Modelo Eletro-Mecânico Microfone + Amp 25

Microfones e Campos Acústicos Pressure Field (campo de pressão) Ocorre em geral em pequenas cavidades, como em testes de telefones Os microfones de pressão são projetados para ter a resposta plana na

26 Microfones e Campos Acústicos Pressure Field (campo de pressão) Ocorre em geral em pequenas cavidades, como em testes de telefones Os microfones de pressão são projetados para ter a resposta plana na maior banda de freqüência possível. Quando estas cavidades são excitadas em altas freqüências, é possível que modos fundamentais sejam excitados Quando não e o caso, o microfone pode significar uma diminuição da rigidez equivalente da cavidade 26

27 Microfones e Campos Acústicos Free Field (campo livre) Ocorre quando não há reflexões, porém a simples presença do microfone afeta o campo acústico A relação linear entre a pressão no campo livre e aquela medida com o microfone depende da relação entre o diâmetro do diafragma e o comprimento de onda de interesse 27

28 Microfones e Campos Acústicos Free Field (campo livre) A razão entre a pressão real e a medida se parecem qualitativamente para diferentes microfones, mas são defasadas em freqüência 28

29 Microfones e Campos Acústicos Free Field (campo livre) A grade de proteção (que age como um ressonador) também pode afetar as medidas acima de 10kHz. 29

30 Microfones e Campos Acústicos Free Field (campo livre) As curvas abaixo mostram o comportamento em alta frequencia Interferência do microfone resposta do diafragma resposta do microfone em campo aberto Desta forma, microfones free-field tem um range maior que os microfones pressure-field com as mesmas características técnicas (cerca de 1 oitava). 30

31 Microfones e Campos Acústicos Diffuse Field Em campo difuso, as ondas atigem o microfone em todas as direções. O resultado ao lado mostra a resposta medida por um microfone (sem grade de proteção) para um campo estacionário em diversas direções 31

32 Microfones e Campos Acústicos Resposta em Freqüência Global 32

33 Microfones e Campos Acústicos Característica Direcional de um microfone de ½ 33

34 Escolhendo um Microfone Diâmetro do Diafragma 34

35 Escolhendo um Microfone Distorção Harmônica Tri-field 35

36 Calibração Diferentes métodos de calibração - Campo conhecido - comparação - inserção de carga - inserção de tensão - etc. Fornece um sinal de 200Hz ou 1000Hz com dois níveis de pressão sonora SPL O sensore é calibrado para uma determinada frequencia. 36

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38 Pro que medir Intensidade? 38

39 Pro que medir Intensidade? B&K microfolwn 39

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