Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Engenharia Mecânica
SEM5917 - Acústica
Prof. Dr. Leopoldo P. R. de OliveiraObjetivos:
Dinâmica de Sensores Acústicos
- microfones
- tipos, resposta em frequencia, dynamic range, …
- calibração
- sondas de intensidade acústica
- pp e pv
Modelos de microfones:
Existem diversos tipos de microfones, dentre as
características principais estão:
- diâmetro do diafragma
- princípio de transdução
- pré-amplificação
- campo acústico
- etc.
Escolha de microfones:
Princípio
Microfones medem a pressão que atua sobre o diafragma
Em geral expressamos o nível de pressão sonora em dB.
com
Campo acústico
Existem microfones específicos para cada campo tipo acústico
Escolha de microfones:
- 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
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
Microfone pre-amplificador Diafágma Backplate Resistor de Polarização Capacitor Amp Fonte de Tensão
O que se espera de um bom microfone?
Escolha de microfones:
- 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.
backplate (gap de 20m± 0,5m)
diafrágma (1,5 a 8m sob tensão controlada)
Escolha de microfones:
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
h A V + – h V E placas as entre distância : placa cada de l superficia área : ar) o (para pF/m 8,854 : ) dielétrica (cte elétrica dade permissivi : 0 h A e h A q V 0
h A C
0 h V obs. 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.
microfone de eletreto de uso doméstico Diafrágma Backplate Eletreto microfone de eletreto de uso profissional
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 (kd)
A camada de ar atrás do diafragma introduz uma rigidez no sistema (≈10%)
A sensibilidade do microfone é dada por:
Escolha de microfones:
Modelo Mecânico
A pressão dinâmica medida é da ordem de 108 a 109 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)
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)
5Hz
S
Escolha de microfones:
Modelo Mecânico
O fato do microfone estar suceptivel a variações de pressão do fluido depende da montagem
Modelo Mecânico
O fato do microfone estar suceptivel a variações de pressão do fluido depende da montagem
Escolha de microfones:
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
Modelo Mecânico
Estas curvas também dependem da pressão atmosférica (ref = 101.3 kPa):
a) 1 bar, b) 2 bar, c) 10 bar, d) 0.5 bar
Modelo Mecânico
Relação de fase (ref = 101.3 kPa):
a) 1 bar, b) 2 bar, c) 10 bar, d) 0.5 bar
Modelo Mecânico
O limite máximo de freqüência de um microfone é definido pela ressonância do diafragma.
Escolha de microfones:
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.)
Apesar de pequena, a massa do vent acelera mais que a membrana, portanto de forma efetiva:
mv / md → 10~50%
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
Escolha de microfones:
Modelo Mecânico
Influência do diâmetro do diafragma: a) 1” b) ½” c) ¼”Escolha de microfones:
Compromisso:Diafragmas mais finos aumentam o range dinâmico
Requerem maior tensão Precisam de materiais mais
resistentes e estáveis ...
Microfone + Amp
Modelo Eletro-Mecânico
Devido à sua característica elétrica dealta impedância, o sinal gerado pelo microfone precisa ser amplificado para que possa ser lido pelos instrumentos de medida e, principalmente, transportado pelos cabos.
≈1
Microfone + Amp
Modelo Eletro-Mecânico
Modelo Eletro-Mecânico
com
Modelo Eletro-Mecânico
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
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
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
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.
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
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
Microfones e Campos Acústicos
Microfones e Campos Acústicos
Escolhendo um Microfone
Escolhendo um Microfone
Distorção Harmônica
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.
Pro que medir Intensidade?
microfolwn B&K
