A Confiabilidade reflete a constância das características elétricas e eletroacústicas em função de

CAPITULO SEGUNDO

TRANSDUTORES ELETROACÚSTICOS

Características Elétricas e Eletroacústicas

As interfaces entre o usuário e o sistema de transmissão são os aparelhos terminais, na rede telefônica, portanto são os aparelhos telefônicos. Eles representam as fontes e receptores da informação a ser processada que, no caso da rede telefônica, é basicamente a voz. A conversão desta informação, oferecida na emissão em forma de sinais acústicos, em sinais elétricos e vice-versa na recepção novamente em sinais acústicos, realiza-se por intermédio de transdutores telefônicos (cápsula emissora e cápsula receptora). Eles constituem, portanto elementos terminais na grande cadeia de transmissão. Os modernos transdutores telefônicos foram desenvolvidos de tal modo que é proporcionada uma transmissão de voz com alta inteligibilidade sob condições ambientais extremas.

As cápsulas emissora e receptora de um aparelho telefônico são as maiores responsáveis pela qualidade de transmissão da voz emitida e recebida. A qualidade abrange a sensibilidade, a característica sensibilidade - freqüência, a distorção harmônica, o ruído intrínseco, a resistência efetiva e a impedância. Outras características importantes de uma cápsula incluem ainda a estabilidade, a confiabilidade e o custo.

Ainda hoje uma parcela significativa de cerca de um bilhão de telefones instalados no mundo utilizam microfones de carvão e cápsulas receptoras magnéticas ou dinâmicas. O microfone de carvão foi introduzido há pouco mais de um século e desde lá vem sendo aperfeiçoado continuamente. Assim a sua sensibilidade aumentou cerca de quarenta vezes, da mesma forma que a sua confiabilidade operação. Os primeiros microfones com amplificador surgiram na década de 50 com o advento dos componentes de estado sólido, utilizando o princípio magnético ou dinâmico, mas somente na década de 70, com o advento dos circuitos integrados, foi possível construir os primeiros microfones eletrônicos comerciais, cujo custo inicial era cerca de dez vezes o custo do microfone de carvão. Na mesma época foram também desenvolvidos microfones com transdutores de princípio capacitivo (eletreto) e de princípio piezelétrico (zirconato - titanato de chumbo), permitindo a construção de cápsulas emissoras mais econômicas e de características eletroacústicas, de estabilidade e de confiabilidade superiores à cápsula de carvão. Quanto a faixa de freqüências na emissão e na recepção, é limitada pela característica da linha. O ITU-T recomenda uma faixa entre 300 Hz e 3.400 Hz.

Fatores de Qualidade

Em um microfone ou receptor telefônico devem ser considerados os seguintes fatores de qualidade:

- características elétricas e eletroacústicas, - confiabilidade,

- vida,

- reversibilidade, - custo e automação, - manutenção.

As características elétricas e Eletroacústicas devem enquadrar-se dentro das especificações das diferentes Administrações Telefônicas. Estas características abrangem: a sensibilidade, a sensibilidade-freqüência, a distorção harmônica, o ruído intrínseco, o consumo, a resistência efetiva e a impedância. Na descrição das várias tecnologias de cápsulas telefônicas feitas a seguir, estas características serão analisadas com mais detalhes.

A Confiabilidade reflete a constância das características elétricas e eletroacústicas em função de fatores ambientais físicos, mecânicos, elétricos, climáticos e de tempo.

A Vida indica o tempo no qual um componente não apresenta falhas. Estas falhas podem ser defeitos graves ou simplesmente alterações de uma ou mais características elétricas e eletroacústicas, colocando-as fora dos limites especificados. A vida é freqüentemente representada pelo termo "Mean Time Between Failure" (MTBF), que indica o número de anos ao longo dos quais 50% das amostras apresenta falhas.

O Custo representa um fator fundamental no projeto e na fabricação de um equipamento. No caso particular dos microfones e receptores telefônicos os fatores acima, sobretudo as características elétricas, eletroacústicas e a confiabilidade, desempenham um papel de destaque na substituição da cápsula emissora de carvão por microfones lineares. O custo entra aí indiretamente, pois uma vida mais longa, suprimindo etapas de manutenção, proporciona um custo menor a longo prazo. Também a facilidade e automação da fabricação desempenham um papel fundamental na redução do preço do produto.

Funções básicas dos Transdutores Telefônicos

Na realização de um microfone ou de um receptor com amplificador, as vantagens atualmente proporcionadas pela microeletrônica e pelos circuitos integrados, são aproveitadas para otimizar o desempenho destes componentes quanto ao seu comportamento eletroacústico, elétrico, de confiabilidade, vida, proteção elétrica e custo. Entre as diversas funções consideradas podem ser destacadas:

a) Amplificador - Em virtude da pequena sensibilidade apresentada pelos transdutores eletromagnéticos, dinâmicos, capacitivos e piezelétricos (alguns milivolts por microbar), há necessidade de aplicar amplificadores na sua saída. No caso de transdutores de alta impedância (capacitivos e piezelétricos), o circuito amplificador é precedido de um estágio de alta impedância, geralmente integrado, um transistor FET, e o circuito amplificador são, neste caso, montado o mais próximo do transdutor, dentro da própria cápsula ou no corpo do monofone.

b) Regulagem - É o comportamento pelo qual a cápsula emissora ou receptora apresenta um nível de saída elétrico ou eletroacústico linear otimizado. Esta característica leva em conta a densidade de assinantes, o nível de transmissão preferido com base em ensaios de opinião, as perdas toleradas na linha, os efeitos de diafonia, etc. A regulagem proporciona uma série de vantagens para a qualidade de transmissão telefônica, pois reduz o nível de transmissão em linhas curtas, melhorando o efeito local para o locutor e limita a possibilidade de um nível de recepção excessivo e distorcido para o usuário distante; aumenta o nível de emissão em linhas longas, favorecendo a recepção do usuário distante; reduz a perda do enlace, aproximando-a do valor preferido pelo usuário; dentro dos limites da regulagem proporciona sempre o mesmo nível de recepção para os dois usuários envolvidos na conversação.

c) Compressão - É um outro fator considerado no projeto das cápsulas emissoras e receptoras e tem por objetivo limitar, sem distorção adicional, os níveis excessivamente fortes na emissão e na recepção, causados pelos picos da voz.

d) Diferenciação - Ao contrário das cápsulas de carvão, pouco sensíveis aos ruídos ambientais abaixo de -34 dB rel 1 Pa (60 dB SPL), devido ao seu comportamento não linear, as cápsulas lineares retransmitem todos os níveis de ruído que detectam. Para que isto não represente um fator desfavorável para o assinante distante ou para o assinante que fala (efeito local), pode ser agregado ao microfone um circuito diferencial que atua somente para estímulos de voz superiores a um valor pré-estabelecido, em geral em torno de -34 dB rel 1 Pa (60 dB SPL).

e) Polarização - É uma característica da cápsula telefônica que tem por objetivo evitar uma inversão de polaridade no circuito amplificador. Para isso o circuito eletrônico é provido de uma ponte de diodos que assegura a polaridade correta ao mesmo.

f) Estabilização - Tendo em vista que a corrente contínua de alimentação do circuito eletrônico das cápsulas telefônicas provém das linhas de assinante e varia de acordo com o comprimento desta, o circuito eletrônico das cápsulas apresenta, incorporado ao mesmo, um circuito estabilizador da tensão de alimentação.

g) Proteção - Com o objetivo de proteger o circuito eletrônico das cápsulas emissora e receptora, ele é provido, na sua entrada, de elementos de proteção contra sobretensões e/ou transientes de até 2 kV de pico. Além da proteção contra sobretensões, o circuito da cápsula também pode apresentar dispositivos de proteção contra interferências eletromagnéticas e/ou eletroacústicas, em forma de blindagens e componentes de filtragem.

devem ser incorporadas ao amplificador de emissão e de recepção no caso do desenvolvimento de um telefone eletrônico ao qual se deseja acrescentar outros serviços tais como multilinha, recepção amplificada, transmissão de dados, PCM, etc.

Tecnologias para Emissores e Receptores

Tecnologia de Carvão

A de carvão, para emissores e microfones para telefones vem sendo utilizada desde a invenção do telefone em 1877 e ainda hoje é empregada em larga escala pela grande maioria das Administrações Telefônicas mundiais. Entretanto, um número crescente de países está introduzindo microfones mais modernos em seus telefones, conhecidos por microfones lineares, a fim de atender aos crescentes requisitos de melhor qualidade de transmissão por parte dos novos serviços que surgem, como transmissão de dados, fac-símile, PCM e do advento das redes telefônicas digitais.

O microfone de carvão é um microfone que opera basicamente em função da variação da resistência de contato entre superfícies de carvão. No que se refere à telefonia, as superfícies de carvão são em geral superfícies de contato de um grande numero de grãos de carvão contidos dentro de uma câmara e que estão ligados eletricamente a eletrodos de carvão ou eletrodos metálicos. Os movimentos do diafragma em sincronismo com as ondas sonoras são convertidos em variações de pressão mecânica, sobre os grãos de carvão, de onde resultam variações de resistência correspondentes nos contatos entre os grãos de carvão. A figura 2.1 mostra um corte através de uma cápsula de carvão típica, onde são vistos o diafragma, a câmara de grãos de carvão e os eletrodos fixo e móvel.

Os microfones são transdutores que transformam um estímulo acústico em uma resposta elétrica. O relacionamento entre estes dois parâmetros pode ser proporcional ou não, o que reflete a linearidade de resposta do microfone. Os microfones de carvão são caracterizados pela não linearidade entre o estimulo acústico e a saída elétrica, o que origina uma distorção amplitude/amplitude, uma distorção amplitude/freqüência, uma distorção harmônica e a intermodulação de freqüências. Além disso as propriedades de transmissão e a resistência interna da cápsula de carvão dependem da corrente de alimentação.

Já os microfones lineares apresentam uma relação linear entre a pressão acústica e a tensão elétrica de saída. Em princípio, portanto, a relação deve ser independente da freqüência, mas na prática o elemento do microfone apresenta certas correções de freqüência. Com relação a corrente contínua não há problema, pois o microfone linear utiliza um amplificador ao qual pode ser dada a característica desejada.

A relação entre a pressão acústica e a resistência interna do microfone (resistência dos grãos de carvão) é mostrada na figura 2.2. Além da não linearidade, a curva mostra também um efeito de histeresis. Logo a aplicação de um som senoidal resulta em uma resistência com ciclos assimétricos, de onde resulta a geração de harmônicos pares e ímpares.

As variações de resistência são utilizadas para modular a corrente contínua através da câmara de grãos de carvão. Logo a corrente alternada obtida é dada pela expressão abaixo, de acordo com a figura 2.3 Nesta, as letras minúsculas indicam os valores instantâneos das quantidades CA. A expressão mostra que a relação entre a corrente alternada e a resistência não é linear e origina distorção com harmônicos pares e ímpares. Para uma dada impedância de linha RL a distorção é minimizada se R + RL >>f. Esta condição é obtida, mantendo-se r / R baixo, porém isto reduz a tensão CA desejada. Verifica-se ainda que a corrente de voz é diretamente proporcional à tensão da bateria, a qual deve ser portanto a mais alta possível a fim de obter a maior eficiência possível para o microfone. A máxima tensão CC através do microfone de carvão é limitada também pelo fato de que se formam pequenos arcos entre os grãos de carvão em movimento, que originam ruídos na linha telefônica e também reduzem a vida do microfone.

FIGURA 2.1

Propriedades do Microfone de Carvão

A fim de permitir uma comparação com os microfones lineares, as propriedades do microfone de carvão serão descritas em maiores detalhes a saber:

Eficiência

A maior vantagem do microfone de carvão reside no fato de que a modulação de corrente contínua proporciona um meio de amplificação da potência acústica. Experiências práticas mostraram que para uma potência de voz de + 90 dB rel. 20 microPa aplicados ao microfone, o ganho de potência é de 30 dB. Já a maioria dos microfones lineares possui uma sensibilidade tão baixa, que a sua potência de saída deve ser aumentada em cerca de 40 dB para que seja obtido o mesmo equivalente de referência de emissão do microfone de carvão.

Alimentação

A corrente contínua que circula através da cápsula emissora é limitada pela resistência, basicamente da linha de assinante, existente entre o equipamento de alimentação da central e o aparelho telefônico. Entretanto a resistência do microfone não é constante mas aumenta quando houver uma redução na corrente contínua, causada pelo aumento da resistência da linha. Apesar do fato de que um aumento da resistência do microfone melhora também a sonoridade de emissão, os microfones de carvão não permitem uma regulagem automática de emissão justamente devido à dependência da sua resistência da corrente contínua circulante.

Dependência da Amplitude

Além da já mencionada relação não linear entre o valor instantâneo da pressão acústica e da tensão de saída, com conseqüente distorção do sinal, o microfone de carvão também apresenta uma relação não linear entre os valores eficazes de quantidades de entrada e de saída ou, em outras palavras, o ganho do microfone depende da pressão acústica.

No caso ideal o ganho é constante ao longo da faixa normal de trabalho (o nível de voz varia dentro de ± 15 dB em torno do valor médio), mas na prática esta proporcionalidade não ocorre. Na prática ocorre uma compressão em níveis acústicos mais altos, que limitam a tensão de saída e por outro lado originam uma expansão em níveis mais baixos. Assim uma cápsula de carvão submetida a uma pressão acústica variável de ± 10 dB em torno do valor médio da voz pode originar uma saída elétrica que corresponde a uma variação de ± 7 dB e -17 dB em torno do valor médio correspondente. Isto explica de certa forma a maior atenuação que sofrem os níveis sonoros mais baixos como p. ex. o ruído ambiente durante as pausas da voz.

Já os microfones lineares, e portanto providos de amplificadores lineares, não apresentam esta propriedade, algumas vezes desejável, da supressão ou atenuação do ruído ambiente, porém é possível estabelecer uma limitação da sua sensibilidade como já foi mencionado anteriormente.

Também é desejável uma limitação dos níveis de vozes fortes, o que ocorre também nas cápsulas de carvão, pois estes níveis podem provocar, além da diafonia, fortes distorções devido a sobrecarga p. ex. nos amplificadores das cápsulas emissoras lineares. A limitação do nível de voz é em geral realizada por meio de compressores, que limitam o nível de saída elétrica máximo em +3 dBm, a fim de prevenir o risco de sobrecarga nos sistemas portadores.

Resistência e Impedância

Como já foram mencionadas anteriormente, as propriedades de não linearidade do microfone de carvão incluem a dependência da resistência estática com o valor da corrente contínua. A resistência é particularmente difícil de ser medida pois depende da posição do microfone e da pressão acústica aplicada, e além disso varia com o tempo. Para ativar o microfone da forma correspondente à prática, ele deve ser condicionado antes de cada medida. Entretanto, cada mudança de posição equivale a uma nova configuração dos grãos de carvão na câmara, de modo que a rigor o mesmo microfone não deve ser medido duas vezes. Assim, ao ser aplicado um estímulo acústico ao microfone, a variação da pressão é

R R

r i

R E

i

l +

+ =

transmitida, através da membrana - eletrodo móvel, aos grãos de carvão, ocasionando uma variação de resistência proporcional. A forma de acondicionamento está descrita na Recomendação P.75 do ITU-T.

A resistência dinâmica, também chamada resistência efetiva, é sempre menor do que a resistência estática. O seu valor depende do tempo e da corrente, mas gira em torno de 75% do valor da resistência CC. Logo um microfone com resistência CC de 340 ohms apresenta uma resistência dinâmica de cerca de 250 ohms. Este valor deve ser medido com auxílio de um instrumento de valor eficaz verdadeiro, devido à presença simultânea de correntes CC eCA.

Para efeito de sinalização, a resistência CC deve ser a menor possível para poder operar os reles de linha da central, mas para a otimização da eficiência de transmissão, a resistência deve apresentar um valor de compromisso. O microfone linear, além de apresentar valores estáveis, permite selecionar os valores de resistência CC e de impedância desejados.

Geração de Harmônicos

É difícil estabelecer valores confiáveis, do conteúdo harmônico de microfones de carvão, pois este valor depende em grande parte do nível e da freqüência do estímulo acústico e também varia com o tempo, o que torna este microfone bastante instável. Valores típicos do conteúdo harmônico são 20% a 30% de distorção para o segundo harmônico e 5% a 8% de distorção para o terceiro harmônico. Na prática foi verificado que o efeito negativo de harmônicos pares é cerca de seis vezes menor do que aqueles dois harmônicos ímpares, de modo que estes últimos devem ser mantidos baixos, pois são muito mais sentidos pelo nosso ouvido. Quanto aos harmônicos pares verificou-se que estes favorecem a inteligibilidade de certos consoantes. Apesar de estar bem acima do limiar de percepção do ouvido (cerca de 5%), a distorção harmônica da cápsula de carvão não chega a perturbar. Em telefones equipados com microfones lineares o conteúdo harmônico total não deve ser maior do que 7% e o conteúdo de harmônicos ímpares não devem exceder 3%.

Intermodulação

A intermodulação é causada pela presença simultânea de várias freqüências em um elemento não linear, no caso o microfone de carvão. Os produtos de intermodulação originam uma deterioração da qualidade do som de modo similar à geração de harmônicos. Este efeito passa a ser sério no caso do ruído ambiente alto (telefones públicos), quando a intermodulação de voz e o ruído criam componentes que se assemelham a ruídos relacionados com a voz.

Curvas de Resposta de Freqüência

Da mesma forma que os receptores, os microfones de carvão são providos de uma ou mais ressonâncias dentro da faixa de voz, a fim de proporcionarem uma eficiência satisfatória. Paralelamente também apresentam amortecimentos para a eliminação dos picos de ressonância. Nos dispositivos eletromagnéticos estas compensações são difíceis de realizar, ao contrário dos microfones lineares, onde estas correções são realizadas no amplificador.

Nos microfones de carvão há uma dependência de nível elétrico com nível acústico, já mencionado acima, eque originou a denominação "não linear". A resposta de freqüência também depende da pressão acústica aplicada. Assim, com uma pressão acústica baixa, a resposta de freqüência também é pior, isto é, devido a ativação insuficiente dos grãos de carvão para pequenas amplitudes do diafragma. Neste mesmo caso a amplitude é maior na freqüência de ressonância, o que causa intermodulação. Para o cálculo do equivalente de referência de emissão, o ITU-T recomenda, no caso da cápsula de carvão, o uso da envoltória superior desta característica, medida com pressões acústicas de 3 Pa, 1 Pa e0,3 Pa.

Envelhecimento e Condições Ambientais

Além das formas de instabilidade a curto prazo discutidas acima, os microfones de carvão também apresentam envelhecimento que reduz a eficiência de transmissão e aumenta a resistência ao longo do período de alguns anos. O envelhecimento deve-se em parte às propriedades dos grãos de carvão, que são afetadas de diferentes formas pelo processo de fabricação, como sejam o tempo de queima e a temperatura e parcialmente também devido a influência da tensão CC e dos fatores ambientais durante o tempo de uso, como sejam a temperatura e a umidade.

Os ensaios de vida acelerados, realizados em laboratórios com simulação de efeitos ambientais não têm mostrado um relacionamento confiável com o comportamento no campo. Neste caso os levantamentos estatísticos realizados vêm mostrando uma degradação média de 0,7 dB/ano para as cápsulas de carvão em uso, o que comprova uma degradação contínua de eficiência. Já os microfones de amplificador se mantém estáveis durante um longo período de anos.

Foram realizados alguns ensaios de opinião comparando telefones equipados com microfones de carvão e outros com microfones lineares, adotando-se os critérios MOS ("Mean Opinion Score") ou seja, com base nos índices de Opinião, onde é usada uma escala de 4 a 0 respectivamente excelente, bom, regular, mau e péssimo. Os resultados observados pela equipe foram os seguintes (Tabela 2.1).

TABELA 2.1

Perda (linha) - índice Tipo do microfone

(0dB) (16dB) Médio carvão

eletromagnético 2,3 3,0 1,8 2,3 2,1 2,7

Com relação ao índice máximo (4 pontos), a melhora apresentada pelas cápsulas lineares foi sensível (0,6 pontos) mas não espetacular, pois além da perda nas altas freqüências, introduzidas pela linha de assinante, a característica de recepção ao lado do avaliador apresenta um corte acentuado em 3 kHz, o que limita a qualidade também nas cápsulas lineares.

A diferença entretanto é maior no caso em que os sinais não forem transmitidos em forma analógica mas forem primeiro codificados para sinais digitais como sejam os sistemas PCM. A instabilidade a curto prazo e a distorção harmônica dos microfones de carvão originam flutuações em degraus nos sinais digitais codificados e isto é interpretado como ruído sobre e acima do ruído de quantização. Os sistemas que reduzem informações como p. ex. o tipo vocoder, apresenta uma qualidade sonora inaceitavelmente ruim quando for utilizado o microfone de carvão, pelo fato de que o sistema tem dificuldade em realizar uma análise completa das freqüências fundamentais; resulta daí uma variação injustificável do timbre de voz do lado da recepção.

A presença de níveis de ruído elevados no lado de emissão também provoca intermodulação entre a voz e o ruído, que afetam o assinante no lado da recepção e o assinante que fala, através do efeito local.

Resumindo pode-se sintetizar as diferenças entre o desempenho dos microfones de carvão e lineares através da tabela 2.2 a seguir:

TABELA 2.2

Função Microfone de Carvão Microfone Linear

1. vida 5 anos 30 anos

2. índice de falhas 3,15% 0,25%

3. reutilização não sim

4. estabilidade instável estável

5. posicionamento até 7dB 0dB

6. acomodação até 5dB 0dB

7. variação com corrente cc até 30QQ 0

8. alcance 800fi 1600Í1

9. qualidade de transmissão decrescente alta

10. distorção harmônica até 30% 1%

11. ruído intrínseco até 5000 u. V 150 u.V

12. inteligibilidade intermodulação muito boa

13. condições ambientais sensível* insensível

(*)umidade, clima, solicitação mecânica

Distorção Harmônica

Quando for aplicada uma onda pura a um microfone de carvão, o deslocamento do diafragma para dentro é menor do que o deslocamento para fora devido a maior rigidez do sistema móvel quando os grãos forem comprimidos. Esta não linearidade do microfone de carvão é a principal responsável pelas freqüências estranhas.

Se for aplicada uma tensão constante E ao emissor de resistência estática R, expressa em ohms, a corrente CC circulante será:

Se agora for aplicada uma onda sonora de certa intensidade, que faz variar a resistência estática de um valor de pico x ohms, então a variação da resistência pode ser expressa por:

Admitindo-se uma linearidade perfeita. Logo a resistência efetiva do emissor em qualquer instante será:

E a corrente instantânea: R

E I =

f

w

onde

wt

x

sen

→

:

=

2

π

O primeiro fator indica a corrente estática e é constante. O segundo fator representa a componente alternada da corrente. Prova-se algebricamente que qualquer fração 1/(1 + a) pode ser expandida segundo a série infinita:

Aplicando esta expansão à expressão acima vêm:

Pode ser provado matematicamente que sen2wt, sen3wt, sen4wt, etc, contém freqüências de 2w, 3w, 4w, etc, respectivamente. Logo a corrente alternada resultante consiste da onda sonora fundamental (sem wt) mais os harmônicos de todas as freqüências. O fator x/R deve ser necessariamente menor do que 1, sendo geralmente da ordem de 1/50. Portanto as expressões (x/r)2_{, (x/r)}3_{, (x/r)}4_{, etc. decrescem rapidamente}

de amplitude. Na prática portanto o segundo harmônico é o mais importante, seguido do terceiro harmônico. Os demais harmônicos são de pequena importância.

A equação acima assume que a resistência dos grãos de carvão varia uniformemente com o deslocamento do diafragma. Na prática isto não é exatamente o caso, mas se o número de grãos de carvão for muito grande, p. ex. da ordem de 3.000 grãos, o erro introduzido é desprezível.

Perspectivas futuras

Apesar dos contínuos aperfeiçoamentos que a cápsula de carvão vem apresentando no decorrer dos cem anos de sua utilização como microfone telefônico, os inconvenientes que ainda apresenta como sejam a degradação da eficiência com o tempo, a dependência da posição do monofone, alta distorção harmônica, intermodulação e outros, não recomendam a sua utilização, como microfone, nos modernos aparelhos telefônicos previstos para os novos serviços verticais como a transmissão de dados e de PCM da telefonia digital e também nos aparelhos telefônicos eletrônicos projetados para um desempenho de qualidade de transmissão avançado.

Por motivos econômicos e mesmo trabalhistas, tendo em vista a existência de um ferramental e de mão-de-obra especializadas, a fabricação de cápsula de carvão ainda deve ser mantida por algum tempo até para a manutenção dos modelos telefônicos antigos, porém nota-se nitidamente uma tendência de redução na sua fabricação, sendo que alguns países industrializados já estabeleceram datas para cessar a sua fabricação.

O advento de novas tecnologias de cápsulas lineares e o seu custo cada vez mais competitivo com o das cápsulas de carvão reduz cada vez mais a presença destas últimas no mercado.

Tecnologia Eletromagnética

O primeiro telefone construído por Graham Bell em 1876 possuía transdutores de emissão e de recepção baseados neste princípio. 0 transdutor eletromagnético consiste basicamente de um ímã, peças polares e uma arma-dura móvel, está constituída pelo diafragma como mostra a figura 2,4. A corrente de voz que circula pelo enrolamento estabelece um empuxo variável sobre o diafragma de acordo com a variação do sinal. O empuxo no diafragma depende da densidade de fluxo magnético no entreferro e o projeto deve possibilitar uma variação máxima de fluxo para determinada variação de corrente na bobina. O circuito magnético deve ser pois o mais curto possível, com material de alta permeabilidade, a fim de obter a relutância mínima.

A sensibilidade dos transdutores eletromagnéticos vem aumentando no decorrer dos anos em virtude da fabricação de ímãs melhores, redução do fluxo de perdas (construção concêntrica) e redução das resistências magnéticas da armadura, das peças polares e do entreferro. A redução do entreferro apresenta limites, pois com a corrente continua a força de atração aumenta segundo a lei quadrática e se a força magnética residual for maior do que a força linear da mola (figura 2.4) que atua em sentido oposto (Fs),

ocorre à colagem das peças polares. A fim de contornar este problema, os sistemas magnéticos Figura 2.4 wt R x R E wt R x R E wt x R E i sen 1 1 . ) sen 1 (

sen = ₊ = ₊

+ =

... 1

1

1 _{= − +} 2₋ 3₊ 4₋ 5₊

+a a a a a a

apresentam circuitos em ponte (figuras 2.5 e 2.6), onde a armadura móvel não é ou é percorrida apenas parcialmente pelo fluxo magnético residual, e portanto não fica saturada.

A vantagem deste tipo de microfone reside no fato de que não requer corrente de energizaçâo. A construção é tal que um diafragma é acoplado mecanicamente a uma armadura de ferro que conduz o fluxo magnético suprido por um Imã permanente. Quando as ondas atingirem o diafragma, a armadura é conduzida correspondentemente e se desloca em um entreferro entre as peças polares do imã permanente. Este movimento varia a relutância dos circuitos magnéticos que envolvem a bobina e isto origina variações no fluxo, o que causa uma força eletromotriz induzida na bobina. A bobina supre então a saída elétrica do microfone.

O microfone eletromagnético ou de ferro móvel mostrado na figura 2.6 apresenta as características básicas do microfone de armadura basculante. Ele possui um diafragma enrugado, vinculado a uma extremidade da armadura. A outra extremidade da armadura é fixada a uma extremidade das peças polares por meio de espaçadores não magnéticos que impedem um curto circuito do imã permanente. A saída deste tipo de microfone é menor do que do microfone de carvão.

O transdutor de ferro móvel pode ser utilizado como microfone ou como receptor em um aparelho telefônico.

A resposta de freqüência dos microfones de ferro móvel, assim como dos demais tipos dependem da natureza do diafragma metálico, do seu método de montagem e da forma do receptáculo.

As partes móveis apresentam uma freqüência de ressonância particular, dependendo da sua massa e da sua rigidez. Esta ressonância "mecânica" pode ser comparada com a ressonância elétrica, onde a massa equivale a indutância, a recíproca da rigidez equivale à capacitância e a resistência mecânica equivale à resistência elétrica. A figura 2.7 mostra estas equivalências de ressonâncias.

Em geral o grau de rigidez depende da natureza do diafragma e do método de montagem, a massa depende do peso do conjunto do diafragma e a resistência depende do ar atrás do diafragma e da fricção devido às obturações de seda. A freqüência de ressonância do conjunto é determinada pela relação entre a rigidez e a massa, da mesma forma que a freqüência de ressonância no caso elétrico é determinada pela relação entre indutância e capacitância.

Um outro fator determinante da resposta de freqüência é o efeito do espaço de ar atrás do diafragma. Uma cavidade se comporta como um ressoador de Helmholtz e possui uma freqüência natural que depende das suas dimensões e forma.

A tensão de saída elétrica do microfone é medida em função de várias freqüências da faixa de voz. Dali é derivada uma curva que relaciona a tensão de saída com a freqüência. A fim de permitir a comparação entre vários tipos de microfones, deve ser adotado um nível de referência. Em geral é estabelecido como referência que a pressão de 1 Newton por metro quadrado (1 Pascal) proporciona uma saída de 10 mV (10 mV/N/m2). A tensão de saída de um microfone particular, em qualquer freqüência, pode ser também expressa em decibéis relativos a este nível de referência. O decibel (dB) é um método logarítmico de apresentar razões de tensão, corrente ou potência, comparando-se a tensão de saída com uma tensão de referência.

O Efeito de Polarização: Se o sistema eletromagnético não possuir um ímã permanente e se somente for aplicada corrente alternada, a única força magnetizante é devida às próprias correntes de voz. Alem de uma saída acústica baixa, o diafragma é atraído a cada meio ciclo, o que origina uma freqüência dupla (uma oitava mais alta do que a freqüência original).

Considerando que a força de solicitação da armadura é:

onde: B - densidade de fluxo no entreferro e

S - área da superfície polar

e a expansão de um sinal senoidal é φ = b.sen wt então a força de empuxo F originada pelo ímã e o sinal alternado sobreposto será proporcional a:

Figura 2.6

π S B F

2 =

Figura 2.5

F . A (B + b)2 _{A .B}2 _{+ 2 B . b + b}2

A variação da força de atração devida ao sinal alternado será:

Como o valor instantâneo do fluxo

φ

= b.sen wt, o valor instantâneo da força de atração será:

f = 2 Bb sen wt + b2 sen2 wt + 2 Bb sen wt + + 1/2 b2 (1 –cos 2wt).

O primeiro termo representa a força de atração de freqüência correta e com amplitude igual a 2 Bb. O segundo termo representa um segundo harmônico indesejável, cujo valor é função do quadrado da força de magnetização (b)

∆

2. Logo a introdução de um ímã permanente produz uma saída de freqüência correta e de amplitude muito maior. O segundo harmônico presente será pequeno se a magnetização CC for grande.

Nos transdutores eletromagnéticos modernos o ímã é de ALNiCo e as peças polares são de uma liga NiFe com 36% de Ni e com alta permeabilidade para correntes alternadas e baixas perdas por correntes parasitas. Por razões acústicas o diafragma deve ser fino, leve, flexível e de alta permeabilidade como por exemplo à liga FeCo . As peças polares devem apresentar área máxima tolerável e entreferros reduzidos a um mínimo. A faixa de freqüência transmissível deve estar entre 200 Hz e 3.400 Hz.

A tecnologia magnética é reversível, isto é pode ser utilizada para transdutores de emissão e de recepção. As figuras 2.6 e 2.7 mostram respectivamente o princípio de um microfone eletromagnético e o princípio de um receptor eletromagnético, ambos de armadura móvel.

A figura 2.5 mostra a construção básica de um microfone de armadura móvel. Ele possui um diafragma metálico fino e enrugado, preso em uma extremidade da armadura. A outra extremidade da armadura está presa entre o extremo da peça polar por intermédio de espaçadores não magnéticos que impedem um curto circuito do imã permanente. A saída deste microfone é menor de que a do microfone de carvão. A sua sensibilidade é da ordem de 0,3 mV/µBar para uma resistência interna de 1 Kohms.

A figura 2.6 mostra o princípio de construção de um receptor eletromagnético tipo basculante ("rocking armature"). O diafragma é construído por uma liga não magnética leve, está com o seu centro ligado à uma extremidade da armadura através um pino de transmissão. As forças que atuam sobre a armadura são iguais em torno do pivô, no caso de não haver saída de sinal de audiofreqüência e a armadura é mantida em posição pelas duas componentes de torção.

As duas bobinas estão ligadas em série e estão enroladas em sentidos opostos sobre as peças polares e portanto, dependendo do sentido da corrente energizante, a densidade de fluxo é aumentada em uma extremidade de armadura e é reduzida na outra extremidade. Quando a corrente alternada energizar as bobinas, o fluxo, em um dado instante, aumenta em uma extremidade e se reduz na outra. O empuxo sobre a armadura aumenta portanto em uma extremidade e se reduz na outra alternadamente, resultando em um movimento basculante em torno do seu centro, o que desloca o diafragma segundo um movimento do tipo pistão.

O tipo de construção empregado neste receptor tem a vantagem de que o fluxo magnético de polarização possui dois caminhos, um através de cada núcleo de bobina, o que reduz a relutância total do circuito magnético como mostra a figura 2.8.

Na figura 2.9 que representa o circuito elétrico equivalente, as relutâncias estão representadas por meio de resistências elétricas, os ímãs são representados por baterias CC e as espiras por fontes CA. Os fluxos contínuo e alternado do circuito magnético estão representados por correntes contínuas e alternadas (indicadas respectivamente pelas setas cheias e tracejadas). Nas figuras 2.8 e 2.9 são mostradas apenas as relutâncias do entreferro Rg, porque as relutâncias da armadura e das peças polares são

comparativamente pequenas, de modo que o trabalho fica limitado ao ajuste do entreferro para um valor mínimocompatível com os requisitos de estabilidade.

Figura 2.8

Figura 2.9

)

(max

2

2

.

)

(

.

B

b

2

B

2

B

2

Bb

b

2

B

2

Bb

b

2

imo

F

∆

+

−

∆

+

+

−

=

+

A redução de relutância global do circuito origina umgrande aumento de densidade de fluxo por unidade de força de magnetização (ampére-espiras), aumentando desta forma a sensibilidade global do receptor. Uma outra vantagem é que o ímã permanente de alta relutância é derivado através do circuito de fluxo CA, permitindo que estecircule por um caminho de baixa relutância. Isto resulta em uma melhoria na qualidade de voz.

A tecnologia eletromagnética é reversível e pode serempregada para o emissor e para o receptor telefônico. Considerando a Figura 2.5:

φ

- Fluxo magnético;

F - Força de atração sobre a armadura;

Fs - Fora da mola de armadura;

2

/

l

- Espaçamento do entreferro;

i - Corrente na bobina;

v - Tensão na bobina;

0

µ

- Constante de campo magnético;

Sw – Seção transversal efetiva no entreferro de ar.

A força F com a qual a armadura é atraída pelo imã é:

Circulando uma corrente alternada “i” através da bobina, então se sobrepõe ao fluxo contínuo

φ

– um fluxo alternado

φ

~ e a armadura é solicitada no ritmo da força que se altera periodicamente. No caso em que

φ

- _>>

φ

~

Resulta uma expressão para a força alternada F~ do emissor e para a tensão alternada induzida v~ do receptor segundo uma relação aproximadamente contínua com a corrente alternada i_ ou com a velocidade, segundo as expressões:

Para o emissor:

r i N S

F

w

. _ 2

. ~ _ 2

0 l

φ µ

φ

φ ₌

=

e para o receptor:

v N U

l _ 2 ~=

φ

Onde N representa a número de espiras da bobina e v a velocidade de deslocamento da membrana.

Por intermédio da seleção

φ

- _>>

_φ

~ _{(linearização), são mantidas reduzidas as distorções não} lineares que normalmente iriam aparecer (parcelas espectrais com freqüência dupla).

A constituição construtiva de um transdutor magnético pode ser realizada de forma bastante distinta, como mostram o tipo basculante (figs. 2.5 e 2.6) e o tipo de armadura em anel (fig. 2.8).

Uma vantagem dos transdutores eletromagnéticos reside no fato de poder ser obtida uma sensibilidade elevada mesmo com cápsulas pequenas. Como inconvenientes podem ser citados o ajuste complexo, instabilidade mecânica (sensível a choques, batidas) e, sobretudo a impedância indutiva fortemente dependente da freqüência.

Tecnologia Eletrodinâmica

Já em 1878 foi citado o telefone eletrodinâmico, onde a cápsula receptora apresentava este princípio, mas somente nos últimos anos, com o desenvolvimento de ímãs com grande densidade de fluxo magnético, este princípio passou a ser utilizado na fabricação, em grande escala, de cápsulas receptoras dinâmicas para aparelhos telefônicos.

O princípio da cápsula eletrodinâmica é o mesmo do alto-falante (figura 2.10). Em uma membrana móvel está fixada uma bobina que se desloca no campo de um ímã permanente. Na operação como microfone, o movimento do condutor no campo magnético induz uma tensão no condutor. Na operação como receptor o condutor desloca-se em um campo magnético constante, devido a seu próprio campo

w

S F

.

0 2

µ φ

magnético variável. O condutor pode ter a forma de uma bobina móvel, de uma fita ou pode estar aplicado diretamente na membrana.

De acordo com a construção, a sensibilidade pode variar de 0,001 a 0,3 mV / mocrobar. Uma cápsula receptora construída de acordo com o princípio dinâmico pode ser montada em um aparelho telefônico sem a necessidade de amplificação. A tensão induzida no condutor é proporcional à sua velocidade no campo magnético e, a fim de originar uma resposta plana de audiofreqüência, o condutor deve ter a mesma velocidade por unidade de pressão das ondas sonoras em todas as freqüências. A bobina móvel consiste em um número de espiras de fio fino e ela é fixada rigidamente ao diafragma, de modo que ela se desloca entre as peças polares circulares do ímã.

Na cápsula receptora (fig. 2.10) a força que opera o diafragma é obtida através da interação de um campo magnético, devido ao ímã permanente e o campo magnético devido à circulação da corrente de audiofreqüência através da bobina móvel. A construção é similar a do microfone de bobina móvel descrito acima, e uma corrente que circula na bobina móvel provoca um movimento alternado desta bobina, à qual está ligado o diafragma.

A figura 2.11 mostra um corte através de uma cápsula receptora dinâmica. Devido ao acoplamento vertical entre o campo magnético (B) e o sentido da força (F), a lei das forças na cápsula dinâmica é rigidamente linear.

F = B.l.i

onde

B - a indução magnética,

I - o comprimento da bobina móvel,

i - corrente alternada.

O campo magnético não é influenciado pelo movimento da bobina. Com isso não há perigo de instabilidade. Se for assegurado que o condutor, mesmo nas amplitudes máximas apresentadas, se desloca somente na parte homogênea do campo magnético permanente, então não se estabelecem distorções não lineares. A impedância praticamente constante do transdutor dinâmico melhora consideravelmente os pré-requisitos para um melhor casamento elétrico do telefone.

Com o aumento da sensibilidade das cápsulas emissoras e receptoras, tornou-se necessário melhorar o efeito local dos aparelhos telefônicos através da introdução de redes equalizadoras complexas. Com isso, o ruído ambiente que se superpõe à voz é mais atenuado. Em virtude da reatância capacitiva dos cabos, o circuito de compensação do telefone também deve ser capacitivo. Entretanto quando um aparelho telefônico destes é ligado a um segundo telefone através de uma linha curta e considerando que a impedância de entrada do telefone é caracteristicamente indutiva porque ele está equipado com uma cápsula magnética, então resulta um efeito local indesejavelmente forte. A reflexão intensa pelo confronto da impedância de cabo capacitiva com a impedância de entrada indutiva do telefone equipado com cápsula magnética perturba além disso nas ligações com tempos de propagação maiores como por exemplo transmissão via satélite, onde os efeitos de ecos audíveis podem prejudicar sensivelmente o fluxo de voz. A introdução de cápsulas receptoras com tecnologia dinâmica em lugar de magnética reduz em cerca de 5 dB o efeito local no meio da faixa de transmissão. Esta vantagem (condição de estabilidade do sistema e impedância independente da freqüência) constitui um fator decisivo para a tendência observada atualmente nos países industrializados de utilizar, em escala crescente, as cápsulas de tecnologia dinâmica.

Tecnologia Piezocerâmica

Esta técnica foi desenvolvida pela Siemens alemã no princípio da década de 70. 0 elemento transdutor é uma lâmina de zirconato - titanato de chumbo contatada em ambas as faces e colada sobre um disco suporte de alumínio. As flexões muito pequenas da placa suporte (fig. 2.12), originadas pela pressão acústica, desenvolvem tensões de tração ou compressão reforçada na camada de material piezelétrico, ocasionando deformações na grade de cristais polarizados. Os deslocamentos das cargas moleculares desencadeadas originam ou suprimem cargas proporcionais nos dois eletrodos, que são em seguida convertidas em tensões elétricas. Este material piezocerâmico tem grande sensibilidade e proporciona um fator de transformação de cerca de 4.10-3 _Vm2_{/N ou sejam 0,4m V/microbar.}

Figura 2.11

Com aproximadamente 18 microbar estabelecem-se portanto cerca de 7,5 mV no microfone que, com auxilio de um amplificador adicional, passa para cerca de 800 mV na saída; o fator de amplificação é portanto aproximadamente igual a 100, o que corresponde a cerca de 40 dB de ganho.

No microfone piezocerâmico a tensão é proporcional ao som induzido, sendo portanto um dispositivo linear. Esta relação linear entre a pressão acústica e a tensão do sinal originou o termo "microfone linear".

No interior do microfone o bordo do elemento transdutor e suportado de forma flexível. Seu desempenho de transmissão é compensado por meio de diferentes ressoadores que estão acoplados acusticamente ao vibrador. Aplicando uma pressão acústica de 1 Pa (1 Pa = 1 N/m2 _{= 10 microbar}

correspondendo a um nível de pressão sonora de 94 dB referido ao limiar de audibilidade a 1 kHz), obtem-se uma tensão de circuito aberto de aproximadamente 3 mV na saída do elemento transdutor. A impedância do elemento transdutor corresponde a um capacitor de aproximadamente 60 nF.

O princípio do transdutor piezelétrico é mostrado na figura 2.13. Considerando F a força que atua sobre o cristal, v a velocidade de atuação, d a espessura do cristal piezelétrico, i a corrente circulante, V a tensão aplicada, x o espaçamento entre os dois eletrodos, e a constante piezelétrica e

ξ

a constante dielétrica, podem ser considerados dois casos : acoplamento vertical e acoplamento paralelo.

No acoplamento vertical entre a força F e o campo elétrico E é válida a seguinte expressão para o receptor:

v

d

S

e

i

ou

jw

eE

V

=

=

ξ

Para o emissor existe, neste caso, uma lei força-tensão rigidamente linear ou seja:

V

d

eS

F

=

No caso de acoplamento paralelo entre a força e o campo elétrico é novamente linearisada a primitiva lei quadrática força-tensão através da aplicação de uma carga contínua elevada.

Os novos materiais de cerâmica piezelétricos (como p. ex. zirconato - titanato de chumbo) possuem grandes vantagens com relação aos cristais já conhecidos como sejam fabricação simples e

grande sensibilidade. Comparado aos transdutores

eletrostáticos, o transdutor apresenta impedâncias muito menores, o que simplifica a adaptação aos amplificadores.

O elemento básico de um microfone piezelétrico é uma placa piezelétrica flexível, formada por um suporte metálico no qual é colada a piezocerâmica, que converte o som incidente em uma tensão elétrica de saída, equivalente. Esta é amplificada para o nível requerido através de um amplificador de microfone integrado. Para tornar a cápsula independente da polaridade e para a proteção do amplificador do microfone contra sobretensões é utilizada uma ponte de diodos. A característica sensibilidade - freqüência desejada é obtida com auxílio de ressoadores acústicos e materiais amortecedores. Os ISR situam-se em torno de 0 dB ou -3 dB e o fator de transferência do transdutor piezelétrico isolado é cerca de 3 mV/Pa.

A cápsula emissora é protegida contra interferência de RF por meio de blindagem metálica e capacitor de isolamento.

Recentemente são conhecidos também outros materiais piezelétricos como p. ex. lâminas de fluoreto de polivinila. Da mesma forma que os transdutores de eletreto, os transdutores com estas lâminas podem ser sintonizados para uma freqüência de ressonância de membrana elevada, mas possuem impedância menor do que aquela. Este princípio já é empregado em receptores mas ainda é problemática a sua estabilidade a longo prazo.

Figura 2.12

Ao contrário da cápsula de carvão, a cápsula emissora piezocerâmica, da mesma forma que as demais cápsulas telefônicas de tecnologias lineares, apresentam apenas perdas de corrente alternada em função do comprimento da linha utilizada. A amplificação incorporada no circuito da cápsula permite ajustar o nível de sonoridade desejado. Uma outra vantagem reside no fato de que este nível varia menos de 1 dB para uma variação de corrente CC na linha entre 10 mA e 100 mA. Isto permite aumentar o alcance de transmissão em linhas longas e melhorar sensivelmente a qualidade do sinal transmitido.

A distorção harmônica é baixa, em geral inferior a 1% para uma pressão acústica de 1 Pa (10 microbar) e correntes acima de 15 mA. O ruído intrínseco se mantém invariável em torno de 0,15 mV. O microfone piezocerâmico apresenta grande estabilidade e mantém os seus valores técnicos de transmissão mesmo para uma conversação de grande duração ou para uma variação da posição do microfone. O nível de sonoridade também varia menos de 2 dB para variações de temperatura entre 0oC e 40oC com borrifos de vapor d'água de hora em hora, durante 7 dias.

Para a obtenção de um grau de sensibilidade suficientemente alto, a ressonância do sistema oscilante (elemento transdutor + flexibilidade dos bordos + volume de ar acoplado) situa-se no centro da faixa de transmissão de 200 Hz a 3.400 Hz. O excesso de sensibilidade de até 30 dB na freqüência de ressonância básica (em torno de 1,5 kHz para um volume de acoplamento de aproximadamente 1 cm3_{) é}

reduzido por meio da sintonização precisa de ressoadores de Helmholtz, representados neste tipo de emissor por fendas muito estreitas no suporte (aproximadamente 70 microsegundos) atrás do elemento transdutor e que oferecem alta fricção ao fluxo de ar.

A sensibilidade na faixa de freqüências acima de 2 kHz é reduzida por meio de um anel de amortecimento na antecâmara, que também amortiza a sensibilidade excessiva de ressonâncias em torno de 5 kHz.

A expectativa de vida MTBF ("Mean Time Betwen Failing") é de aproximadamente vinte anos.

Tecnologia de Eletreto

O eletreto é um material que, após receber uma carga elétrica, retém esta carga ou parte da mesma. Há vários anos já foi observado que as propriedades do eletreto se assemelhavam àquelas de um ímã permanente, sem que fosse possível uma comprovação prática.

Atualmente os elementos de eletreto utilizam filmes polímeros com apenas alguns microns de espessura e de configuração ideal para diafragmas de microfones. A figura 2.14 mostra um diafragma da secção transversal de um microfone utilizando o princípio do eletreto. Este microfone compõe-se essencialmente de um diafragma de eletreto metalizado localizado a uma distância definida (p. ex. 70 microns) na frente de uma chapa condutora. Sua operação lembra a de um microfone de capacitor, porém sem a necessidade de uma tensão de polarização.

Como filmes polímeros são utilizados polímeros fluoretados de teflon (FEP), aluminizados em uma face, com cerca de 13 microns de espessura. O filme é submetido a um campo eletrostático de até 100 volts por meio de uma das quatro técnicas: feixe de elétrons, descarga - corona, termocarga ou fio de lâmina.

Princípio de Operação: A carga elétrica q está associada com a capacitância C e à uma tensão de polarização V de acordo com a equação:

A proximidade do filme de eletreto com a placa posterior resulta na variação da capacidade C

determinada pela distância d entre a placa posterior e o filme de eletreto. O flexionamento do filme de eletreto e conseqüentemente do diafragma resulta na variação de C em concordância como movimento do diafragma. Ocorre aí uma variação correspondente da tensão V em forma de uma força eletromotriz em série com a capacitância. É necessário pré-tensionar o diafragma a fim de estabelecer oposição à atração eletrostática que existe entre ela e a placa posterior. O volume de ar posterior proporciona um amortecimento contra a ação do diafragma sob a ação da voz. Como a carga e a capacitância são ambas proporcionais à área do diafragma, os valores assumidos por V e suas variações independem basicamente da área do diafragma.

Como o diafragma consiste de um filme plástico muito fino, ele é muito leve. Logo a sua freqüência de ressonância natural é alta, o que proporciona uma curva de resposta relativamente plana. É esta característica particular que torna este microfone bastante popular para aplicações de alta fidelidade. Em telefonia, onde a rede de telecomunicações utiliza uma faixa de 300 Hz a 3.400 Hz, torna-se necessário um corte adequado das altas freqüências. Para isso, é introduzida uma atenuação acústica na abertura sonora

Figura 2.14

do microfone. Na parte baixa da faixa de voz também é desejável certa declividade da curva de resposta afim de compensar a atenuação do cabo e obter uma reprodução natural do som. O corte nas baixas freqüências também previne a penetração de ruído de baixa freqüência.

Construção: Atualmente são conhecidos quatro métodos de carga de eletreto:

a) Processo de termocarga: neste processo o filme é colocado entre dois eletrodos e é aquecido até próximo a ponto de amolecimento, conforme for aumentada a tensão através dos eletrodos. Vem em seguida um ciclo de resfriamento.

b) Processo de feixe de elétrons: no processo de feixe de elétrons o filme é carregado por intermédio de um bombardeio de elétrons.

c) Processo de descarga- corona: neste processo o filme é submetido ao efeito - corona a partir dos eletrodos adequadamente moldados.

d) Método do fio de lâmina: neste método o filme entra em contato íntimo com o fio de uma lâmina, o que permite injetar a carga diretamente no dielétrico em virtude do alto campo elétrico existente através do filme.

Como proteção contra a umidade, o seu maior ofensor, é em geral utilizado um disco protetor de melinex montado na frente da superfície aluminizada.

As dimensões dos microfones de eletreto são em geral multo pequenas e o diâmetro é cerca de 15mm. Entretanto pode ser conveniente um diâmetro maior de por exemplo 25mm, pois uma capacitância maior reduz a impedância mas não aumenta necessariamente a sua sensibilidade.

O ganho do microfone de eletreto é cerca de 20 dB menor que a de um microfone de carvão típico, de modo que ele requer amplificação. Como a impedância do transdutor é alta, a impedância de entrada do amplificador deve ser em torno de 10 megaohms. O casamento de Impedância é obtido com auxílio de um transistor de efeito de campo (FET) como estágio de entrada sendo que o conjunto do microfone com amplificador pode ser montado em uma só unidade que substitui o microfone de carvão nos atuais projetos de telefones.

No microfone de eletreto a característica de resposta de freqüência é de fácil controle por meios eletroacústicos e elétricos. Também a distorção harmônica é muito menor no microfone de eletreto do que no microfone de carvão.

Para a conversão da pressão sonora em uma tensão elétrica ou vice-versa é aproveitada uma variação de capacitância entre uma membrana leve, condutora e um contra-eletrodo fixo (fig. 2.15).

Chamando do U a tensão de polarização, S a superfície, I o espaçamento entre eletrodos, i a corrente, u a tensão e F a força entre eletrodos, pode ser afirmado que: a força F é proporcional ao quadrado da carga eletrostática Q.

l

Z C U S Q F

2 2

2 =

=

ξ

Ao ser aplicada uma tensão de entrada elevada (tensão de polarização) U>>u, resulta para o emissor:

v U C F

l

_

=

Neste caso a força fica aproximadamente proporcional à tensão do sinal. Para o receptor resulta:

jw U C i

l _

= ou u vU jw

l _

=

onde jw é a freqüência de circuito, complexa, e v é a velocidade.

A vantagem do transdutor eletrostático está no fato de que a sua membrana é muito fina e portanto a sua ressonância própria pode ser posicionada acima da faixa de transmissão, o que possibilita uma variação plana da freqüência nesta faixa. Conseqüentemente todos os microfones de medição de alta qualidade são microfones de capacitor. A sua sensibilidade é relativamente baixa, enquanto a sua impedância é alta, o que requer um amplificador de sinal com entrada de alta resistência (alguns megaohms). No eletreto uma camada fina de fluorcarbonato dispensa a tensão de entrada alta pois a carga fica retida pela polarização. Os microfones de eletreto são amplamente utilizados na eletrônica de entretenimento, como p. ex. em gravadores de som.

O ruído intrínseco medido psofometricamente é menor do que -80 dB e o microfone opera entre 10 mA e 110 mA de corrente CC sem afetar basicamente a sua eficiência. Ao contrário da cápsula de carvão, a sua confiabilidade é alta, o que faz com que a curto e médio prazo esta tecnologia seja promissora. A longo prazo deve dar lugar a uma tecnologia reversível ou seja, aplicável tanto a cápsula emissora como receptora de aparelhos telefônicos.

Dadas as suas pequenas dimensões e custo baixo, esta tecnologia se presta para alguns tipos de terminais telefônicos como o aparelho de operadora, o telefone de viva-voz e a secretária eletrônica. Também apresentam interesse especial na substituição da cápsula emissora de carvão, também irreversível, com a vantagem de estabilidade maior e excelentes características de transmissão.

Tecnologia Piezoplástica (PVDF)

A ação piezelétrica em plásticos sintéticos foi observada pela primeira vez em 1968 quando E. Fukuda demonstrou o efeito piezelétrico no poliestireno metracrilato e no polipropileno. Um ano depois H. Kawai mostrou que as películas de fluoreto de polivinilideno (PVDF) poderiam tornar-se piezelétricas se fossem esticadas e em seguidas fossem submetidas a um campo elétrico intenso e a uma temperatura elevada, sendo o campo elétrico mantido durante o resfriamento da película. Desta forma foram obtidos coeficientes piezelétricos da ordem de 1 pCN-1 onde pC = picoCoulomb, N = newton.

O filme de PVDF polarizado retém também a carga elétrica superficial, da mesma forma que o eletreto, mas não retém a carga da forma como é retida pelo teflon FEP. Entretanto o efeito piezelétrico persiste, mesmo com o desaparecimento da carga superficial. Uma lâmina de PVDF mantém praticamente o efeito piezelétrico constante após dois anos, em temperatura de 130°C, enquanto no teflon FEP a carga superficial já desaparece após alguns dias, quando submetido a uma temperatura de 80°C.

Experiências realizadas na Inglaterra mostraram que uma película de PVDF com 25 microns de espessura, esticada em dois sentidos perpendiculares segundo um fator 5 e submetida a um campo elétrico de 5 kV a 80°C, apresenta coeficientes piezelétricos de 6 a 8 pCN-1. Estes valores são bastante estáveis, mesmo sob temperaturas elevadas e alta umidade. Isto permite prever, para o microfone de PVDF, uma perda menor que 5 dB em 25 anos, ao contrário do microfone de carvão, cuja perda média é de 0,7 dB/ano. O transdutor piezoplástico de PVDF é reversível e pode ser empregado como microfone ou como receptor.

O microfone de PVDF utiliza um elemento transdutor básico que age como diafragma, consistindo de duas películas de PVDF eletricamente polarizadas em sentidos opostos e ligadas em série (série bimorfa). As duas películas são pressionadas uma contra a outra e são suportadas em um arranjo fixo por pressão nas extremidades, entre duas placas de policarbonato com 3 mm de espessura e com vários furos coincidentes, com 6 mm de diâmetro. A espessura total da película de 50 microns assegura um autosuporte dos discos de PVDF que reagem mecanicamente como placas rígidas. Os discos são isentos de tensão e não apresentam deformação plástica.

As ondas sonoras que incidem nos discos provocam flexionamento e o conseqüente efeito piezelétrico origina uma saída elétrica em dois terminais externos. Um circuito integrado montado em um circuito impresso desacoplado por um capacitor de 0,22 microfaraday se encarrega da amplificação do sinal elétrico e do casamento de impedância com o transdutor e com o circuito telefônico. Este circuito também incorpora regulagem automática do ganho (cerca de 40 dB) dentro do enlace de linha do assinante. Este microfone é projetado de forma intercambiável com o microfone de carvão e utiliza a mesma corrente de alimentação assegurando desta forma a compatibilidade com as centrais eletromecânicas. A figura 2.16 mostra o diagrama esquemático de um microfone de PVDF.

O desempenho eletroacústico global do microfone é controlado pelas dimensões dos discos do transdutor plástico, do tamanho dos furos para a entrada do som e do volume e da impedância acústica da cavidade frontal de ressonância. As cavidades possibilitam uma ressonância em torno de 2 kHz o que eleva a resposta nas freqüências médias. A resposta de baixas freqüências é determinada eletricamente, sendo formado um filtro passa alta constituído pela capacitância do transdutor C e a resistência de entrada R do pré – amplificador.

A freqüência de corte para -3 dB, fc = 1/2 p RC, é cerca de 1 kHz para este microfone, para o casamento de impedância. Isto converte a impedância de entrada intrinsecamente alta do transdutor, para cerca de 50 kiloohms. A ligação do eletrodo central para o pré-amplificador é feita com um fio fino curto a fim de minimizar efeitos de indução e efeitos capacitivos, permitindo ainda a montagem do circuito próximo à caixa do microfone.

Os microfones de gradiente de pressão são mais sensíveis a ondas esféricas do que a ondas planas e conseqüentemente eles discriminam fontes sonoras distantes e estranhas em favor de ondas sonoras de voz, basicamente esféricas, próximas à boca. Logo a característica polar em oito, associada aos microfones de gradiente, também melhora a razão sinal/ruído.

A curva de resposta de um microfone de PVDF medida a 10 mm da saída de uma voz artificial. A sensibilidade a 1 kHz é de -65 dB V/Nm2 e é função da atividade piezelétrica. A curva de resposta mostra a declividade esperada nas baixas freqüências e um corte agudo nas altas freqüências. Caso seja desejado, a largura da faixa de freqüências pode ser estendida para freqüências mais altas, reduzindo os diâmetros dos discos ressonantes.

Os microfones de gradiente de pressão de baixa impedância dependem do mecanismo de transdução eletromagnética e naturalmente tornam-se especialmente sensíveis a campos magnéticos variáveis, o que requer providências de blindagem dispendiosas e por vezes complexas, o que não ocorre nos microfones plásticos onde ensaios realizados mostraram que ele é insensível a campos alternados de 400 Hz até 2 GHz. A força eletromotriz situa-se bem abaixo do ruído elétrico do amplificador FET utilizado no sistema.

A estabilidade do elemento transdutor de filme parece ser alta de acordo com experiências realizadas, não tendo sido constatadas variações sensíveis no microfone. A massa efetiva do elemento móvel é de somente 1,3 x 10-2 kgm2, a inércia é muito pequena e o microfone é insensível à virações de corpos sólidos.

O transdutor de PVDF se enquadra no grupo que inclui a cerâmica piezelétrica e o eletreto de carga superficial. Como microfones todos são insensíveis aos campos magnéticos. O microfone do polímero piezelétrico é insensível a ruídos de fricção causados por manuseio pois a lâmina, muito fina, possui uma impedância acústica baixa comparável e controlável pela impedância do ar. Ao contrário a cerâmica piezelétrica tem alta impedância mecânica e precisa apresentar uma boa equiparação com a caixa onde está montada, sendo portanto sensível a ruídos de fricção e de manuseio.

São dadas a seguir na tabela 2.3 algumas características comparativas de cápsulas da chamada terceira geração.

TABELA 2.3

PROPRIEDADES PVDF ELETRETO PIEZOCERÂMICA

Saída do microfone com pressão de 1 Pascal 2 mV 2mV 5 mV

Saída de recepção com entrada de 1 volt Capacitância 90 dB 5.000 pF 50 pF 95 dB 50.000 pF

Uma temperatura de 70°C não afeta a cerâmica piezelétrica; o polímero piezelétrico não será afetado se as condições de polarização estiverem de acordo com os limites convencionais de 100°C, mas o eletreto com carga superficial tem um tempo de queda de apenas 100 dias à 70 °C.

O PVDF parece ser atualmente o material que engloba as características mais propícias para uso como transdutor reversível de cápsulas telefônicas, por ser um transdutor praticamente ideal, de baixo custo e com características elétricas e eletroacústicas desejáveis. Ainda persistem algumas dificuldades técnicas o que ainda requer alguns anos para a sua implantação.

Tecnologia Eletrostática

A tecnologia eletrostática, aplicada aos microfones. capacitivos, baseia-se no princípio da capacitância variável entre duas placas paralelas, que varia Inversamente com a distância entre as placas.

Os elementos essenciais do microfone são um diafragma tencionado, atrás do qual existe uma placa fixa, formando um capacitor com uma camada fina de ar que atua como dielétrico. Quando as ondas sonoras incidem no diafragma, o espaço de ar entre as placas do condensador e conseqüentemente a capacitância, sofrem variação. As placas do capacitor são carregadas por meio de uma fonte de tensão constante de polarização. A variação da carga é acompanhada por um fluxo de corrente que entra e sai do capacitor de acordo com o movimento do diafragma, convertendo a voz original em uma onda elétrica. O espaço de ar entre as placas é em geral igual è 0,05 mm nos tipos de microfones modernos, de modo que a capacitância que se estabelece é pequena e qualquer variação resulta em uma saída também pequena.

Obtem-se uma boa resposta de freqüência para uma freqüência de ressonância natural do diafragma, na situação livre no ar, entre 10 Hz e 20.000 Hz, assegurando uma resposta uniforme ao longo de uma ampla faixa de áudio freqüências.

A figura 2.17 mostra uma forma de microfone eletrostático. O diafragma é de vidro, com espessura em torno de 0,05 mm, em cuja superfície é aplicada, por vaporização, uma camada de ouro. A camada de

ouro, juntamente com a superfície superior do eletrodo posterior, constitui a capacitância do microfone. O intervalo entre o diafragma e o eletrodo posterior é cerca de 0,025 mm. O isolamento intereletrodos evita a ocorrência de um curto-circuito mesmo em condições adversas. A capa e os furos no mesmo, servem tanto para a proteção como também como rede acústica para altas freqüências, para a definição da impedância acústica.

O microfone apresenta um diâmetro menor que uma polegada e portanto não perturba o comportamento em campo livre.

Com base em uma expressão matemática pode ser apreciada a operação teórica do microfone. No caso de placas paralelas tem-se:

d A E C =

ξ

r 0

onde

C = capacitância em Farad;

r

ξ

= permissividade relativa do dielétrico; 0

ξ

= permissividade do espaço livre;

A = superfície das placas em metros quadrados; d = distância entre as placas, em metros.

Caso o dielétrico do capacitor seja de ar,

ξ

_r= 1 e d, à distância entre as placas, pode ser escrita como x0 + x sen wt, onde x representa o estado de equilíbrio ou seja, a distancia estática entre as placas, e X senwt representa a variação senoidal da distancia originada por uma onda sonora com uma freqüência de w radianos por segundo. Portanto em cada instante t tem-se:

considerando x/x0pequeno:

0 0 1 0 0 0 C x x eC x A

C =ξ =

e portanto:

wt

C

C

C

=

0

+

1

sen

Co representa a capacitância estática, enquanto C1 representa a variação na capacitância, causada pelas ondas sonoras.

Considerando agora o microfone ligado, através um resistor, com a fonte de potencial CC como mostra a figura 2.17:

Admitindo a corrente no circuito segundo i = I senwt e a carga Q do capacitor Q = CV = C (E - iR).

Como:

∫

= idt Q Resulta:

∫

= = idt C iR E 1

que é equação fundamental do microfone capacitivo porém a sua solução não precisa abordar este estágio.

A saída da maioria dos microfones possui um nível tão baixo, que torna necessário um pré amplificador antes que os sinais de voz atinjam um nível de entrada suficiente para serem aplicados a um amplificador de potência. No caso do microfone capacitivo, este pré amplificador deve estar situado na extremidade dos fios do microfone, sendo que os fios tem um efeito de mascaramento sobre as variações de capacitância do microfone. Conseqüentemente o estágio pré amplificador é usualmente incorporado ao