Practica 2 Electroacustica y Tranductores Up

 

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL  NACIONAL  ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA. (ESIME ZACATENCO)

Electroacústica y Transductores  Transductores 

Practica

“

ediciones en micrófonos” 

Alumno

Octavio Gallegos Chaires

Boleta

2011301365

Grupo: 7CV7

 

 

Practica No. 2 Mediciones en micrófonos Elementos .

Objetivo:   Aplicar los conocimientos teóricos provistos en clase entre ellos los cálculos con la Objetivo: finalidad de diseñar de un altavoz de 8 pulgadas. Observar los diferentes fenómenos que se presentan al tenerlo en una caja acústica, como lo es la resonancia, además el alumno aprenderá a tomar diversas mediciones de frecuencias para graficar y obtener diferentes impedancias.

Introducción La electroacústica se ocupa del estudio, análisis, diseño y aplicaciones de dispositivos que involucran la conversión de energía eléctrica en acústica y viceversa, así como de sus componentes asociados. Entre los primeros se encuentran los transductores, tales como micrófonos, acelerómetros, altavoces, excitadores de compresión, auriculares, audífonos, calibradores acústicos y vibradores; y, entre los segundos, los filtros acústicos, los sonodeflectores (bafles), las bocinas y los acopladores acústicos. Para el análisis de estos componentes se introducirán técnicas de modelado por medio de circuitos mecánicos y acústicos, que podrán resolverse con las técnicas habituales de la teoría de redes eléctricas.

Altavoces La primera patente de un transductor dinámico de bobina móvil data del año 1877 y fue registrada por Ernst Siemens En esta misma década, Antonio Meucci Inventó, y más tarde Alexander Graham Bell, el teléfono, la primera aplicación sonora del transductor de Siemens. Varias décadas después, en 1925, Chester Rice y Edward Kellogg, investigadores de la compañía General Electric, desarrollaron un informe en el que se impuso el principio de funcionamiento de un altavoz de bobina móvil. A partir de ese momento, y hasta nuestros días, se trata del tipo de altavoz a ltavoz más utilizado, ya que con él se consiguen las mejores presentaciones en cuanto a niveles de distorsión y fidelidad en general.

Descripción General Un altavoz es un dispositivo transductor capaz de convertir energía eléctrica en energía acústica; se radia a un medio elástico, como puede ser el aire. A este dispositivo se le llama transductor electroacústico. La transducción de energía se hace en dos fases:

 

 

Transductor electro-mecánico (motor formado por varios elementos, entre los que destacan la bobina y el imán)   Transductor mecano acústico (cono, radiador, bocina o diafragma)

Los altavoces deben tener la capacidad de producir suficiente nivel de presión acústica y, además. Han de ser fieles a la señal a reproducir. A su vez, existen muchos tipos de altavoces según su construcción y principios de funcionamiento. Principalmente, encontramos los de tipo piezoeléctricos, electroestáticos y electrodinámicos. En sonido profesional, estos últimos son los más utilizados.

Tipos de altavoces Altavoz dinámico El altavoz dinámico de bobina móvil es el transductor electroacústico más generalizado y popular. Se emplean en los receptores de radio y televisión, en las instalaciones de amplificación, en los interfonos, así como en los teléfonos y auriculares de calidad. Un altavoz dinámico está compuesto por las partes que se indican en la siguiente figura. A destacar: el imán permanente y la bobina móvil, ya que son el corazón de este tipo de altavoces.

 

La campana o chasis, junto con el imán permanente forman un conjunto rígido que sirve como soporte para todas las demás piezas del altavoz. Es importante que este conjunto no llegue a deformarse porque ocasionaría problemas en el sonido emitido por el altavoz. La campana se suele fabricar con chapa delgada a la cual se le añaden nervaduras para aumentar su rigidez sin aumentar significativamente su peso. Se acostumbra a recubrir con una capa galvanoplástica para evitar su oxidación. El imán permanente es el excitador del altavoz. Suelen estar fabricados con óxidos ferromagnéticos que permiten generar campos magnéticos muy superiores a los generados por los imanes clásicos, además de ser más livianos que estos. El cono, la araña, la bobina móvil y la tapa de retención del polvo forman parte del conjunto móvil que será, finalmente, unido a la campana. Los conos han de poseer una cierta rigidez y, a la vez, han de ser livianos para permitir un desplazamiento lo más ligero posible. Es por ello que se acostumbran a fabricar utilizando materiales fibrosos como la pulpa de papel o la fibra de carbono. La araña, tiene como misión centrar la parte inferior del cono y la bobina, permitiendo que el conjunto tenga una gran flexibilidad en sentido axial. La tapa de retención del polvo evita que se pueda acumular el polvo en la zona comprendida entre la bobina y el imán permanente (entrehierro) evitando así efectos indeseados por dicha circunstancia. Esta tapa es únicamente una protección, cualquier altavoz sin esta tapa o con ella dañada podría seguir funcionando perfectamente. La bobina móvil es una de las partes más delicadas en este tipo de altavoces. Consta de un tubo cilíndrico, de papel barnizado o aluminio, sobre el cual va un bobinado de hilo conductor (habitualmente cobre barnizado). Esta bobina, junto a su soporte, debe ser livianos y robustos a la vez, ya que, además del movimiento mecánico al que están expuestos, las temperaturas que llegan a generarse en esa zona suelen ser bastante elevadas. En ocasiones pueden llegan a superar los 200º 200 º Centígrados. Los altavoces dinámicos pueden fabricarse para responder a los tonos graves, a los medios o a los agudos. La potencia irradiada y la gama de transmisión privilegiada vienen determinados por la superficie de la membrana. Los de graves poseen una gran membrana, mientras que en los de agudos la membrana es pequeña.

Altavoz electroestático Tiene un diagrama muy ligero, que es la cara móvil de un condensador, generalmente grande, plano y fabricado con poliéster. A su alrededor, se encuentran otras placas que actúan como condensador y permiten el paso de la señal acústica.

 

Su principio de funcionamiento está basado en un efecto capacitivo; ante una variación de polaridad, la placa móvil tendrá a acercarse o alejarse de una de las placas fijas.

Altavoz electroestático

Altavoz piezoeléctrico El altavoz piezoeléctrico es un tipo de altavoz basado en las propiedades de los cristales piezoeléctricos (poliéster o cerámica) los cuales tienen la peculiaridad de deformarse cuando se les l es aplica una tensión eléctrica. eléctrica. Gracia Graciass a esto podemos crear sonido sonido si colocamos algo capaz capaz de canalizar y hacer de pequeña caja de resonancia. Estos altavoces son simples, baratos y consumen muy poco. Lo cual los hace perfectos para incluir un elemento sonoro en nuestros proyectos, ya sea como sistema de alarma, como interfaz o simplemente para hacer sonar una melodía cuando queramos. Su gran contra es que son incapaces de reproducir frecuencias bajas, por lo que si necesitamos sonidos más graves necesitaremos utilizar otro tipo de altavoces.

 

 

Circuitos acústicos Un sistema acústico está formado, en general, por una interconexión de conductos y cavidades de diversos tamaños y formas y por elementos porosos o celulares. La idea de reemplazar estos elementos simples por componentes equivalentes utilizables en un circuito se enfrenta con la dificultad de que a causa del comportamiento ondulatorio del sonido el campo acústico no es uniforme. Ellolaimplica uncorriente componente puede estar caracterizado dos únicasenvariables como lo son tensiónque y la en elnocaso eléctrico o la fuerza y por la velocidad el caso mecánico. Cuando las dimensiones físicas de estos componentes son mucho menores que la longitud de onda, sin embargo, es posible hacer una aproximación similar a la que se efectúa habitualmente en los circuitos eléctricos que permite realizar un tratamiento con parámetros concentrados. 8 En el caso acústico convendrá seleccionar como una de las variables fundamentales la presión, P. Para satisfacer el criterio de que el producto de las dos variables elegidas sea una potencia, la otra variable debe ser un caudal, simbolizado q. Igual que en el caso mecánico, es posible adoptar dos analogías: la analogía tipo movilidad acústica y la analogía tipo impedancia acústica. Consideraremos Consideraremos únicamente esta última, según la cual:

En el caso acústico existe acuerdo unánime en utilizar esta analogía, ya que el caudal es un flujo de materia al igual que la corriente lo es de carga, en tanto que la presión puede fácilmente asimilarse a la tensión, ya que es posible hablar de caídas de presión. Consideraremos, en las secciones que siguen, cada uno de los elementos básicos de un sistema acústico concentrado, estudiando las relaciones entre el caudal y la presión en cada uno de ellos y las correspondientes analogías circuitales.

 

Masa acústica o inertancia Una masa acústica, o inertancia, es una pequeña masa de aire capaz de desplazar- se sin compresión apreciable. El caso más típico lo constituye el aire dentro de un pequeño tubo cuyas dimensiones transversales y longitudinales son mucho menor que la longitud de onda. Si la longitud l  del  del tubo es menor que /36, la presión sonora dentro del tubo es constante con un error menor del 1%. Para una frecuencia de 1 kHz esto corresponde a un tubo de 1 cm de largo. Admitiendo un error del 5%, la longitud admisible se duplica. q  f

 A m 

ma

u

+

l



 p A la izquierda, una masa acústica. En línea de puntos se ha remarcado que la masa de aire se desplaza en bloque. A la derecha, su equivalente circuital.

Dado que la masa, que denotaremos con m, se desplaza en bloque (es decir, con la misma velocidad en todos sus puntos), podemos aplicarle globalmente la segunda ley de Newton:  f (t ) = m a(t ))..

En nuestro caso la fuerza es la presión existente en el extremo del tubo10 multiplicada por el área A de la sección transversal del tubo, y la aceleración es la derivada de la velocidad u:  p(t ) A = m u´(t ))..

Dado que buscamos una relación entre la presión y el caudal, podemos hacer aparecer este último multiplicando la velocidad por la sección del tubo:  p(t ) A2  = m u´(t ) A = m q´(t )

Por último:

El valor

Es la masa acústica o inertancia. Reemplazando resulta   p(t ) = Ma q´(t ) 

Aplicando Laplace P(s) = Mas Q(s)

 

Esta expresión análoga V (s) = Ls I(s) 

Compliancia Acústica Una compliancia acústica es una pequeña masa de aire capaz de comprimirse o expandirse sin desplazamiento apreciable. Un caso típico es el aire dentro de un pequeño tubo cerrado en un extremo. Otro, el aire en una cavidad con un pequeño orificio. En cualquier caso las dimensiones de la cavidad deben ser muchos menores que la longitud de onda a los efectos de garantizar que la presión aumenta uniformemente en todo el volumen de gas. Igual que en el caso de la masa acústica, bastará que la dimensión máxima de la cavidad sea menor que /36 para un error del 1%. El comportamiento dinámico de la compliancía responde a la ley de compresión adiabática:

A la izquierda, una complacía acústica. El caudal que ingresa in gresa se utiliza exclusivamente para comprimir co mprimir el aire encerrado, no para ocasionar un movimiento neto. A la derecha, equivalencia circuital correspondiente a una complacía acústica

En nuestro caso, P es la presión sonora  p, P es la presión de equilibrio, es decir, la presión atmosférica Po, V es el volumen de la cavidad y V es el opuesto del volumen ingresado debido al caudal q. En efecto, dado que el volumen total de la cavidad se mantiene constantemente igual a V (dado que las paredes de la cavidad son rígidas), el volumen inicial de gas se ha reducido debido al ingreso de caudal externo. El volumen ingresado es, simplemente, la integral del caudal. Sustituyendo estos valores se obtiene:

Aplicando Laplace

Que corresponde a:

 

Resistencia acústica La resistencia acústica es el resultado de la presencia de una fricción viscosa interpuesta en el recorrido de la onda sonora. Ejemplos típicos son una constricción o angostamiento de un conducto, o una malla de trama fina o material poroso como la lana de vidrio, la lana mineral, las espumas poliuretánicas o el metal sinterizado.

q  p1 

 p2 

 A

q

l

+  p1 

q

Ra 

 p



 p2 

A la izquierda, dos ejemplos de resistencias acústicas. A la derecha, equivalencia circuital.

 

La resistencia acústica responde a la siguiente ecuación:  p(t ) =  p1(t )   p2(t ) = Ra q(t )

O en versión transformada P(s) = Ra Q(s)

Si el tubo no es muy estrecho, la fricción tiene importancia solamente en la denominada capa límite, es decir, una delgada película alrededor de la superficie interior del tubo. Fuera de la capa límite la onda es casi plana y por lo tanto no hay movimiento relativo entre capas deslizantes. El espesor  de la capa límite, que depende de la frecuencia, puede calcularse mediante la expresión (Ingard, 1953)

Impedancia acústica Los componentes acústicos quedan caracterizados por su impedancia acústica, de- finida como el cociente entre las transformadas de Laplace de la presión pr esión y el caudal.

 

  En el caso en que las señales sean senoidales se puede trabajar fasorialmente, y entonces puede considerarse la impedancia acústica compleja, definida como el cociente entre los fasores de presión y de caudal:

Para los casos de una masa acústica, una compliancia acústica y una resistencia acústica se tienen, respectivamente.  Z a(s) = Mas,

Igual que en los casos eléctrico y mecánico, el concepto de impedancia puede generalizarse para cualquier combinación de estos componentes, como veremos luego. En muchos casos es de interés la impedancia acústica específica,  Z aaee, definida como el cociente entre la presión P y la velocidad U (en lugar del caudal). Ello sucede cuando interesan las propiedades locales del campo acústico. Para una onda plana atravesando un área A podemos establecer la siguiente relación entre la impedancia acústica y la impedancia acústica específica: específica:  Z ae ae  =  A Z a

Generadores acústicos En el caso de los sistemas acústicos, será necesario contar con generadores capa- ces de introducir señal. Las dos formas esenciales serán el generador de presión y el generador de caudal. Un generador ideal de presión será un dispositivo que aplica una presión independientemente del caudal absorbido por el elemento al que la aplica. Un generador ideal de caudal, en cambio, imprime un caudal en forma independiente de la presión que deba ejercer para ello. La simbología utilizada corresponde a los generadores de tensión y corriente de los circuitos eléctricos.

 p(t )

+

q(t )

Simbología para los generadores ideales de presión y caudal.