Aprenda algumas coisas de microfones

I. IMPEDNCIA

Estas relações mantém a resposta em freqüência mais uniforme garantindo também uma transferência de tensão maior entre fonte e carga.

Impedâncias muito baixas fazem com que o microfone dissipe muita potência, quando sons incidem sobre a membrana, aumentando a probabilidade de distorções. Já impedâncias maiores fazem com que sua performance seja melhor, no entanto, pode-se perder freqüências mais altas, causar oscilações nos circuitos internos do microfone e aumentar a captação de ruídos nos cabos.

Existem alguns pré-amplificadores que possuem seleção da impedância de entrada variando entre 50 a 600 Ohms (valores referentes `as impedâncias das fontes). A vantagem disso é o melhor desempenho para cada microfone utilizado.

Em alguns manuais de microfones encontram-se duas impedâncias, uma de fonte, que é a do microfone e outra sendo impedância de carga ideal para o pré de microfone utilizado.

As impedâncias são referenciadas a 1000 Hz, já que esta grandeza varia com a freqüência. Há um aumento progressivo da impedância com o aumento da freqüência ocasionando um filtro passa baixa que é alterado com a inserção do cabo para microfone, conectores e pré onde este microfone será conectado.

Figura 1. Impedância ( Z out e Z in )

IV. TRANSFERÊNCIA DE TENSÃO ENTRE FONTE E CARGA

Como foi dito utilizamos impedâncias de carga entre 10 a 20 vezes maior que a impedância da fonte. A seguir o cálculo da tensão na carga.

Onde:

Vc &endash; Tensão na carga

Vf &endash; Tensão gerada pela fonte

Zc &endash; Impedância da carga

Zf &endash; Impedância da fonte

A seguir cálculo da perda da tensão em função dos valores de impedância utilizados.

Onde:

PT &endash; Perda em tensão

Vtransf - Percentual de tensão transferido `a carga.

Para impedâncias iguais teremos uma perda de 6 dB. Para valores onde Zc/Zf sejam iguais a 10 o percentual de transferência varia para aproximadamente 91% o que nos leva a uma perda de apenas 0,82 dB. Já para uma razão de 20 a perda será de 0,423 dB.

Dai a importância de se ter estas relações de impedâncias otimizando sempre a transferência de tensão possível entre fonte e carga aumentando assim a relação sinal/ruído do sistema.A relação sinal/ruído e a resposta em freqüências do microfone variam, como vimos, com a variação das impedâncias da fonte e carga e também com a capacitância dos cabos inseridos entre os circuitos. Mas é comum vermos sistemas utilizando duas, três ou até mesmo quatro consoles de mixagem (mesas de som) ligadas em paralelo. Como em gravação de shows ao vivo. Isto faz com que a impedância da carga diminua em até quatro vezes o que altera completamente as características do microfone.Nestas situações o ideal é utilizar circuitos distribuidores ativos (circuito eletrônico) ou passivos (transformador). Para circuitos passivos é importante que o microfone esteja conectado diretamente ao distribuidor e ao mesmo tempo a uma das consoles. Desta maneira garantimos que microfones condensadores que necessitam de alimentação externa (Figura 14) possam funcionar [7].

V. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO

O tipo de transdutor é definido pelo princípio de operação que basicamente são; Piezoresistivo (carbono), Piezoelétrico (cerâmica ou cristal), eletromagnético (imã móvel), Eletrodinâmico (bobina móvel) e Eletrostático (condensador e eletreto) [7], [8].

Portanto o princípio de operação determina como o microfone captura o som acústico e o converte em sinal elétrico. Microfones dinâmicos operam segundo o princípio da lei de Faraday e microfones condensadores operam segundo o princípio eletrostático [1], [2].

A. Microfone Dinâmico &endash; Princípio eletromagnético

Possuem diafragma, bobina móvel e imã que formam um gerador elétrico de ondas de som. As ondas sonoras movem o conjunto diafragma-bobina móvel que se encontra dentro de um campo magnético gerando, em seus terminais, uma energia elétrica proporcional `as ondas de som (Figura 2).

Este sinal pode ser utilizado diretamente sem o uso de qualquer circuito complementar ou pré-amplificador. Geralmente o que se utiliza é um transformador casador de impedâncias e balanceador de sinal, entre a bobina e o circuito de entrada dos prés-amplificadores.

Alguns fabricantes já utilizam o neodymium capaz de fornecer campos magnéticos com imã de menor tamanho diminuindo o tamanho e o peso do dispositivo.

A membrana deve ser construida com material resistente, porém elástico para evitar deformidades com grandes pressões sonoras e fadiga com uso.

O sistema de suspensão deve ser capaz de eliminar os ruídos provenientes do manuseio do microfone, principalmente em aplicações ao vivo [6].

Alguns microfones possuem chave externa para filtro de baixas freqüências "bass roll off" variando entre 50 e 150 Hz em média.

Figura 2. Microfone Dinâmico

Pode-se dizer que um microfone é como um alto-falante que no lugar de gerar sinais os captura. Pode-se verificar esta afirmativa ligando, por exemplo, um fone de ouvido na entrada de microfone de uma mesa de mixagens. Apesar da baixa qualidade haverá som ao se falar neste fone de ouvido. O oposto acontece se ligarmos um microfone a uma saída de fones de ouvido, ou outro amplificador qualquer. Ouviremos som, porém, muito cuidado nestes testes pois os microfones podem ser danificados.

Este formato de construção é mecanicamente resistente, possui boa sensibilidade e pode suportar altos níveis de pressão sonora sem que haja distorção e sofrem efeito da fadiga mecânica.

A resposta a transientes e em freqüências altas e baixas é limitada. Para compensar isto são utilizadas pequenas câmaras ressonantes, a fim de extender a resposta em freqüências destes microfones [6].

1) Microfones de fita

Uma fita muito fina e corrugada é montada em um gap sob um campo magnético (figura 3). Esta fita é fixada por suas extremidades, porém seu corpo fica livre para se movimentar. Quando o sinal incide sobre a fita, esta vibra proporcionalmente `a intensidade do som, atravessando as linhas do campo magnético onde são induzidas as variações resultantes. Isto faz surgir em seus terminais uma pequena tensão. Por isso este tipo de microfone necessita de um transformador elevador de sinal e casador de impedâncias, já que a impedância da fita é muito baixa [7].

Figura 3. Microfone de fita

É um dispositivo muito frágil, até mesmo um sinal ou vento mais forte podem danificá-lo. Apesar da melhora na resistência mecânica dos atuais modelos de microfone de fita, ainda somente são utilizados em estúdios de gravação.

Possui baixo nível de ruído, excelente qualidade sônica especialmente em altas freqüências

2) Microfones eletromagnéticos de imã móvel

Nos microfones eletromagnéticos a bobina é fixa e o diafragma é conectado a uma armadura. Quando o diafragma recebe a incidência das ondas sonoras se move e conseqüentemente move a armadura [7]. A armadura se movendo varia a relutância (propriedade de um circuito magnético em resistir à magnetização) do campo magnético que é envolvido por uma bobina fixa (Figura 4).

3) Microfones canceladores de ruídos ou diferenciais

São microfones que possuem duas cápsulas montadas em oposição com polaridade invertida e operam com o princípio de cancelamento de fase. Eles amplificam sinais gerados muito próximos a uma das bobinas, (menos de 5 cm) e rejeitam sons de fontes sonoras mais distantes (Figura 5). São utilizados em comunicações em locais com alto nível de ruídos, como em guerras, cabines de aeronaves, parques industriais etc.

B. Microfone Condensador (capacitor) &endash; Princípio eletrostático

Em nossos corpos o acúmulo de energia eletrostática é muito conhecida. Quando esfregamos uma régua no cabelo e a aproximamos de pedaços de papel picados ou quando tocamos a porta do carro após longo contato com o banco é comum sentirmos uma descarga elétrica de alta tensão e muito rápida [1], [2].

Microfones eletrostáticos (condensadores e eletreto) utilizam diafragma condutivo e uma placa paralela fixa, (backplate) carregada eletricamente para formar um capacitor sensível `as variações das ondas sonoras (Figura 6).

O microfone de eletreto possui como característica armazenar carga permanentemente e não necessitar de energia externa. A alimentação que o eletreto utiliza é para energizar o circuito pré-amplificador. As placas são polarizadas por meio de bombardeio de elétrons em sua fabricação [8].

O diafragma pode ser de plástico coberto de material condutor, como o ouro, ou de metal muito fino (medido em microns). A placa fixa é de metal rígido ou de metal em conjunto com uma cerâmica.

Quando o elemento é carregado um campo elétrico é formado entre o diafragma e a placa posterior, proporcionalmente ao espaço existente entre eles. Se variarmos o espaço entre as placas haverá alteração nas cargas, ocasionando uma diferença de potencial nos terminais do microfone.

As ondas sonoras que chegam ao microfone, movimentam o diafragma, variando a distância entre as placas, gerando assim o sinal elétrico. As amplitudes dos sinais gerados por estes movimentos são muito pequenas sendo necessário o uso de um circuito pré-amplificador de sinal. Este circuito pode estar dentro do corpo do microfone ou em caixa separada.

Figura 6. Microfone Condensador (capacitor)

Os diafragmas utilizados nos microfones `a condensador podem variar de tamanho. Os microfones profissionais possuem, em média, diafragma de 1 polegada (2,54 mm) de diâmetro.

Como em todo circuito eletrônico é necessário o uso de alimentação para que o conjunto funcione. No caso dos microfones esta alimentação pode ser fornecida por pilha, bateria, fonte de alimentação externa ou pelo próprio pré-amplificador onde o microfone será ligado, denominado phantom power (Figura 14).

Os circuitos pré-amplificadores utilizados nos microfones condensadores podem utilizar transistores, circuitos integrados, válvulas ou serem mistos. Mas todos serão circuitos ativos (Figura 7).

Figura 7. Circuito eletrônico do microfone condensador PZM 300 - Crown

Microfones a condensador possuem maior sensibilidade que microfones dinâmicos. Porém, possuem menor resistência mecânica. São muito mais fiéis com relação `a resposta a transientes que microfones dinâmicos, pois estes últimos possuem massa muito superior que aumenta sua inércia, conseqüentemente diminuindo sua capacidade de responder a rápidas variações.

A largura da faixa de resposta em freqüências também é superior. Microfones utilizados em instrumentação são condensadores, pois este tipo possibilita a utilização em freqüências mais altas, proporcionando um menor desvio de fase e uma reposta mais precisa a transientes.

A maior limitação de um microfone condensador está em seu circuito eletrônico. Os circuitos operam com nível de tensão limitado, que quando ultrapassado ocasiona distorções. Por isso alguns microfones condensadores possuem interna ou externamente uma chave redutora de nível, denominada PAD. Esta redução varia de acordo com o modelo do microfone e está em torno de &endash;10 `a &endash;20 dB.

Entre a cápsula e o circuito eletrônico de um microfone condensador pode haver altos níveis de sinal trafegando sem distorção.

Como este microfone utiliza circuito pré-amplificador o que se observa é um maior nível de ruído (hiss) quando se captura sinais de baixa amplitude em lugares muito silenciosos. Claro que há microfones com circuitos melhor desenvolvidos em que os níveis de ruído são muito baixos.

Os microfones eletrostáticos possuem alta impedância e baixa tensão de saída da placa. Por isso estes dispositivos possuem amplificadores de sinal que também funcionam como casadores de impedância em suas saídas (figura 7).

1) Piezoelétrico (Cerâmica ou Cristal)

O microfone piezoelétrico, também conhecido como cerâmico ou cristal, gera uma força eletromotriz a partir da deformação de um cristal. Este cristal possui características piezoelétricas (eletricidade por pressão) [3].

A tensão gerada pela deformação do cristal é proporcional ao deslocamento das ondas de som. Estes dispositivos podem receber pressão direta ou através de diafragma acoplado ao cristal (Figura 8).

Se o cristal for exposto a uma temperatura igual ou superior a 55º, perderá todas as suas características permanentemente, portanto são muito sensíveis ao calor e a umidade.

Os microfones que utilizam cerâmica de barium, apresentam características similares aos cristais e são mais resistentes `a variação de temperatura.

Atualmente os cristais são muito utilizados em captadores de alguns instrumentos musicais, não sendo mais utilizados na construção de microfones devido a sua baixa qualidade de áudio, além de possuirem alta impedância de saída.

2) Piezoresistivo (Carvão)

Um dos mais antigos tipos de microfone. Consiste em um recipiente com pequenos grãos de carbono puro, através dos quais circula uma corrente elétrica.

É alimentado através de uma bateria que mantém uma tensão ativa sobre o carbono. Um disco de latão é acoplado a um diafragma de metal circular o qual tampa o recipiente com as partículas.

Quando as ondas sonoras incidem sobre o diafragma, os grãos de carbono são comprimidos e descomprimidos se tornando mais ou menos densos de acordo com o movimento do diafragma (Figura 9).

A resistência do carbono então é variável, convertendo a tensão da bateria em uma variação de corrente correspondente que é uma representação elétrica do som.

A corrente é elevada por meio de um transformador, responsável também por casar a impedância e bloquear a corrente contínua da bateria.

Não possuem excelente qualidade sônica, porém são extremamente baratos e robustos. Por esta razão são muito utilizados em equipamentos não profissionais.

Durante muitos anos este microfone foi o padrão da telefonia. Atualmente vêm sendo substituidos por microfones dinâmicos.

Figura 9. Microfone Piezoresistivo

Os microfones de carvão podem perder sua eficiência e tornarem-se barulhentos se os grãos de carbono ficarem compactados. É possível recuperar a sonoridade espalhando estes grãos. Pode se conseguir este resultado batendo o invólucro do microfone em superfície densa.

3) Pressure Zone Microphone - PZM (microfone por zona de pressão)

Um pequeno microfone condensador é montado muito próximo a uma placa que reflete o som que nela incide (boundary). A cápsula está montada na zona de pressão (Figura 10.a e 10.b).

Neste formato de microfone o som que incide sobre a cápsula chega praticamente ao mesmo tempo que o som refletido pela placa, estando os dois em fase.

A vantagem deste formato é um som sem interferências de fase e sem coloração fora do eixo.

Utilizando um microfone convencional em pedestal, há incidência de sons diretos e sons refletidos pelo piso. Estes sons refletidos não incidirão sobre a cápsula ao mesmo tempo que os sons diretos. Isto causará o efeito do filtro pente, adulterando a resposta em freqüências do microfone (Figura 11).

Figura 11.

Muitas vezes utilizamos o microfone posicionando-o no chão para realizarmos algumas medições, diminuindo interferências na leitura.

O formato de captação deste microfone é semi-esférico (Figura 12). Pode ser mais definido quando se estende a área da placa, utilizando acrílico ou montando o microfone sobre uma mesa, teto, piso ou parede.

A resposta em baixas freqüências, deste tipo de microfone, depende da extensão da superfície onde ele está montado. Quanto maior a superfície melhor sua resposta. Placas menores fazem com que freqüências cujo comprimento de onda e superior a area da placa, sejam captadas de modo omnidirecional.

Figura 12. Captação semi-esférica

Para maior controle da área de captação, pode-se estreitar o ângulo entre as placas ou acrescentar mais placas fazendo com que atuem como "gomos de uma laranja".

Mike Lamm e John Lehman (Dove & Note Recording Company &endash; Houston) desenvolveram, com grande sucesso, diversas configurações utilizando placas. Conseguiram emular situações de estéreo natural, X-Y, M-S, Figura 8 e outros formatos de captação, utilizando dois microfones PZM e placas refletoras (XXVI). Esta técnica de arranjos é conhecida como "L2 Mic Array" [3]. Ela é aplicada para captação de fontes sonoras como pianos, grupos vocais, gravação de platéia, sons percussivos, TV, cinema, etc.

Próximo>>>