17.1.1: Micrófonos

Las primeras grabaciones de sonido se realizaron sin el uso de electrónica en absoluto. Un cono grande canalizó el sonido a un diafragma unido a una aguja para que la aguja vibrara a la misma velocidad que las vibraciones sonoras que entraban en el cono. Para realizar una grabación, la aguja se colocó sobre un cilindro giratorio recubierto de cera caliente o plástico el cual se movió lentamente más allá de la aguja a medida que vibraba. Las vibraciones de la aguja se registraron como una única ranura fluctuante continua en la cera. La cera estaba caliente inicialmente para que fuera lo suficientemente suave como para registrar las vibraciones de la aguja. Debido a que el proceso era completamente mecánico no era muy eficiente; los cantantes prácticamente tuvieron que gritar en el cono para producir suficientes vibraciones para formar una grabación.

La grabación moderna de música comienza convirtiendo el sonido en impulsos eléctricos. Se trata de un proceso analógico; la corriente eléctrica varía en intensidad y frecuencia en proporción a la sonoridad y frecuencia de la onda sonora. Es decir, cuando el sonido varía más rápidamente (alta frecuencia) también lo hace la señal eléctrica y cuando el sonido es más fuerte, la señal eléctrica tiene una mayor amplitud en proporción al sonido. La conversión de señales sonoras a eléctricas se realiza mediante un micrófono y hay seis tipos principales basados en tres procesos físicos diferentes.

El micrófono dinámico se basa en la ley de Faraday que aprendimos en el Capítulo 17. La primera figura a continuación a la izquierda es el micrófono dinámico de bobina móvil. Un diafragma flexible está unido a una bobina para que las vibraciones en el diafragma hagan que la bobina se mueva. Si la bobina está cerca de un imán permanente, el movimiento de la bobina en el campo magnético provocará que una corriente fluya en la bobina debido a la ley de Faraday. Las ondas sonoras hacen que el diafragma vibre por lo que las vibraciones sonoras se convierten en un flujo de corriente fluctuante. En teoría la misma disposición puede ser ya sea un micrófono (entrada de vibraciones, salida de corriente oscilante) o un altavoz (entrada de corriente fluctuante, salida de vibraciones) como veremos.

El micrófono de bobina móvil se hizo popular a finales de la década de 1930 y está diseñado para captar el sonido desde una dirección. Esto y el hecho de que sea un poco más duradero que algunos de los otros micrófonos lo convierte en una opción favorita para presentaciones en vivo donde puede haber muchos otros sonidos extraviados presentes en el escenario. Debido a que puede soportar un sonido fuerte sin mucha distorsión es popular entre los cantantes de blues y hip-hop.

La segunda disposición es el micrófono magnético. En este micrófono se une un cono móvil a un pequeño imán o pieza de hierro que puede moverse de un lado a otro entre los polos de un imán permanente. Una bobina se envuelve alrededor del imán permanente. El sonido hace que el cono vibre lo que mueve el pequeño imán. El imán móvil cambia el campo magnético en el imán permanente y por lo tanto en la bobina, creando una corriente que oscila en proporción a la oscilación del sonido.

La ley de Faraday es también el principio físico detrás del micrófono dinámico de cinta que se muestra en la tercera imagen a continuación. Una delgada pieza de lámina metálica vibra cuando el sonido la golpea. El principio es el mismo que el micrófono de bobina móvil, la lámina de metal vibrante se mueve en el campo magnético de un imán permanente y así se crea una corriente que coincide con las variaciones en la cinta vibratoria. En los dos primeros tipos los conductores (no mostrados) están unidos a la bobina.

Figura\(\PageIndex{1}\)

El micrófono de cinta fue inventado a principios de la década de 1920. El rango de frecuencias al que responde es limitado; no captura bien las frecuencias altas. Sin embargo, tiene un rango de frecuencia muy adecuado para la voz humana y fue popular en las grabaciones de estudio de la década de 1920. Algunos micrófonos (como el micrófono de carbono, abajo) producen crujidos (ruido) al intentar grabar frecuencias más altas. El micrófono de cinta produce una respuesta suave que atenúa a mayor frecuencia por lo que hay menos ruido presente. El micrófono de cinta también exhibe un efecto de proximidad, aumentando un poco más las frecuencias más bajas a medida que la fuente se acerca al micrófono, haciendo que la voz suene más íntima. El efecto de proximidad hizo populares los estilos crooner de cantantes como Nat King Cole, Bing Crosby y Rosemary Clooney.

Un problema de los tres tipos de micrófonos anteriores es que la fase de la señal eléctrica retrasa la fase de las vibraciones originales en un cuarto de longitud de onda. Un examen minucioso de la ley de Faraday muestra que el voltaje en la bobina es máximo cuando la bobina se mueve más rápido lo que ocurre a medida que el diafragma pasa su punto de equilibrio. Cuando el diafragma es empujado hacia su punto más alejado deja de moverse y el voltaje producido por la ley de Faraday cae a cero. Supongamos que tenemos una onda de sonido de un diapasón que sabemos que está bastante cerca de una onda sinusoidal pura. Un osciloscopio mostraría una onda sinusoidal como la curva roja en la siguiente figura. Pero si pudiéramos trazar el voltaje a través del micrófono veríamos la curva azul que está noventa grados (\(π/2\text{ radians}\)) desfasada con el sonido.

Figura\(\PageIndex{2}\)

Sabemos por el Capítulo 16 que una de las cuatro formas en que el sistema oído-cerebro determina la dirección es la fase relativa de la señal entre una oreja y otra. Si el altavoz o sistema de grabación no corrige este error de cuarto de fase en el micrófono, el sonido reproducido puede que no suene directamente a nuestros oídos. Otra complicación es que otros tipos de micrófonos (descritos a continuación) no tienen esta diferencia de fase de cuarto. Por lo que una sesión de grabación que utilice múltiples tipos de micrófonos puede resultar en un sonido grabado que tenga una mezcla de errores de fase.

A continuación se describen otras tres técnicas para hacer un micrófono. Estos micrófonos producen cambios de voltaje basados en mecanismos físicos distintos a la ley de Faraday.

Exprimir físicamente ciertos tipos de cristales provocará que se forme un voltaje a través del cristal que es proporcional a la cantidad de fuerza que se aplica. Un cristal que se comporta de esta manera se llama cristal piezoeléctrico y es la base de un tipo de micrófono llamado micrófono piezoeléctrico. Debido a que un cristal de un tamaño dado tiene una frecuencia natural de vibración que es muy constante, los cristales piezoeléctricos también se utilizan en los relojes para mantener el tiempo. Las oscilaciones son impulsadas por un circuito que está sintonizado a una cierta frecuencia por las oscilaciones de cristal que actúan como fuente de voltaje para propósitos de sincronización. La primera figura de la izquierda es un esquema de un micrófono piezoeléctrico.

Figura\(\PageIndex{3}\)

Otro tipo de micrófono, llamado micrófono de carbono, se basa en el cambio de resistencia de un contenedor de gránulos de carbono (una resistencia de carbono). A medida que el cono del micrófono vibra, aprieta el recipiente para que los gránulos de carbono estén más cerca entre sí, provocando un cambio en la resistencia del contenedor. La ley de Ohm, del capítulo anterior, nos dice que la corriente será diferente para un circuito con una tensión fija si cambia la resistencia. Las fluctuaciones del cono provocan fluctuaciones en la resistencia, convirtiendo el sonido en un flujo de corriente fluctuante a través de la segunda resistencia. El segundo diagrama anterior es para un micrófono de carbono.

El micrófono de carbono fue el primer tipo de micrófono utilizado en la grabación electrónica de música y fue inventado a principios del siglo XX. Tiene una respuesta de frecuencia muy estrecha y algo de ruido lo que le da un sonido distintivo, familiar de películas que representan antiguas transmisiones de radio o teléfonos analógicos. Con la llegada del micrófono de carbono los cantantes ya no tuvieron que gritar como lo hicieron para grabaciones mecánicas directamente sobre cera y se popularizó un estilo de música llamado susurro.

La tercera figura anterior muestra el micrófono electrostático o condensador. En este micrófono se carga un diagrama flexible y se coloca cerca de una placa fija con la carga opuesta. La disposición de dos superficies con carga opuesta que se acercan muy juntas pero que no se tocan se llama condensador. El voltaje entre las dos superficies depende de la cantidad de carga en un lado y de la distancia entre ellas. A medida que el diafragma vibra el voltaje entre las dos superficies oscila. Este voltaje oscilante es la señal de entrada a un circuito amplificador.

El micrófono condensador fue inventado en 1917 pero no se utilizó popularmente para grabar hasta que se crearon mejores versiones a finales de los años 40. El micrófono condensador es mejor a frecuencias más altas que otros micrófonos y tiene una respuesta ligeramente mejor para el rango de vocalización humana que los micrófonos de cinta o carbono. Frank Sinatra fue un vocalista que ayudó a popularizar el sonido del micrófono de condensador.

Ejemplos de video/audio:

• Un YouTube técnico sobre cómo comprobar la fase de un conjunto de micrófonos.