Como funciona um Microfone

Como funciona um Microfone

Um microfone é um dispositivo transdutor eletro-acústico que converte ondas de pressão sonoras em um sinal elétrico alternado que pode ser amplificado, gravado ou transmitido por um circuito, e então reproduzido por um alto-falante ou fones de ouvido (outros tipos de transdutores).

Quando falamos em ondas de pressão sonora nos referimos às ondas criadas no ar pela vibração de corpos, que se propagam e atingem nossos ouvidos, sendo então detectadas pelo tímpano e convertidas em sinais que o cérebro é capaz de interpretar.

A amplitude do sinal AC gerado em um microfone é diretamente proporcional à intensidade do som captado, ao passo que a frequência desse sinal corresponde à frequência sonora.

Simbologia

Existem vários símbolos usados para representar microfones em um diagrama esquemático. Os principais são mostrados a seguir:

Simbologia de microfones - diagrama esquematico

Simbologia de microfones

Note que os dois últimos símbolos, que mostram um capacitor em seu interior, devem ser reservados para representar apenas microfones condensadores.

Especificações de Microfones

É importante conhecer algumas das principais especificações técnicas dos microfones, para que seja possível escolher o dispositivo mais adequado a cada ocasião e evitar problemas em sua operação. As principais especificações são definidas a seguir:

Sensibilidade

A sensibilidade dos microfones diz respeito ao nível de sinal sonoro que são capazes de detectar. Representa a relação entre o sinal de saída (tensão elétrica) e o sinal de entrada do dispositivo (som). A sensibilidade é geralmente expressa em decibéis (dB).

Microfones mais sensíveis conseguem captar sons de nível mais baixo, e o nível de sensibilidade dos microfones é estabelecido a partir de uma onda senoidal de entrada padrão de 1kHz de frequência e 94dB em intensidade, o que equivale a uma pressão sonora real de 1 pascal, medida no microfone. A sensibilidade de um microfone analógico é então definida como o número de decibéis em um sinal de saída de 1V, medido como um valor RMS.

Direcionalidade

Os microfones possuem uma resposta direcional específica, o que significa que conseguem captar melhor os sinais provenientes de determinadas direções, como por exemplo sinais que atingem o microfone diretamente de frente ou sinais provenientes das laterais.

A variação da sensibilidade de um microfone aos sons num raio de 36o° ao seu redor pode ser representada em gráfico denominado Diagrama de Padrão Polar, onde a posição 0° é considerada como imediatamente à frente do dispositivo. Um padrão polar , também chamado de Padrão de Captação, permite descrever como o diafragma responde ao som de acordo com ângulo em que é captado pelo microfone.

Padrões polares de um microfone Shure

Padrões polares de um microfone Shure

Um microfone omnidirecional respondem de forma igual em todas as direções, ao passo que um microfone direcional responde em direções específicas. Abordaremos os padrões polares com mais detalhes em um artigo específico.

Resposta de Frequência

Cada microfone é mais sensível a determinadas frequências sonoras do que outros. Essa sensibilidade é medida em decibéis, e ao conjunto de frequências sonoras nas quais um microfone é mais sensível chamamos de Resposta de Frequência.

Essa é uma característica muito importante que deve ser levada em conta na escolha de um microfone para uma aplicação específica, pois há grandes diferenças entra as faixas de frequência que devem ser captadas de acordo com sua origem, Assim, a voz humana produz sinais em uma faixa diferente de um instrumento musical, como um cello ou um violino.

Resposta de frequência de um microfone Senheiser MKE-2

Resposta de frequência de um microfone Senheiser MKE-2

No geral, para a voz humana é necessária uma resposta de frequência de 100 a 3000 Hz, ao passo que para aplicações de alta fidelidade (Hi-Fi) é necessária uma resposta de frequência muito mais larga, entre 20 e 20.000 Hz.

Impedância

A impedância é uma função da resistência, capacitância e indutância do dispositivo, representando o quanto o dispositivo resiste ao fluxo de um sinal alternado, e é um valor que deve ser "casado" (correspondido) com a impedância de entrada de um amplificador para que haja uma transferência de energia ideal entre ambos.

Porém, quando falamos de equipamentos de áudio modernos, o ideal é evitar a perda de tensão elétrica entre o dispositivo de saída, que é o microfone, e o de entrada (que recebe o sinal), geralmente um pré-amplificador. Para isso, o dispositivo de saída deve ter uma impedância de valor baixo, ao passo que o dispositivo de entrada deve ter uma impedância de valor alto.

Os microfones de baixa impedância no geral se encontram na faixa entre 150 e 600 ohms, os de média impedância, entre 600Ω e 10kΩ, e os microfones de alta impedância, acima de 10.000 ohms.

Como regra prática, o dispositivo que recebe o sinal deve ter uma impedância de cerca de 10 vezes a impedância do dispositivo que fornece esse sinal.

Tipos de Microfones

Os tipos mais comuns de microfones são os seguintes:

  • Microfone de Carvão
  • Microfone Dinâmico
  • Microfone Condensador
  • Microfone de Eletreto

Microfone de Carvão

É um tipo muito antigo de microfone, sendo constituído por grânulos de carvão (condutores) compactados cuja densidade de compactação muda (aumenta ou diminui) em resposta às ondas de pressão do ar que as atingem, e um diafragma (lâmina) em contato com esses grânulos que se distende quando atingido por ondas sonoras, transmitindo as vibrações para o carvão, que é então compactado ou descompactado.

Quando essa densidade diminui, a resistência elétrica entre os grânulos diminui, e vice-versa. Uma corrente elétrica circula pelo conjunto dos grânulos, que agem como um resistor, e a tensão elétrica detectada varia conforme a resistência dos grânulos é alterada. Desta forma, é possível reproduzir eletricamente o som que incide sobre o diafragma do microfone.

Esquema de ligação de um microfone de carvão

Esquema de ligação de um microfone de carvão

Esse tipo de microfone foi patenteado por Thomas Edison em 1877 para uso em aparelhos de telefone, e hoje em dia encontram aplicação muito limitada, devido à sua resposta de frequência extremamente limitada para a captação de som. Uma outra desvantagem é que os microfones a carvão necessitam de uma fonte de corrente elétrica para funcionarem.

Microfone Dinâmico

Também conhecido como Microfone de Bobina Móvel, consiste em uma pequena bobina de fio bem fino em um tubo cilíndrico que vibra ao longo do eixo de um ímã permanente.

Um diafragma de plástico sensível às vibrações sonoras é conectado na extremidade desse tubo, e responde à pressão das vibrações do ar (ondas sonoras) que entram no microfone. Isso faz com que a bobina se movimente em torno do ímã, induzindo assim uma corrente elétrica alternada nos fios conectados a ela, correspondendo às vibrações captadas em frequência. A corrente elétrica pode então ser amplificada e manipulada por circuitos adequados.

Esquema de ligação de um microfone dinâmico

Esquema de ligação de um microfone dinâmico

Uma desvantagem dos microfones dinâmicos é que há uma inércia considerável na movimentação da bobina, o que prejudica a captação de sons de frequências mais elevadas, tornando assim sua faixa dinâmica um pouco limitada. Porém, é um tipo de microfone de baixo custo, e que costuma oferecer um nível de sinal elevado em sua saída, suportando bem calor, umidade e pressão sonora elevada (pode ser usado, por exemplo, para microfonar amplificadores em um estúdio).

Microfone dinâmico Senheiser

Não necessitam de uma fonte de corrente elétrica para operarem, e são amplamente usados em aplicações de alta fidelidade e gravações. Exemplos populares de microfones dinâmicos são o Shure SM57, o AKG D112 e o Sennheiser 441.

Microfone Condensador

Este tipo de microfone contém internamente um capacitor, formado por duas placas finas de metal posicionadas em paralelo e separadas entre si por uma camada de ar. É chamado de microfone condensador pois antigamente dávamos o nome de condensadores aos capacitores, e essa terminologia se manteve nos microfones. São usados para a gravação de som de alta qualidade.

Esquema de Ligação de um Microfone Condensador

Esquema de Ligação de um Microfone Condensador

Seu modo de funcionamento é o seguinte: cargas elétricas opostas e de mesma intensidade (de polarização) são aplicadas nas placas, sendo que uma dessas placas é flexível, carregada positivamente, e responde à pressão das ondas sonoras (é o diafragma), e sua movimentação faz com que a capacitância desse conjunto seja alterada. As placas agem como um capacitor sensível ao som. Dessa forma, a tensão elétrica medida entra as placas varia, na mesma frequência em que a placa flexível vibra, correspondendo aos sons captados, e esse sinal pode então ser amplificado.

Microfone Condensador Senheiser

Um amplificador de alta impedância e baixo ruído é requerido para que seja possível obter uma saída de baixa impedância do microfone.

Exemplos de microfones condensadores comuns encontrados no mercado são o AKG 451 e o Audio Technica 4033a.

Telefones Celulares geralmente utilizam microfones condensadores, construídos utilizando tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), que permite que o dispositivo tenha dimensões muito reduzidas, com um diafragma de apenas 1mm2.

Microfone de Eletreto

Os microfones de eletreto funcionam pelo mesmo princípio de operação que os condensadores, com a diferença de que as placas são constituídas de um material ferromagnético que guarda uma carga elétrica. A palavra Eletreto deriva da combinação dos termos "Eletrostático" e "Magneto" (ímã).

São microfones baratos, e de qualidade comparável à dos microfones condensadores atualmente.

Microfone de Eletreto vendido pela Sparkfun

Microfone de Eletreto vendido pela Sparkfun

No geral, esses microfones trazem um transistor FET ou amplificador operacional internamente para amplificação dos sinais captados, pois ele cria correntes elétricas de amplitude muito baixa para até mesmo alimentar um pré-amplificador de forma satisfatória. Este amplificador necessita de tensão elétrica externa para operar, tipicamente entre 1,5V e 10V.

Esquema de ligação de microfone de eletreto

Esquema de ligação de microfone de eletreto
CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1148170


Nos próximos artigos estudaremos os transdutores que efetuam o trabalho inverso de um microfone, ou seja, transformar sinais elétricos em sinais sonoros: Alto-falantes, buzzers e fones de ouvido.

Fontes de Consulta:

Monk, Simon e Scherz, Paul - Practical Electronics for Inventors, 2013. Mc-Graw Hill
Platt, Charles - Encyclopedia of Electronic Components, vol. 03, 2016. MakerMedia
Braga, Newton C. - Revista Saber Eletrônica, nº 76 - Dezembro de 1978
Henshall, Marc -  Microphone Directionality and Polar Pattern Basics - Acesso em 07/07/2018 - http://blog.shure.com/microphone-directionality-polar-pattern-basics/

 

Sobre Fábio dos Reis (1262 Artigos)
Fábio dos Reis trabalha com tecnologias variadas há mais de 25 anos, tendo atuado nos campos de Eletrônica, Telecomunicações, Programação de Computadores e Redes de Dados. É um entusiasta de Unix, Linux e Open Source em geral, adora Eletrônica e Música, e estuda idiomas, além de ministrar cursos e palestras sobre diversas tecnologias em São Paulo e outras cidades do Brasil.
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