Microfono a condensatore

Il segnale acustico è prodotto dalle vibrazioni di un oggetto, queste vibrazioni generano una variazione di pressione che si propaga all’interno di un mezzo (aria, acqua, legno, metalli, cemento, mattoni e vetro possono vibrare e propagare le onde sonore).

Vibrando, questo corpo trasmette le proprie vibrazioni al mezzo che lo circonda (es. aria).  Le onde prodotte provocano dei movimenti periodici delle molecole d’aria formando strati alternati di aria compressa e di aria rarefatta che si propagano in tutte le direzioni.

Il trasduttore che traduce le variazioni di pressioni sonora in oscillazioni meccaniche prima ed oscillazioni energetiche dopo è il microfono.

Il principio di funzionamento dei microfoni può essere  associato a diverse leggi fisiche, ma in particolare ci soffermeremo sul microfono a condensatore, il quale lavora sfruttando l’equazione caratteristica del condensatore.

Struttura del microfono a condensatore e principio di funzionamento

Il microfono a condensatore si presenta come un cilindro cavo di metallo con all’interno (dal basso verso l’alto) una lamina metallica, una membrana metallica ed una ghiera forata.

La prima lamina metallica costituisce una delle due “armature” del condensatore, la membrana metallica invece rappresenterà la seconda armatura del condensatore.

Mentre la lamina metallica è fissa, la membrana è libera di oscillare quando sollecitata dalle onde di pressione, questo movimento provocherà una variazione della capacità del condensatore che elettricamente risponde alla legge del condensatore:

Q = C · V                     Eq.1

C = S · ( ε / d )           Eq.2

Essendo il dielettrico (mezzo interposto tra le armature) l’aria, la costante dielettrica ε è una costante.  Col movimento della membrana, le componenti variabili saranno S (superficie delle armature) e d (distanza tra le armature) e di conseguenza avremo che anche la capacità C sarà variabile. (Eq.2)

La variazione di capacità C implica una variazione della tensione V di uscita ai capi del condensatore, quindi una variazione di tensione sui contatti elettrici del microfono. (Eq.1)

La tensione di uscita e le sue variazioni sono da considerarsi come un segnale elettrico contenente informazioni sulle variazioni della pressione acustica sulla membrana, segnale che sarà successivamente amplificato e analizzato dall’analizzatore o dal fonometro.

La ghiera metallica non svolge alcuna funzione di tipo elettrico, ma svolge l’importante azione di protezione della membrana da sollecitazioni di tipo meccanico.

Polarizzazione

I microfoni a condensatore generalmente hanno bisogno di una tensione di polarizzazione di 200 V.
Questa ha lo scopo di indurre una carica elettrica sulle armature ed è quindi necessario che questa tensione sia costante in quanto una sua oscillazione potrebbe generare delle variazioni della carica C e quindi variazioni di tensione in uscita alterando il contenuto di informazioni.

Esistono anche microfoni pre-polarizzati per i quali non è necessaria una tensione di polarizzazione, questo perché sono costruiti con materiali cristallini contenenti una carica elettrica che consente di indurre una differenza di potenziale elettrico tra le due armature (lamina e membrana) di 200 V.

Volendo approfondire elettricamente le caratteristiche di questi dispositivi, può essere utile anche notare la presenza di un condensatore di disaccoppiamento tra le armature il quale “filtra” la componente DC del segnale trasdotto lasciando passare soltanto la componente AC che è quella che trasporta le informazioni.

Segnale trasdotto

Come abbiamo già detto, il microfono trasduce il fenomeno fisico in un segnale elettrico, ma è necessario fare attenzione anche all’entità delle grandezze in gioco.

La tensione (fluttuante) in uscita dal microfono ha un ampiezza molto bassa, è quindi necessario effettuare delle operazioni di amplificazione affinché possa essere elaborato.

Risposta in frequenza

Ogni microfono, contestualmente alle sue caratteristiche costruttive avrà una determinata risposta in frequenza. Questa caratteristica  definisce la frequenza massima, la frequenza minima ed il relativo intervallo di frequenze che il microfono è in grado di misurare.

Attualmente in commercio è possibile trovare una gamma di microfoni che permettono di analizzare suoni il cui spettro varia da 1 Hz fino a 140 kHz.

Sensibilità

La sensibilità esprime il rapporto tra la tensione di uscita e la pressione esercitata sulla membrana, non a caso viene espressa in mV/Pa. Questo parametro permette di classificare i microfoni in 3 categorie: alta sensibilità (50 mV/Pa), media sensibilità (30 mV/Pa) e bassa sensibilità (10 mV/Pa).

Spesso capita di confondere la sensibilità con la qualità del microfono, ma non è così.

Una sensibilità elevata consente di misurare valori molto bassi di rumore, ma non valori elevati, quindi non è un parametro che definisce la qualità delle sue prestazioni.

Pertanto è opportuno “dimensionare” la scelta del microfono alle proprie esigenze di misura.

Diagramma Polare

In funzione alla direzione con la quale il suono arriva al microfono, il diagramma polare ci restituisce il valore di sensibilità corrispondente. Questa caratteristica permette di effettuare un ulteriore classificazione.

I microfoni omnidirezionale presentano una risposta uniforme in termini di sensibilità per qualsiasi direzione.

I microfoni unidirezionali invece presentano una sensibilità massima ad angolo 0° (sorgente frontale), una sensibilità nulla per l’angolo opposto (180°) e una sensibilità variabile simmetricamente per le altre angolazioni.

I microfoni bidirezionali invece presenteranno massima sensibilità a 0° e 180°.

Dimensioni

Le dimensioni dei microfoni e delle loro membrane, incidono sulle prestazioni e sui range di frequenza e ampiezza misurabili. I microfoni più diffusi hanno dimensioni da 1”, 1/2″ e 1/4”.

Generalmente i maggiori costruttori di microfoni indicano che per microfoni con diametro da:

  • 1” si riesce a misurare dai 10 dB a 140 dB
  • 1/2” decisamente più diffusi, il range è da 20 dB a 160dB
  • 1/4″ misurano da 40 dB a 170 dB

Oltre ad avere una differenza sulle ampiezze misurabili, la dimensione incide anche sulle frequenze, infatti il range dinamico di questi microfoni diminuisce all’aumentare delle dimensioni. La differenza di prestazioni di questi microfoni è legata essenzialmente al rapporto della dimensione della membrana con la lunghezza d’onda da analizzare.

  • 1” fino a 16 kHz
  • 1/2” fino a 20 kHz
  • 1/4″ fino a 100 kHz

Campo di applicazione

Abbiamo visto come i microfoni si differenziano anche in base al tipo di misura da svolgere, come anche nel caso del tipo di “campo” in cui viene analizzato il rumore.

I microfoni Free Field (Campo Libero)  vengono utilizzati in quei contesti dove la misura viene svolta in spazi aperti, dove corpi riflettenti e le relative componenti riflesse del suono sono nulle o trascurabili. Questi strumenti hanno la caratteristica di compensare la propria presenza nel campo libero, attenuando significativamente le interferenze introdotte dallo strumento

I microfoni Random Incidence (Campo Diffuso) vengono utilizzati in spazi dove il suono è fortemente riflesso e quindi la sorgente da analizzare è caratterizzata da una forte casualità in termini di direzionalità del suono.

I microfoni Pressure ha la caratteristica di misurare il livello di pressione direttamente sulla superficie della membrana microfonica annullando tutte le componenti riflesse che vi incidono attraverso altre angolazioni attraverso il loro ritardo di fase rispetto al suono diretto.