Como funcionam os microfones

Como funcionam os microfones
Escrito por Newton C. Braga
Este é um artigo atual e de grande importância para os que estão aprendendo eletrônica. Recomendamos como apostila para cursos de iniciação tecnológica e mesmo eletrônica. Nele explicamos o princípio de funcionamento dos principais tipos de microfones.
O microfone é um transdutor usado principalmente nos equipamentos que envolvem sons, ou seja, sinais de áudio. A finalidade de um microfone é transformar sons, incluindo a voz humana, em sinais elétricos, consistindo, portanto em elementos de interface do homem com circuitos eletrônicos os mais diversos. Existem diversos tipos de microfones, que evoluíram ao longo do tempo, e que apresentam características diferentes. Neste artigo mostramos os principais tipos de microfones que existem ou existirem, analisando seu princípio de funcionamento e seu modo de usar.
Microfones são transdutores eletroacústicos, ou seja, convertem energia acústica (som) em energia elétrica. Conforme a técnica de construção e o material usado os microfones apresentam características especiais que os tornam úteis para determinadas aplicações. Assim, existem vários tipos de microfones. Na figura 1 mostramos os principais símbolos usados para representar os microfones.
 
Símbolos dos principais tipos de microfones.
O princípio de funcionamento da maioria dos microfones é dado pela maneira como a energia acústica é transformada ou provoca uma alteração de uma grandeza elétrica num circuito. De um modo geral dizemos que a finalidade de um microfone é converter sons em uma corrente ou tensão cuja forma de onda, freqüência e intensidade correspondam ao som original.
Nas aplicações práticas podem ser encontrados diversos tipos de microfones, alguns dos quais mais raros e não mais usados, mas que será interessante analisar por motivos históricos.
Tipos de Microfones
Damos a seguir uma relação de tipos de microfones comuns:
a) Microfone de carvão
Trata-se de um tipo de microfone que já não é mais usado, tendo sido inventado no século 19 e usado nos primeiros sistemas telefônicos. Na figura 2 temos uma vista em corte de um microfone deste tipo.
Estrutura de um microfone de carvão.
Dentro de uma cápsula de material isolante existem minúsculos grãos de carvão ou grafite os quais em conjunto apresentam uma certa resistência elétrica, medida entre os eletrodos. A tampa da cápsula é um diagrama fino que tem por finalidade captar as ondas sonoras. Quando o som incide nesse diafragma ele pressiona e distende os grãos de carvão, provocando assim uma alteração correspondente da resistência. Isso significa que, ligando esse microfone a uma bateria e uma carga, por exemplo, um fone de ouvido, a corrente circulante será um retrato do som incidente, podendo ser reproduzida pelo fone de ouvido. Esses microfones possuem resistências típicas na faixa de alguns Ω até 600 a 1 000 Ω. As principal vantagem no uso destes microfones está na sua robustez e a principal desvantagem está na baixa fidelidade, já que a qualidade de som obtida não é das maiores. Atualmente, estes microfones já não mais são usados.
b) Microfones de cristal
Na figura 3 temos a representação em corte de um microfone, também algo antigo e não mais usado, que é o microfone de cristal. O elemento sensível deste tipo de microfone é o sal de Rochelle que, infelizmente absorve facilmente umidade, perdendo suas características piezoelétricos com o tempo.
  
Estrutura de um microfone de cristal.
Conforme podemos ver pela figura, um cristal piezoelétrico é preso ao diafragma possuindo dois eletrodos em suas faces. Quando a onda sonora incide no diafragma, ela deforma o cristal de tal maneira a gerar uma tensão elétrica com a forma de onda e freqüência do som. Essa tensão aparece nos terminais do microfone podendo ser aplicada á entrada de um amplificador. A principal vantagem deste tipo de microfone de alta impedância está na sua sensibilidade, já que ele fornece um sinal intenso, entre 100 mV e 1 Vpp, o qual pode ser usado diretamente pela maioria dos amplificadores. A desvantagem está na deterioração do cristal com a umidade.
c) Microfone dinâmico
Na figura 4 temos uma vista em corte de um microfone dinâmico, que é mais comum atualmente, pela sua qualidade de som.
Estrutura de um microfone dinâmico.
Em torno de um imã permanente é enrolada uma bobina formada por muitas voltas de fio esmaltado muito fino. O número de voltas desta bobina vai determina as características elétricas do microfone, como sua impedância e sensibilidade. Os microfones dinâmicos são de baixa impedância, entre alguns Ω até algumas centenas de Ω) e o sinal fornecido é muito fraco, exigindo o uso de circuitos pré-amplificadores.
Quando uma onda sonora incide no diafragma de metal ferroso, um material que pode concentrar as linhas de força do campo magnético do imã ocorre uma modificação dessas linhas de força, com o que é induzida uma tensão na bobina cuja forma de onda corresponde ao som incidente.
Este tipo de microfone é bastante usado em aplicações profissionais pela sua qualidade de reprodução.
Como variação deste tipo de microfone temos o tipo mostrado na figura 5 que se assemelha a um alto-falante invertido. Na verdade, os alto-falantes também funcionam como microfones deste tipo, bastando que eles sejam ligados na entrada de circuitos apropriados de amplificação do sinal.
Microfone de bobina móvel em corte
Neste tipo de microfone, que é bastante usado atualmente nos tipos de baixo custo encontrados em karaokês e outras aplicações semelhantes, o que temos é um diafragma de plástico ou outro material mole presa a uma bobina móvel. Essa bobina pode mover-se em torno de um imã quando o diafragma recebe uma onda sonora. Com esse movimento, é gerada nesta bobina uma tensão cuja forma de onda corresponde ao som original.
Os microfones deste tipo são de baixa impedância exigindo bons circuitos amplificadores, mas têm como vantagem sua robustez e a boa qualidade de som.
d) Microfones de eletreto
Conforme mostra a figura 6, estes microfones possuem como elemento sensível um material denominado eletreto que têm propriedades elétricas interessantes.
O microfone de eletreto.
Estes materiais apresentam cargas elétricas permanentes, que se alteram quando eles sofrem deformações mecânicas. Assim, se prendermos um material deste tipo a um diafragma, a tensão que aparece em suas faces vai variar conforme o som que incidir no diafragma.
Como estas tensões são muito baixas e a impedância do eletreto é extremamente alta, estes microfones já levam embutidos um circuito amplificador que consiste num transistor de efeito de campo de junção (JFET) conforme mostra a figura 7.
Diagrama do microfone de eletreto.
Por este motivo, para usarmos este tipo de microfone precisamos de um circuito de polarização que é mostrado na figura 8.
Uso do microfone de eletreto.
Nela temos o modo de se usar um microfone de dois e de três terminais com os valores típicos dos componentes de polarização.
As principais vantagens desses microfones são seu baixo custo, grande sensibilidade, tamanho reduzido e facilidade de uso, o que os torna ideais para uma grande gama de aplicações práticas modernas. A única desvantagem, que não chega a afetar sua preferência por muitos projetistas, está na necessidade de um circuito externo de polarização.
e) Outros tipos
Além dos tipos indicados existem outros que podem ser incluídos em nossa lista. O primeiro deles é o microfone cerâmico, que nada mais é do que um microfone de cristal em que o sal de Rochelle é substituído por uma cerâmica piezoelétrica. A cerâmica piezoelétrica é muito mais robusta e não absorve umidade.
Outro tipo de microfone, apenas encontrado em aplicações profissionais é o capacitivo. Conforme mostra a figura 9, o diafragma deste microfone é a armadura de um capacitor. 
Estrutura de microfone capacitivo.
Quando o som incide neste diafragma a capacitância do capacitor se modifica conforme a intensidade e freqüência do som. Este microfone é usado num tipo especial de circuito em que ele modula um sinal em freqüência. Demodulado, o sinal fornece a saída de áudio para amplificação. Este tipo de microfone possui excelentes qualidades, mas pela dificuldade de uso não é muito empregado em aplicações comuns.
Características dos Microfones
Para se obter o desempenho correto de um microfone é preciso que suas características sejam observadas de modo a combinar com a do circuito em que ele vai ser conectado. Assim, precisamos observar as seguintes características num microfone ao utilizá-lo:
a) Impedância
Um microfone só pode transferir totalmente o sinal que ele gera a partir do som se sua impedância for igual à da entrada do amplificador, conforme mostra a figura 10.
Importância do casamento de impedâncias.
Dizemos que é preciso haver um casamento de impedâncias entre o microfone e o circuito utilizado para que seu funcionamento seja perfeito. Se ligarmos um microfone de baixa impedância na entrada de alta de um amplificador, ele não funcionará corretamente. O sinal ficará fraco.
b) Sensibilidade
Esta característica nos da a intensidade do sinal que o microfone fornece. Normalmente, esta característica é dada em volts pico a pico (Vpp) e para os microfones comuns pode variar entre microvolts e milivolts para os menos sensíveis até perto de 1 V para os mais sensíveis. Esta característica é importante para sabermos se o microfone que vai se utilizado num equipamento pode excitá-lo. Por exemplo, se um amplificador precisar de 600 mV de entrada para dar a potência total de saída e o microfone só fornecer 100 mV, evidentemente, ao ligar este microfone no aparelho a saída não chegará ao máximo e ele vai “falar baixo”. Neste caso, será preciso ligar um pré-amplificador entre o microfone e o amplificador, conforme mostra a figura 11.
Conexão de um pré-amplificador
c) Curva de Resposta
O ideal para um microfone é que ele capte todas as frequências com a mesma sensibilidade. Na prático isso não ocorre e os microfones não só respondem a uma faixa limitada de freqüência como também de modo irregular, conforme mostra a figura 12.
Curva de resposta de um microfone real.
Assim, precisamos estar atentos à curva de resposta de um microfone para que ela corresponda à aplicação. Um microfone para locução pode ter uma faixa mais estreita e concentrada mais nos graves e médios do que um usado para música que precisa ter uma faixa mais ampla.
d) Curva de Diretividade
Os microfones podem ter características diferentes quanto á direção em que sua sensibilidade é maior. Na figura 13 mostramos as diversas curvas de diretividade de microfones comuns.
                                                                              
Diagramas de directividade.
Assim, um microfone omni (tudo ou todo em latim) é aquele que capta o som com a mesma sensibilidade em todas as direções. Já um microfone cardióide (diagrama de diretividade em forma de coração) capta apenas os sons que incidem pela sua parte frontal. Para cada aplicação, a curva característica apropriada deve ser escolhida.
Conclusão
Não basta ligar qualquer microfone na entrada de um amplificador ou outro equipamento para que ele funcione da maneira esperada. Para as aplicações profissionais é preciso saber escolher o microfone ideal. Mesmo nas aplicações comuns, deve-se levar em conta certas características que, se não forem observadas, podem significar a diferente entre ele funcionar e não funcionar. Neste artigo devemos uma visão geral dos diversos tipos de microfones que existem e quais são as suas características.

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