CORE+ de DPA es una potente tecnología que se encuentra en el corazón de los micrófonos miniatura de DPA. Su objetivo es proporcionar un audio consistente y de alta calidad a todos los niveles de sonido, desde un susurro hasta un grito.
Los micrófonos son componentes sencillos pero importantes. En pocas palabras: cuentan con un transductor que convierte las variaciones de presión en el aire en una salida eléctrica, generalmente un voltaje que puede registrarse, amplificarse, transmitirse o analizarse, entre otras cosas.
Desarrollados inicialmente hace más de 150 años, los principios de los transductores de micrófonos han evolucionado con el tiempo. Sorprendentemente, varios de estos principios siguen coexistiendo en diferentes industrias hoy en día. En el audio profesional, tanto los micrófonos dinámicos como los de condensador tienen puntos fuertes. Sin embargo, los micrófonos de condensador electret (ECM) son los preferidos para una amplia gama de aplicaciones. Esto se debe principalmente a la miniaturización del transductor, lo que los hace ideales para cine, radiodifusión, presentaciones en vivo, comunicación, vigilancia y más.
A pesar de su pequeño tamaño, los micrófonos de condensador son reconocidos por su respuesta en frecuencia, rango dinámico y, en cierta medida, bajo nivel de ruido y distorsión. Lograr un rango dinámico superior a 100 dB no es inusual, pero debe equilibrarse con diversas limitaciones inherentes.
Ruido:
Todos los micrófonos producen cierto nivel de ruido debido a la corriente que circula por sus circuitos. El ruido térmico también es un problema, ya que el aumento de temperatura provoca mayor ruido. Además, el ruido se debe a la presencia de moléculas de aire dentro de la cápsula del micrófono, que bombardean el diafragma y generan ruido acústico propio. En última instancia, el ruido propio determina el «fondo» del rango dinámico de un micrófono.
La naturaleza básica del ruido en los micrófonos se conoce como ruido blanco, que se deriva de comparar el audio con la luz. Así como la luz blanca abarca todo el espectro de la luz visible, el ruido blanco contiene la misma cantidad de energía en todas las frecuencias audibles.
Si bien la señal no contiene tonos discernibles, el carácter del ruido puede variar según la distribución de frecuencias. Cuando se amplifica, a veces suena suave y otras veces, suena crepitante. Además, dependiendo del tipo de micrófono y el diseño, el ruido a veces suena más oscuro o más claro.
Cómo especificar el ruido El
ruido propio se expresa como un nivel de presión sonora (SPL) equivalente. Ejemplo: Un micrófono con un ruido propio de 22 dB(A) —“A” denota ponderación A— produce la misma salida que una fuente de sonido a 22 dB(A) SPL. Si la sensibilidad es de 20 mV/Pa, la salida del micrófono sería de aproximadamente 5 μV(A), incluso si no hay ninguna fuente de sonido (Figura 1).
Alternativamente, el ruido se puede medir utilizando valores pico con un filtro de ponderación diferente (por ejemplo, ponderación CCIR). Sin embargo, el nivel de ruido ponderado A sirve como base para calcular el rango dinámico de un micrófono. Todos los micrófonos de condensador implementan un convertidor de impedancia, que funciona como un preamplificador interno. Aunque no es muy complejo, el diseño es vital para el rendimiento general del micrófono.
Distorsión en micrófonos
La distorsión se refiere a cualquier alteración de la forma de onda de una señal de audio a medida que pasa de una entrada a una salida. Puede resultar de no linealidades (distorsión no lineal) o cambios en magnitud y fase en un sistema lineal (distorsión lineal).
Si bien las modificaciones intencionales (p. ej., ecualización o limitaciones de ancho de banda) técnicamente causan distorsión, es la distorsión no intencionada causada por limitaciones del sistema y comportamiento no lineal la que impacta la calidad de sonido percibida. Incluso el aire impacta la distorsión en condiciones extremas. A SPL muy altos, surgen no linealidades porque las formas de onda positivas viajan más rápido que las negativas. Por ejemplo, esto significa que un tono puro se transformará en una forma de onda de diente de sierra cuando se propaga en el aire a SPL extremadamente altos, lo que introduce nuevos componentes armónicos.
Diafragmas en movimiento
Un componente clave de un micrófono de condensador es el diafragma, que se coloca frente a una placa posterior, separado por aproximadamente 10 μm a 100 μm. A alto SPL, hay un límite para el movimiento del diafragma, tanto cuando se empuja hacia la placa posterior como también con respecto a qué tan «estirable» es en cualquier dirección.
Como se mencionó, los micrófonos de condensador también requieren una etapa intermedia electrónica que convierte la alta impedancia del transductor en una impedancia relativamente baja, lo que permite tramos de cable más largos. Los micrófonos miniatura también se alimentan mediante una fuente de alimentación no balanceada. Estos diseños electrónicos pueden causar un comportamiento no lineal. Lograr un amplio rango dinámico con mínima distorsión requiere una cuidadosa atención a los aspectos de diseño acústico, mecánico y electrónico.
Cómo especificar la distorsión
Según las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) [1, 2], la no linealidad de la amplitud se expresa mediante tres medidas: distorsión armónica total (THD), distorsión de orden n y distorsión de frecuencia de diferencia de orden segundo.
THD: una onda sinusoidal pura contiene solo una frecuencia. Cuando se distorsiona (normalmente por recorte), produce frecuencias adicionales en múltiplos enteros del tono original, conocidos como armónicos. Por ejemplo, una señal de 1 kHz puede producir armónicos a 2 kHz, 3 kHz, 4 kHz y más, normalmente a niveles decrecientes. El recorte simétrico tiende a producir principalmente armónicos impares generados: tercero, quinto, séptimo, etc.
La THD se define como la relación entre la suma de la raíz cuadrada media (RMS) de los componentes armónicos en el voltaje de salida y el voltaje de salida RMS total del micrófono [2], que normalmente se expresa como un porcentaje. Como regla general, la THD idealmente debería mantenerse por debajo del 1%, lo que significa que los componentes de frecuencia no deseados están al menos 40dB por debajo de la frecuencia fundamental. La THD es la porción de armónicos que se produce debido a la no linealidad, por ejemplo, el recorte (Figura 2).
En la práctica, medir la THD acústicamente requiere la generación de SPL muy altos, lo cual es un desafío no fácil de sortear ya que los altavoces exhiben típicamente mayores niveles de distorsión que los micrófonos. En cualquier caso, la THD medida puede verse influenciada por el ruido de fondo del sistema, particularmente cuando el micrófono bajo prueba todavía es muy lineal a altos SPL. Por lo tanto, el resultado a menudo se denota como THD+N (distorsión armónica total más ruido).
Distorsión de orden n : En principio, esto es lo mismo que la THD, excepto que los armónicos se miden y cuantifican individualmente. El tercer armónico a veces es de particular interés, especialmente en casos de recorte simétrico, porque representa el nivel más alto de todos los armónicos generados.
Distorsión de frecuencia diferencial : Para esta medición, se aplican dos tonos puros de diferente frecuencia a niveles idénticos. La IEC define el espaciamiento de frecuencia como 80 Hz (p. ej., entre 1000 Hz y 1080 Hz), aunque las mediciones también pueden realizarse en un rango de frecuencia más amplio, si es necesario. Como resultado, se genera la suma y la diferencia de la distorsión de las frecuencias originales. Estos componentes de frecuencia se miden y cuantifican como un porcentaje de las frecuencias fundamentales.
Cabe señalar que es perfectamente adecuado aplicar una metodología estandarizada para cuantificar la distorsión. Sin embargo, las normas solo consideran una pequeña selección de posibles formas de distorsión. En realidad, las señales son mucho más complejas, al igual que los componentes de distorsión.
¿Qué es audible?
Para determinar qué es audible, debemos mirar la investigación psicoacústica [3, 4, 5]. Aquí se detallan algunos fenómenos que influyen en la calidad del sonido percibido.
Umbral de audición : El sistema auditivo humano tiene un límite inferior natural, que varía con la frecuencia. A bajas frecuencias, el umbral es bastante alto, mientras que alrededor de 2 kHz a 4 kHz, el umbral es bajo (Figura 3).
Enmascaramiento : Cuando el oído está expuesto a la energía del sonido en un rango de frecuencia específico, las frecuencias circundantes se enmascaran. Este enmascaramiento funciona principalmente hacia frecuencias más altas. Como resultado,
la energía del sonido primario eclipsa algunos de los componentes armónicos generados por la distorsión, lo que hace que se vuelvan inaudibles (Figura 4).
Por el contrario, los componentes de frecuencia por debajo de las frecuencias de enmascaramiento se vuelven los más audibles. Esto también está relacionado con el hecho de que algunos tonos no son necesariamente musicales y, por lo tanto, se perciben como más molestos. Además de la distorsión causada por el equipo de audio, el oído mismo genera distorsión, que generalmente ocurre a niveles altos.
En general, se acepta que una distorsión inferior al 1% se considera inaudible a niveles de escucha normales. Algunos fabricantes indican el nivel mínimo de presión sonora (SPL) para lograr una distorsión armónica total (THD) del 1%, mientras que otros indican un 0,5% de THD.
Qué pueden hacer los micrófonos con CORE+ de DPA
DPA Microphones continuamente expande los límites de la tecnología porque la innovación es la fuerza impulsora que impulsa el avance de la industria. Antes de que se introdujera CORE+ de DPA, la calidad sónica de los micrófonos DPA ya era alta, pero la investigación mostró que aún había margen de mejora.
En los últimos años, toda la cadena de sonido del audio profesional ha mejorado, desde el micrófono al principio hasta los altavoces al final. Las innovaciones en tecnología significan que el sonido que llega a los oídos del público es generalmente de mucha mayor calidad. Esto se debe, en gran parte, a las mejoras en los transmisores inalámbricos y la digitalización de los sistemas inalámbricos. De hecho, los transmisores y receptores inalámbricos de alta calidad de hoy son tan buenos que pueden manejar rangos dinámicos más altos que algunos micrófonos profesionales pueden ofrecer.
CORE+, y la tecnología CORE desarrollada anteriormente, mejora la forma en que el convertidor de impedancia (preamplificador) interpreta el minúsculo movimiento del diafragma dentro de la cápsula y lo convierte en una señal eléctrica. Esto ha hecho posible transformar el sonido sin cambiar las características heredadas de los micrófonos en miniatura de DPA.
Transistores de efecto de campo (FET) en CORE de DPA Microphones
Los elementos del micrófono producen una señal dependiendo de la entrada acústica, que no puede impulsar cables largos y sistemas de posprocesamiento estándar. En su lugar, se necesita un búfer. La solución es usar un transistor de efecto de campo (FET), que es el circuito más sencillo disponible dentro de la carcasa del micrófono en miniatura (Figura 5). El FET exhibe la impedancia de entrada extremadamente alta necesaria y la impedancia de salida relativamente baja, mientras que la señal de audio del elemento electret controla la corriente a través del FET.
Controlar la corriente a través de un FET es un poco como apretar una manguera de agua: si aprietas el agarre, pasa menos agua; si la presionas demasiado fuerte, el agua deja de correr (para los FET, esto se llama «modo de corte»). El circuito simple del FET funciona relativamente bien si no se alcanza el modo de corte. Sin embargo, tiene dos desventajas:
• La corriente a través del FET (la salida del micrófono) no es una función completamente lineal de la entrada de señal. El resultado es un rango dinámico no lineal y cierta distorsión, que varía según la marca y el modelo. [6].
• Algunos transmisores incorporan una red de corrección para la linealización del FET, pero la mayoría no.
• La tecnología CORE original elimina la no linealidad causada por la electrónica, lo que ha resultado en una reducción drástica de la distorsión. Para la reducción de la distorsión a todos los niveles, el 1% de THD se alcanza a un nivel 14 dB superior, extendiéndose con el mismo rango dinámico.
Polaridad
El uso de un FET simple como convertidor de impedancia tiene un problema: cuando la presión del sonido en el diafragma del micrófono aumenta (presión positiva), la salida disminuye (se vuelve negativa) debido a la polaridad del voltaje de polarización. Sin embargo, los estándares de audio establecen que los micrófonos deben producir un voltaje positivo en respuesta a la presión positiva en la parte frontal del diafragma. Algunos fabricantes corrigen esto invirtiendo la polaridad del sistema de transmisión [7].
Con la tecnología original CORE by DPA, el rendimiento de los micrófonos miniatura y subminiatura de DPA se mejoró mediante estas características (Figura 6):
• Salida positiva para presión de sonido positiva (es decir, en fase).
• La electrónica completamente compensada proporciona la distorsión más baja posible en todos los niveles (hasta CORE+).
• Cada micrófono se ajusta al máximo rendimiento y no necesita un transmisor de marca específica para un mejor rendimiento.
• Al miniaturizar los circuitos electrónicos avanzados, la tecnología CORE by DPA puede incluirse incluso en la pequeña carcasa de cápsula de 3 mm de los micrófonos subminiatura.
Presentando CORE+ de DPA
Cuando se presentó CORE+ de DPA, el enfoque se centró en analizar la naturaleza de la distorsión del diafragma causada por el desplazamiento no lineal, lo que proporcionó una oportunidad para la corrección. El desplazamiento del diafragma es muy sutil. A 94 dB SPL (1 Pa), el desplazamiento de partículas de aire es menor a 1 μm (Figura 7). El diafragma es ligeramente reacio a seguir debido a su impedancia acústica, por lo que el desplazamiento es solo una fracción del desplazamiento de partículas. El efecto de la corrección de las no linealidades resulta en una distorsión inmensurable desde el nivel del ruido propio hasta unos pocos decibelios por debajo del punto de recorte.
La tecnología CORE mejora el rendimiento de una manera convencional, esencialmente cambiando la curva THD hacia SPL más altos en 14 dB, lo que mejora directamente el rango dinámico del micrófono en la misma cantidad (Figura 8). CORE+ va mucho más allá de la convención, eliminando cualquier rastro de distorsión de la salida del micrófono, hasta que se alcanza el punto de recorte (Figura 9).
Si bien el rendimiento de un micrófono DPA 4061 CORE es notable considerando las pequeñas dimensiones de la cápsula, el espectro de salida del 4061 con CORE+ se mantiene sin distorsión incluso a 133 dB SPL. En otras palabras, los cálculos de THD de los micrófonos CORE+ son el resultado de la relación entre la energía del ruido de fondo del sistema en los componentes armónicos y la energía total de la señal de salida, dominada principalmente por el componente fundamental. Por esta razón, la curva de THD de los micrófonos CORE+ es plana antes de que los micrófonos alcancen un punto de recorte.
Medir solo la distorsión del micrófono en un entorno de prueba y no la creada por los sistemas de sonido a altos SPL es una tarea compleja, ya que un micrófono suele ser más lineal. Por eso, el ruido de fondo observado en el espectro de salida de los micrófonos representa la relación señal-ruido real del sistema en combinación con el procesamiento de señal necesario para eliminar las no linealidades del sistema de medición.
Dicho esto…
El micrófono puede funcionar perfectamente cuando el voltaje de polarización suministrado cumple con los requisitos. Cabe destacar que la magnitud del voltaje de polarización determina el nivel posible de la señal de audio, que nunca puede superar el voltaje de operación. Para lograr una señal de audio de una amplitud dada, se debe disponer de un voltaje de polarización de operación suficiente (normalmente de 5 V a 7 V).
Un micrófono con un voltaje de CC demasiado bajo podría provocar un recorte asimétrico de la señal de audio por encima de cierto nivel (Figura 10). El resultado: cuanto menor sea el voltaje de CC, mayor será la distorsión a niveles más altos. Si el voltaje de polarización disponible es de 3 V o 4 V, el micrófono sigue funcionando, pero la entrada acústica debe reducirse y mantenerse entre 6 dB y 10 dB por debajo del nivel de presión sonora máximo para evitar la distorsión.
Conclusión:
CORE+ es la última invención tecnológica de DPA, pendiente de patente, y amplía la tecnología CORE de DPA. Mientras que CORE de DPA proporciona una linealización de la electrónica, CORE+ linealiza la salida del diafragma en el rango de SPL cercano al punto de saturación. El efecto es una distorsión armónica total (THD) inmensurable en la parte superior del rango dinámico. CORE+ no eleva el SPL máximo, pero mantiene el rango superior tan limpio como el de los rangos inferiores. aX.
Este artículo se publicó originalmente en audioXpress en julio de 2025.
