Caracterización de micrófonos (IEC 60268-4)

Normas aplicables: IEC 60268 IEC 60263 ITU-R BS.468Referencias: Beranek y Mellow 2012

Toda medición acústica de esta documentación empieza en un micrófono, e IEC 60268-4 es la norma que fija cómo se describe el propio dispositivo: a qué se refiere su sensibilidad, cómo se declara su patrón direccional y cómo su ruido propio y su punto de sobrecarga acotan los niveles que puede leer. Esta guía cubre las convenciones donde fallan las comparaciones de hojas de características (las referencias de sensibilidad y las ponderaciones de ruido), los patrones direccionales con su índice de directividad, y el informe de características nominales que compone la hoja de características de la norma a partir de una respuesta de campo libre medida, con cada panel dibujado según las convenciones de escala de IEC 60263. Las mediciones de distorsión y respuesta en frecuencia en sí viven en Electroacústica; el homólogo de altavoz tiene su propia guía.

1. La sensibilidad y sus referencias (IEC 60268-4, apartado 11)

La sensibilidad $M$ es la tensión de salida por unidad de presión acústica, expresada en mV/Pa; el nivel de sensibilidad es $L_{M} = 20 lo g_{10} (M /1 V/Pa)$ dB, negativo para todo micrófono real (un condensador de estudio de 50 mV/Pa queda en −26 dB re 1 V/Pa). El tropiezo clásico es la referencia: −26 dB re 1 V/Pa y +34 dB re 1 mV/Pa son el mismo micrófono, a 60 dB de distancia sobre el papel, así que un nivel de sensibilidad sin su referencia no significa nada. La norma también distingue sensibilidad de campo libre, de campo difuso y de presión; para la misma cápsula divergen en alta frecuencia, de modo que el tipo declarado importa tanto como el número.

Detrás del número está el transductor. Una cápsula de condensador (polarizada externamente o electret) lee la presión acústica como un cambio de capacidad y necesita alimentación, pero convierte con alta sensibilidad, típicamente algunas decenas de mV/Pa en un diafragma de estudio y unos pocos mV/Pa en una cápsula de medición pequeña; prácticamente todos los micrófonos de medición son de condensador porque la cápsula de membrana tensada es lo bastante estable para calibrarse. Un micrófono dinámico (de bobina móvil) genera su tensión por inducción, no necesita alimentación y sobrevive al maltrato, pero convierte con mucha menos eficiencia, alrededor de 1-3 mV/Pa, y por eso un dinámico ante una fuente silenciosa agota la ganancia del preamplificador antes que un condensador. La sensibilidad nominal de la norma se expresa a la frecuencia de referencia de 1 kHz (apartado 11.3), sobre la carga nominal, y el tipo declarado (campo libre, campo difuso o presión) forma parte de la especificación, no es un detalle.

1.1 Los tres tipos de sensibilidad, y cómo elegir uno

Los tres tipos se diferencian solo en el campo en el que se calibra la cápsula, y existen porque un micrófono no es un punto. En las frecuencias en las que la cápsula deja de ser pequeña frente a la longitud de onda perturba el campo que está midiendo, y la presión sobre el diafragma sube por encima de la presión no perturbada para el sonido que llega por el eje de referencia: varios decibelios en una cápsula de media pulgada por encima de unos 5 kHz, y más todavía en una de un cuarto de pulgada. Las tres definiciones son tres maneras de tratar eso:

La sensibilidad de presión (11.2.4) es la razón entre la tensión de salida y la presión acústica realmente presente en la entrada acústica. Es la que realizan un acoplador, un pistófono o un actuador electrostático, y la que lee una cápsula enrasada en una superficie límite.
La sensibilidad de campo libre (11.2.1) está referida a la presión no perturbada de una onda plana progresiva que llega por el eje de referencia, de modo que se corrige el refuerzo de presión propio de la cápsula.
La sensibilidad de campo difuso (11.2.2) está referida a sonido que llega de todas las direcciones con fase aleatoria; la norma la define como el valor eficaz de las sensibilidades de campo libre sobre todas las direcciones, de modo que $L_{M, diff} = L_{M, ff} - D$ con $D$ el índice de directividad de la sección 2.

Tres paneles sobre un mismo dibujo de cápsula: campo libre, con una onda plana que llega por el eje de referencia y las dos reglas de admisibilidad r al menos d y r al menos d al cuadrado entre lambda; campo difuso, con rayos que llegan de todas las direcciones y la definición de la sensibilidad de campo difuso como el valor eficaz del patrón; y presión, con la cápsula cerrada en un acoplador cuya cavidad es pequeña frente a la longitud de onda. Debajo, el banco: la cámara anecoica y la regla de media longitud de onda para la onda plana, la calibración por sustitución contra un micrófono de referencia en el mismo punto, la variante de comparación simultánea con su condición de más menos 1 dB, y la exactitud global de más menos 2 dB o mejor

La regla de elección. Una cápsula de campo libre apuntada a una fuente conocida en campo libre o casi libre; una cápsula de incidencia aleatoria en una sala reverberante, y para un sonómetro de clase 1 según IEC 61672 usado en interiores; una cápsula de presión en un acoplador o enrasada en una superficie límite. Usar una cápsula de campo libre en incidencia rasante, o una de presión en el eje, cuesta varios decibelios en las dos octavas superiores y nada en absoluto por debajo de 1 kHz, que es la razón de que el error sobreviva a una comprobación de nivel ponderado A y solo aparezca en un espectro. El compromiso de tamaño va al revés: una cápsula más pequeña mantiene honesto su tipo de campo hasta una frecuencia más alta, y lo paga en sensibilidad y en ruido propio.

El banco que hay detrás del número. El apartado 4.2.2 de IEC 60268-4 define las condiciones nominales de un micrófono: la carga resistiva especificada, la alimentación nominal, un campo libre (5.5.2) a cero grados respecto a la dirección de referencia y una presión acústica no perturbada de 1 Pa (94 dB) en el punto de referencia, a la frecuencia de medición de 1 kHz. El apartado 5.5.2 fija la geometría: condiciones de campo libre realizadas al aire libre, en una cámara anecoica o en un conducto, con la referencia de onda esférica válida solo donde $r \geq d$ y $r \geq d^{2} / λ$ para un diámetro efectivo de fuente $d$ — preferiblemente más allá de tres veces la dimensión mayor de la superficie radiante — y con una onda esférica contada como plana solo a media longitud de onda o más de su centro de curvatura en la frecuencia medida más baja. El apartado 5.6.2 fija la calibración: el método de sustitución, en el que el micrófono bajo ensayo y una referencia calibrada ocupan el mismo punto uno después del otro, da la mayor exactitud; la comparación simultánea en dos puntos próximos solo puede usarse tras demostrar que concuerda con la sustitución dentro de ±1 dB. El apartado 5.7 pone el techo a todo: se obtendrá una exactitud global de ±2 dB o mejor. Todos los números de la ficha de la sección 4 heredan esa cota. Convertir una sensibilidad nominal en niveles calibrados sobre una cadena en uso es Calibración y dBFS.

2. El patrón direccional y el índice de directividad (apartado 13)

La respuesta direccional se declara como el patrón de sensibilidad frente al ángulo de incidencia, normalizado al eje de referencia. La familia clásica de primer orden mezcla un término omnidireccional (de presión) y un término coseno (de gradiente de presión), $M (θ) \propto (1 - b) + b cos θ$ : $b = 0$ es la cápsula omnidireccional, $b = 1/2$ el cardioide con su nulo a 180° y $b = 1$ la figura en ocho con nulos a ±90°. Un número condensa el patrón: el índice de directividad $D = 20 lo g_{10} (M_{0} / M_{diff})$ compara la sensibilidad en el eje de referencia con la sensibilidad de campo difuso obtenida de la integral del apartado 11.2.2 a) sobre un patrón con simetría de revolución (apartado 13.2.2; el índice se ancla en dos apartados porque el $M_{diff}$ por el que divide es el que define el apartado 11.2.2 a), como el valor eficaz del patrón sobre un ángulo sólido con simetría de revolución). Un omni puntúa 0 dB; el cardioide ideal y la figura en ocho, ambos $10 lo g_{10} 3 = 4, 8$ dB: en un campo difuso de sala, un cardioide capta tres veces menos potencia reverberante que un omni de igual sensibilidad axial, que es exactamente la relación que quiere un cálculo de distancia hablante-micrófono. Los patrones reales solo conservan su forma de libro de texto en el centro de la banda; en alta frecuencia el propio tamaño de la cápsula vuelve directivo a cualquier micrófono, y por eso divergen ahí las sensibilidades de campo libre y de campo difuso de una misma cápsula.

La familia entera son seis valores de un mismo coeficiente. Los índices de directividad de abajo son los que devuelve microphone_characteristics para cada patrón mediante la integral del apartado 11.2.2 a) (el fragmento de la sección 4 imprime tres de ellos), y la eficiencia de energía aleatoria es la fracción de un campo difuso que la cápsula sigue captando:

Patrón	$b$	$M (180°)$	Nulo	Índice de directividad	Eficiencia de energía aleatoria	Factor de distancia
Omnidireccional	0	+1,00	—	0,0 dB	1,000	1,00
Subcardioide	1/3	+0,33	—	3,2 dB	0,481	1,44
Cardioide	1/2	0,00	180°	4,8 dB	0,333	1,73
Supercardioide	0,63	−0,26	126°	5,7 dB	0,269	1,93
Hipercardioide	3/4	−0,50	110°	6,0 dB	0,250	2,00
Figura en ocho	1	−1,00	±90°	4,8 dB	0,333	1,73

Los seis miembros de la familia de primer orden sobre un mismo eje polar en un rango de 30 dB: omnidireccional, subcardioide, cardioide, supercardioide, hipercardioide y figura en ocho, cada uno etiquetado con el índice de directividad que la biblioteca calcula para él, 0,0, 3,2, 4,8, 5,7, 6,0 y 4,8 dB respectivamente

El cardioide y la figura en ocho devuelven los mismos 4,8 dB desde geometrías opuestas: el índice dice cuánta potencia reverberante rechaza una cápsula, no desde dónde. Por eso un patrón y un índice se citan siempre juntos, y por eso el supercardioide y el hipercardioide — que cambian un lóbulo trasero por un nulo más profundo fuera del eje — les ganan a los dos en el número y suenan bastante distinto por detrás. El factor de distancia es la consecuencia práctica: un cardioide puede colocarse 1,73 veces más lejos de un hablante que una cápsula omnidireccional para la misma relación directo-reverberante.

Mostrar el código de esta figura

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# Las formas de los patrones. El índice de directividad anotado en cada curva es
# el que devuelve `microphone_characteristics(...).directivity_index_db` para
# esos mismos datos polares, como en el fragmento de la sección 4.
theta = np.radians(np.linspace(0.0, 360.0, 721))
ax = plt.subplot(projection="polar")
for b in (0.0, 1 / 3, 0.5, 0.63, 0.75, 1.0):
    mag = np.maximum(np.abs((1.0 - b) + b * np.cos(theta)), 10 ** (-1.5))
    ax.plot(theta, np.maximum(20 * np.log10(mag), -30.0))
ax.set_ylim(-30.0, 0.0)
plt.show()

El término coseno es un término de gradiente de presión, y eso tiene una consecuencia que la fórmula esconde: cerca de una fuente el gradiente lleva una componente que crece como $1/ r^{2}$ mientras el término de presión cae como $1/ r$ , así que cualquier cápsula con $b > 0$ realza las frecuencias graves al acercarse a la fuente. El efecto de proximidad es típicamente de 6 a 10 dB a 100 Hz y 5 cm para un cardioide, y mayor para una figura en ocho. Se explota a propósito en el trabajo con voz, y es la razón de que un micrófono direccional no pueda usarse como aparato de medición cerca de una fuente: la respuesta depende de dónde se sostenga. Junto con la dependencia con la frecuencia de un patrón real, esa es la razón de que todo micrófono de medición de esta documentación sea una cápsula omnidireccional de presión.

3. Ruido propio: dB(A) y dB(468) (apartado 17)

La electrónica del micrófono y la carga de aire sobre su diafragma fijan un suelo de ruido, expresado como el nivel de ruido equivalente: el nivel de presión acústica cuya salida igualaría la tensión de ruido propio ponderada, $L_{N} = 20 lo g_{10} ((U_{N} / M) /20 μ Pa)$ . La norma lo declara con dos ponderaciones, y los números quedan muy separados sobre el papel. La cifra ponderada A (detector RMS) es la que citan la mayoría de las hojas de características, p. ej. 14 dB(A) para un buen condensador de estudio. La cifra ITU-R BS.468-4 pondera el mismo ruido con la curva que alcanza +12,2 dB cerca de 6,3 kHz y lo lee con un detector de cuasipico, así que penaliza el siseo y los chasquidos que el oído nota de verdad; para el ruido típico de un micrófono sale aproximadamente 10 dB por encima del número ponderado A de la misma cápsula. Ninguna es errónea: son ponderaciones distintas de la misma tensión, y comparar un dB(A) de una hoja de características con un dB(468) de otra favorece en silencio a la primera por ese margen. La relación señal-ruido re 1 Pa (94 dB SPL) se deriva del mismo nivel de ruido equivalente, y el nivel de presión acústica de sobrecarga (apartado 15.2) acota el rango útil por arriba. La propia curva de ponderación BS.468 está expuesta como itu_r_468_weighting en el conjunto de distorsión de electroacústica, donde también pondera la THD.

Panel superior: un espectro de banda de ruido propio que decrece con la frecuencia, dibujado en bruto, ponderado A y ponderado ITU-R BS.468-4, de modo que se ve la curva 468 levantando las bandas de 2 a 10 kHz que la curva A ya ha empezado a atenuar. Panel inferior: los niveles sumados por bandas de las dos ponderaciones para esa cápsula y para otra más siseante cuyo ruido crece hacia 20 kHz, con la diferencia debida solo a la red anotada en cada caso, más 2,4 dB y más 8,3 dB respectivamente

Cuánta parte de esa diferencia explica la red por sí sola depende de la forma del ruido de cada cápsula: 2,4 dB para el espectro 1/f decreciente del ejemplo y 8,3 dB para una cápsula más siseante. El resto de los 10 dB de costumbre viene del detector de cuasipico de la ITU-R 468, que lee un ruido más alto que un detector de valor eficaz; itu_r_468_weighting es solo la red, así que un nivel calculado con ella y una suma en valor eficaz no es una cifra en dBqps y no se debe comparar con una de una hoja de características.

El espectro de banda que ahí se dibuja es el que el fragmento de la sección 4 pasa como MicrophoneNoise(spectrum=...), ponderado con itu_r_468_weighting del módulo de electroacústica y con ponderación A, y sumado después banda a banda.

Cómo se obtiene $U_{N}$ (apartado 17.2). El micrófono se aísla del sonido, del viento, de los golpes, de la vibración y de los campos eléctricos o magnéticos, pero tiene que permanecer en modo de funcionamiento acústico: la norma advierte explícitamente de que sustituir el elemento transductor por un circuito equivalente no mide el micrófono, porque el elemento aporta ruido propio. Un preamplificador de 40 a 60 dB mantiene dominante el ruido del propio micrófono, así que no hace falta corrección por la instrumentación. Llega entonces la comprobación que decide si el número sirve: sustituir el micrófono por una resistencia a temperatura ambiente igual a su impedancia nominal y exigir que la salida medida sea menor que un tercio del valor medido con el micrófono, de modo que la instrumentación y cualquier sonido externo residual inflen el resultado menos de un 10 %. Informa de qué ponderación y qué detector produjeron la cifra — valor eficaz ponderado A (IEC 60268-1 6.2.1), cuasipico ITU-R 468 (6.2.2) o tercios de octava sin ponderar (6.2.3) —, porque los tres difieren en unos 10 dB sobre la misma cápsula y el apartado pide que la medición de cuasipico esté entre ellos.

3.1 Qué más acota el rango útil

El nivel de presión acústica de sobrecarga (15.2) es la presión de una onda plana a la que la no linealidad de amplitud del micrófono alcanza un límite declarado, para cualquier frecuencia del rango efectivo y cualquier dirección de incidencia; la norma señala que no existe un límite común y que las hojas de características suelen declarar un 0,5 % o un 1 %. Producir el campo es la parte difícil de la medición: un nivel de 140 dB tiene que salir de algo cuya propia distorsión quede muy por debajo de la de la cápsula, en la práctica una cámara de presión pequeña o un motor de compresión sobre un acoplador, con la distorsión de la fuente caracterizada antes contra un micrófono de referencia. Si barres el nivel con un altavoz corriente, la curva que dibujas es la del altavoz. La salida que el propio apartado da al problema es usar en su lugar la medición por diferencia de frecuencias de 14.4.2, que al menos minimiza la influencia de la no linealidad de la fuente.

Otros tres límites son características nominales por derecho propio, y los tres se declaran como niveles de presión acústica equivalentes, así que se pueden comparar banda a banda con el ruido propio de arriba:

Vibración mecánica (19.2): la presión acústica equivalente producida por una aceleración eficaz declarada en la dirección de máxima influencia, declarando también la dirección de mínima influencia, medida con frecuencia deslizante hasta 250 Hz. Esto es el ruido de soporte y de manipulación, y es la razón de que una suspensión elástica se especifique en vez de darse por supuesta.
Viento (19.3): la presión acústica equivalente para una velocidad y una dirección de viento declaradas, siendo el valor de referencia 10 m/s. Es la magnitud contra la que se declara la eficacia de un paravientos.
Efecto «pop» transitorio (19.4): el golpe de aire de una oclusiva de un hablante cercano, que se ataja con un filtro antipop o con un cambio de distancia de trabajo.

4. Informe de características del micrófono (IEC 60268-4)

El compañero de micrófono del informe de altavoz: las características nominales que IEC 60268-4 define en torno a una respuesta en frecuencia de campo libre medida se reúnen en un único resultado de características del micrófono que representa la ficha de características nominales de la norma. Cuatro de los números se calculan a partir de las propias definiciones de la norma en lugar de solo repetirse:

Nivel de sensibilidad (11.1). La sensibilidad nominal en campo libre $M$ (mV/Pa, a la frecuencia de referencia de 1 kHz de 11.3) como nivel, $L_{M} = 20 lo g_{10} (M /1 V/Pa)$ : 12,5 mV/Pa son $- 38, 1$ dB re 1 V/Pa.
Rango de frecuencias efectivo (12.2). La banda en la que la respuesta, normalizada a 0 dB en la frecuencia de referencia, se mantiene dentro de la tolerancia $\pm$ declarada; los bordes son los cruces interpolados con la tolerancia.
Índice de directividad (13.2.2). $D = 20 lo g_{10} (M_{0} / M_{diff})$ con la sensibilidad de campo difuso de la integral de 11.2.2 a) sobre un diagrama con simetría de revolución; el cardioide ideal devuelve $10 lo g_{10} 3 = 4, 8$ dB.
Nivel de ruido equivalente (17.2). La tensión de ruido inherente ponderada sobre la sensibilidad nominal como nivel de presión acústica, $L_{N} = 20 lo g_{10} ((U_{N} / M) /20 μ Pa)$ , con la relación señal-ruido re 1 Pa (94 dB SPL) derivada de él. El nivel de presión acústica de sobrecarga (15.2) se lee de una curva de distorsión frente a nivel en el límite de THD declarado.

Las cuatro curvas de entrada del fragmento de abajo son sintéticas, pero cada una representa una medición con nombre propio y conviene saber cuál antes de salir a tomar datos. La respuesta de campo libre sale de una calibración por sustitución contra un micrófono de referencia en cámara anecoica (5.6.2 a), o se sintetiza a partir de una respuesta de presión con actuador electrostático más la corrección de campo libre del fabricante, y se normaliza a 0 dB en la frecuencia de referencia de 1 kHz que marca el informe. Los cortes polares salen de girar el micrófono sobre un plato giratorio en esa misma cámara, un corte por cada frecuencia declarada, en un plano que contenga el eje de referencia y manteniendo constantes la distancia, la presión acústica y la frecuencia mientras se avanza en $θ$ (13.1.2 a). El espectro de ruido propio es el desglose en tercios de octava de la medición del apartado 17.2, con el ancho de banda del analizador declarado, y el voltage único es el valor eficaz ponderado de esa misma medición. La curva de distorsión frente a nivel sale de ir subiendo la presión acústica de una fuente de nivel alto mientras se mide la distorsión a la salida (15.2.2), y el nivel de sobrecarga se lee en ella donde la curva cruza el límite declarado.

import numpy as np
from phonometry import (
    MicrophoneDirectivity, MicrophoneElectrical, MicrophoneNoise,
    MicrophoneOverload, ReportMetadata, microphone_characteristics,
)

freqs = np.geomspace(20, 20000, 400)
response = -10 * np.log10(1 + (30.0 / freqs) ** 4)      # caída en baja frecuencia
response -= 10 * np.log10(1 + (freqs / 19000.0) ** 8)   # caída en alta frecuencia
response += 2.0 * np.exp(-(np.log2(freqs / 9000.0) ** 2) / 0.3)  # región de presencia

angles = np.linspace(0, 179, 359)
cardioid = 20 * np.log10((1 + np.cos(np.radians(angles))) / 2)
noise_f = np.geomspace(20, 20000, 31)

result = microphone_characteristics(
    freqs, response, 12.5, tolerance_db=3.0,          # 12,5 mV/Pa a 1 kHz
    directivity=MicrophoneDirectivity(polar=(angles, cardioid), frequency=1000.0),
    noise=MicrophoneNoise(                             # ponderada A, V
        voltage=1.25e-6,
        spectrum=(noise_f, 6.0 + 12.0 * np.log10(1000.0 / noise_f)),
    ),
    overload=MicrophoneOverload(
        distortion=(np.linspace(100, 140, 81),
                    0.5 * 10 ** ((np.linspace(100, 140, 81) - 130.0) * 0.08)),
        thd_percent=0.5,
    ),
    electrical=MicrophoneElectrical(
        rated_impedance=150.0, minimum_load_impedance=1000.0,
        powering="Phantom P48 (IEC 61938)", supply_current_ma=3.1,
    ),
)
print(round(result.sensitivity_level_db, 1))            # -38.1 dB re 1 V/Pa
print(tuple(round(x) for x in result.effective_range))  # Hz
print(round(result.directivity_index_db, 1))            # 4.8 dB (cardioide)
print(round(result.equivalent_noise_level_db, 1))       # 14.0 dB(A)
print(round(result.signal_to_noise_ratio_db, 1))        # 80.0 dB re 1 Pa

# Los tres patrones canónicos de la sección 2, por la misma integral de
# 11.2.2 a): b = 1/2 y b = 1 devuelven el mismo índice desde formas opuestas.
for b in (0.0, 0.5, 1.0):
    polar = 20 * np.log10(
        np.maximum(np.abs((1 - b) + b * np.cos(np.radians(angles))), 1e-3))
    family = microphone_characteristics(
        freqs, response, 12.5, tolerance_db=3.0,
        directivity=MicrophoneDirectivity(polar=(angles, polar),
                                          frequency=1000.0))
    print(b, round(family.directivity_index_db, 1))     # 0.0 / 4.8 / 4.8 dB

result.report("microfono.pdf", metadata=ReportMetadata(measurement_standard="IEC 60268-4"),
              language="es")

El cuarto print cierra una cadena que la página ha dejado abierta dos veces. Una tensión de ruido propio de 1,25 µV a la salida de una cápsula de 12,5 mV/Pa es una presión acústica de 100 µPa en su diafragma, que son $20 lo g_{10} (100/20) = 14, 0$ dB por encima de la referencia de 20 µPa: este micrófono leería 14 dB(A) en una sala perfectamente silenciosa, y no puede medir nada más silencioso que unos 24 dB(A) sin contribuir al resultado. La relación señal-ruido que el resultado también lleva son simplemente 94 dB menos esa cifra — 80,0 dB —, porque la referencia de la norma es 1 Pa. Esa misma tensión leída a través de la ITU-R BS.468-4 con detector de cuasipico se informaría unos 10 dB más alta para la misma cápsula, así que este número son 14 dB(A) y no debe ponerse nunca al lado de una cifra en dB(468) de otra hoja.

Hay una trampa que la API reproduce y que la página tiene que cerrar: MicrophoneNoise.voltage es la tensión de ruido propio medida a través de la red de ponderación, no un valor eficaz de banda ancha en bruto, y weighting= registra qué red fue esa. Toma en silencio el valor por defecto 'A' (IEC 60268-1 6.2.1). El campo es una etiqueta, no un filtro: la función no vuelve a ponderar nada, así que declarar weighting="CCIR" mientras se le pasa una tensión ponderada A produce un nivel correctamente calculado con el nombre equivocado encima, que es exactamente el error del que avisa la sección 3, ahora impreso en un informe. Dar las dos cifras de la misma cápsula es la forma honrada, porque son preguntas distintas y las dos son legítimas.

microphone_characteristics devuelve un MicrophoneCharacteristics con el sensitivity_level_db, el effective_range, el directivity_index_db, el equivalent_noise_level_db, el max_spl_db, la signal_to_noise_ratio_db y el diffuse_field_sensitivity_level_db calculados, y un .report() que escribe la ficha. La respuesta de campo libre se dibuja con su banda de tolerancia, el marcador de la frecuencia de referencia y los marcadores del rango efectivo según la proporción de IEC 60263 (una década de frecuencia igual a 25 dB), y el diagrama direccional sobre el círculo de referencia de 25 dB de IEC 60263; el espectro de ruido inherente y la curva de distorsión frente a nivel (con el límite de THD y el nivel de sobrecarga marcados) alimentan los paneles secundarios. Un requirement en los metadatos se comprueba como nivel de ruido equivalente máximo permitido.

Las características nominales también están disponibles de forma interactiva mediante .plot(), que dibuja un concepto por figura con el mismo código de paneles que compone el informe, seleccionado con quantity. Al pasar unos ejes se dibuja sobre ellos:

result.plot()                        # respuesta de campo libre (por defecto)
result.plot(quantity="directivity")  # diagrama polar sobre el círculo de 25 dB
result.plot(quantity="noise")        # espectro de banda del ruido inherente
result.plot(quantity="distortion")   # THD frente al nivel de presión acústica

Respuesta relativa de campo libre del micrófono con su banda de tolerancia sombreada, el marcador de la frecuencia de referencia y los marcadores del rango efectivo sobre un eje de frecuencias nominales

La banda sombreada es la tolerancia que declara quien lee (tolerance_db, 3 dB aquí) y los bordes del rango efectivo del apartado 12.2 son sus cruces interpolados, así que una tolerancia más estrecha acorta el rango declarado: dos micrófonos no se pueden comparar solo por el rango sin ella. La curva está normalizada a 0 dB en la frecuencia de referencia de 1 kHz del apartado 11.3, que es donde se cita la sensibilidad nominal, y el realce cercano a 9 kHz de aquí es un pico de presencia deliberado, no un defecto.

Ver el código de esta figura

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from phonometry import microphone_characteristics

freqs = np.geomspace(20, 20000, 400)
response = -10 * np.log10(1 + (30.0 / freqs) ** 4)      # caída en baja frecuencia
response -= 10 * np.log10(1 + (freqs / 19000.0) ** 8)   # caída en alta frecuencia
response += 2.0 * np.exp(-(np.log2(freqs / 9000.0) ** 2) / 0.3)  # región de presencia

result = microphone_characteristics(freqs, response, 12.5, tolerance_db=3.0)
result.plot(language="es")   # quantity="response" (por defecto)
plt.show()

Diagrama direccional cardioide del micrófono a 1000 Hz sobre el círculo de referencia de 25 dB de IEC 60263

Dibujado sobre el círculo de referencia de 25 dB del apartado 3 de IEC 60263, así que el radio completo son 25 dB y cada anillo son 5 dB; el rechazo trasero del cardioide es la profundidad de su nulo a 180°. Este es un corte a una frecuencia: una cápsula real conserva la forma de libro de texto solo por el centro de su banda, que es la razón de que el apartado 13.1.2 a) pida los centros de octava de 125 Hz a 16 kHz. Es el panel a partir del cual se calcula el índice de directividad de 4,8 dB de la ficha.

Ver el código de esta figura

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from phonometry import MicrophoneDirectivity, microphone_characteristics

freqs = np.geomspace(20, 20000, 400)
response = -10 * np.log10(1 + (30.0 / freqs) ** 4)
angles = np.linspace(0, 179, 359)
cardioid = 20 * np.log10((1 + np.cos(np.radians(angles))) / 2)

result = microphone_characteristics(
    freqs, response, 12.5, tolerance_db=3.0,
    directivity=MicrophoneDirectivity(polar=(angles, cardioid), frequency=1000.0),
)
result.plot(quantity="directivity", language="es")
plt.show()

Espectro de nivel de banda del ruido inherente del micrófono frente a la frecuencia

El desglose por bandas que hay detrás de la cifra única de ruido equivalente, y atención a la ordenada: son niveles de banda de presión acústica equivalente, no de tensión. La subida en el extremo grave es el ruido 1/f del amplificador, que la ponderación A descuenta con dureza, y por eso el total ponderado A lo dominan las bandas medias y por eso la misma cápsula lee tan distinto a través de la red 468.

Ver el código de esta figura

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from phonometry import MicrophoneNoise, microphone_characteristics

freqs = np.geomspace(20, 20000, 400)
response = -10 * np.log10(1 + (30.0 / freqs) ** 4)
noise_f = np.geomspace(20, 20000, 31)

result = microphone_characteristics(
    freqs, response, 12.5, tolerance_db=3.0,
    noise=MicrophoneNoise(
        voltage=1.25e-6,
        spectrum=(noise_f, 6.0 + 12.0 * np.log10(1000.0 / noise_f)),
    ),
)
result.plot(quantity="noise", language="es")
plt.show()

Distorsión armónica total del micrófono en porcentaje frente al nivel de presión acústica, con el límite de THD y el nivel de presión acústica de sobrecarga marcados

El codo es donde el movimiento de la cápsula deja de ser lineal, y el nivel de presión acústica de sobrecarga del apartado 15.2 no es más que la lectura de esta curva en el límite declarado, de modo que un «SPL máximo» citado al 0,5 % y otro citado al 3 % se diferencian en varios decibelios para el mismo micrófono, y ninguno significa nada sin su porcentaje.

Ver el código de esta figura

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from phonometry import MicrophoneOverload, microphone_characteristics

freqs = np.geomspace(20, 20000, 400)
response = -10 * np.log10(1 + (30.0 / freqs) ** 4)
spl_axis = np.linspace(100, 140, 81)

result = microphone_characteristics(
    freqs, response, 12.5, tolerance_db=3.0,
    overload=MicrophoneOverload(
        distortion=(spl_axis, 0.5 * 10 ** ((spl_axis - 130.0) * 0.08)),
        thd_percent=0.5,
    ),
)
result.plot(quantity="distortion", language="es")
plt.show()

La ficha de ejemplo se regenera con make reports y se conserva renderizada en el repositorio; pulsa la vista previa para abrir el PDF.

Informe de ejemplo de características del micrófono IEC 60268-4 (PDF) — Ficha de características del micrófono (MicrophoneCharacteristics.report), la tabla de características nominales IEC 60268-4 junto a la respuesta de campo libre, con el diagrama direccional cardioide y los paneles de ruido inherente y THD frente a nivel trazados según las convenciones de 25 dB por década y de círculo de referencia de 25 dB de IEC 60263.

Qué cubre esta guía

Cubierto
Los tres tipos de sensibilidad y las condiciones nominales, la geometría, la calibración por sustitución y la cota de exactitud de ±2 dB que hay detrás de ellos (apartados 4.2.2, 5.5.2, 5.6.2, 5.7, 11.2), el procedimiento de ruido propio del apartado 17.2 con su comprobación del tercio residual, y los límites de 15.2 y 19.2-19.4. Las características nominales de micrófono de IEC 60268-4:2014 mediante microphone_characteristics y su .report(): el nivel de sensibilidad re 1 V/Pa (11.1/11.3), el rango de frecuencias efectivo frente a una tolerancia declarada (12.2), el índice de directividad mediante la integral de campo difuso de 11.2.2 a) (13.2.2), el nivel de ruido equivalente y la relación señal-ruido (17.2), el nivel de presión acústica de sobrecarga leído de una curva de distorsión (15.2) y las impedancias nominales y la alimentación (9/10), con los paneles de respuesta, polar, ruido y distorsión dibujados según las convenciones de escala de IEC 60263.
No cubierto
La instrumentación propia del laboratorio: la cámara anecoica y su cualificación, el micrófono de referencia y su certificado de calibración, la fuente de nivel alto que produce un campo de 140 dB y el plato giratorio. Las condiciones que esos instrumentos tienen que cumplir están en las secciones 1.1, 3 y 3.1, porque son lo que significan los números presentados; la adquisición en sí no está implementada aquí, ni tampoco el detector de cuasipico de la ITU-R 468, así que un nivel de ruido propio calculado con itu_r_468_weighting y una suma en valor eficaz no es una cifra en dBqps. La edición implementada está congelada en IEC 60268-4:2014; la revisión de 2018 que la sustituye no es la verificada. La calibración acústica de una cadena en uso, de la sensibilidad a pascales y dBFS, vive en Calibración y dBFS.

Véase también

Electroacústica: el conjunto de distorsión de IEC 60268-3, THD+N y SINAD, la THD ponderada ITU-R 468 y los estimadores de respuesta en frecuencia H1/H2 que producen las curvas medidas.
Caracterización de altavoces (IEC 60268-5): el informe de características nominales homólogo para el lado de reproducción de la cadena.
Calibración y dBFS: convertir la sensibilidad nominal de un micrófono en niveles de presión acústica calibrados.
Montar un sonómetro: la cadena de medición que alimenta un micrófono caracterizado.
Referencia de la API: electroacoustics.microphone.

Referencias

Beranek, L. L. y Mellow, T. J. (2012). Acoustics: Sound fields and transducers. Academic Press. https://doi.org/10.1016/C2011-0-05897-0ISBN 978-0-12-391421-7. La física del transductor detrás de las secciones 1 y 2: la transducción de condensador y de bobina móvil y los patrones direccionales de primer orden.
International Electrotechnical Commission. (1982). Scales and sizes for plotting frequency characteristics and polar diagrams (IEC 60263:1982). Las proporciones de escala de los gráficos de características: una década de frecuencia igual a 25 dB en la ordenada (apartado 2) y el diagrama polar sobre un círculo de referencia de 25 dB de radio (apartado 3).
International Electrotechnical Commission. (2014). Sound system equipment – Part 4: Microphones (IEC 60268-4:2014). Las características nominales de micrófono de esta guía: la sensibilidad de campo libre y su nivel re 1 V/Pa (11.1/11.3), la respuesta en frecuencia y el rango de frecuencias efectivo (12.1/12.2), el patrón direccional (13.1) y el índice de directividad (13.2.2) mediante la integral de campo difuso de 11.2.2 a), el nivel de presión acústica de sobrecarga (15.2), el nivel de presión acústica equivalente debido al ruido propio (17) y las impedancias nominales y la alimentación (9/10). Revisada después como IEC 60268-4:2018 (misma página de catálogo); la edición implementada es la de 2014.
International Telecommunication Union. (1986). Measurement of audio-frequency noise voltage level in sound broadcasting (Recommendation ITU-R BS.468-4). La red de ponderación y la detección de cuasipico detrás de la cifra de ruido propio en dB(468) de la sección 3.

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