Il **microfono** è il trasduttore fondamentale per le [[Misure acustiche|misure acustiche]], progettato per convertire le fluttuazioni di [[Pressione|pressione]] sonora in un segnale elettrico. Grazie a un capillare di compensazione statica e a un design ottimizzato, garantisce un'elevata stabilità metrologica e una risposta dinamica controllata. ```mermaid graph LR A[Pressione acustica] --> B[Membrana elastica] B --> C[Variazione capacità] C --> D[Segnale elettrico] E[Capillare compensazione] --> B classDef main fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px; classDef sub fill:#bbf,stroke:#333,stroke-width:1px; class A,B,C main; class D,E sub; ``` #### Principio di funzionamento e modello dinamico I microfoni possono essere di vari tipi, tra cui quelli piezoelettrici, a elettrete, capacitivi. Quelli più usati per le misure di suoni e rumori a causa delle loro superiori caratteristiche metrologiche sono tuttavia quelli capacitivi. Un microfono capacitivo è schematizzabile come un [[Modello dinamico degli strumenti di misura|sistema del secondo ordine]] composto da una sottile membrana metallica (diaframma) affacciata a un piatto interno rigido, che costituiscono le armature di un condensatore. Per evitare che le variazioni di pressione atmosferica (molto più grandi delle fluttuazioni acustiche) danneggino la membrana, un condotto capillare collega l'interno della capsula con l'ambiente esterno. Questo capillare agisce come un [[Filtri|filtro]] fluidodinamico passa-alto: equilibra le pressioni statiche e rende lo strumento sensibile solo alle fluttuazioni acustiche rapide (superiori a $20\text{ Hz}$). ![[Pasted image 20260612145422.png]] Sul piatto interno sono presenti dei micro-fori che, sfruttando la resistenza viscosa dell'aria in movimento, introducono uno smorzamento ottimale. Ciò elimina il picco di risonanza tipico dei sistemi del secondo ordine, garantendo una risposta in frequenza piatta fino alla frequenza di risonanza della membrana. La variazione di capacità viene convertita in tensione tramite un circuito RC polarizzato con una tensione di backplate ($E_b$) tipicamente pari a $200\text{ V}$. #### Interazione con il campo sonoro La risposta del microfono si distingue in: - Risposta in pressione: la relazione tra la tensione d'uscita e una pressione uniforme applicata direttamente sulla membrana. - Risposta in campo libero: la relazione tra la tensione d'uscita e la pressione acustica indisturbata prima dell'inserimento del microfono nel campo sonoro. L'inserimento del microfono perturba il campo stesso. Se la lunghezza d'onda $\lambda$ del suono è molto maggiore delle dimensioni del microfono (basse frequenze), la perturbazione è trascurabile. Se $\lambda$ è confrontabile o minore del diametro del microfono (alte frequenze), la membrana si comporta come una parete riflettente, provocando un raddoppio locale della pressione acustica e una conseguente sovrastima del segnale, fortemente dipendente dall'angolo di incidenza dell'onda. #### Tipologie di microfoni e parametri metrologici ##### Microfoni in campo libero Sono progettati e tarati per compensare l'effetto di riflessione quando l'onda sonora li investe frontalmente ($0^\circ$). Devono essere puntati direttamente verso la sorgente sonora per evitare la sottostima delle alte frequenze. ##### Microfoni in campo diffuso Sono tarati per operare in ambienti fortemente riverberanti, dove il suono proviene da tutte le direzioni. Per evitare sovrastime dovute alle riflessioni sulla membrana, vengono orientati con un angolo compreso tra $70^\circ$ e $80^\circ$ rispetto alla sorgente principale. #### Sensibilità e limiti dimensionali La sensibilità a circuito aperto (espressa in $\text{mV/Pa}$, con valori tipici intorno a $50\text{ mV/Pa}$) è proporzionale all'area della membrana. Tuttavia, esiste un vincolo progettuale: - Membrane grandi: garantiscono un'elevata sensibilità e un basso rumore di fondo, ma limitano l'intervallo di frequenza utile a causa degli effetti di diffrazione alle alte frequenze. - Membrane piccole: estendono la risposta alle alte frequenze e riducono la direzionalità, ma presentano una sensibilità inferiore. ### Esempi ed esercizi #### 1. Esempio pratico (Tecnica di Feynman) Pensa alla membrana del microfono come alla pelle di un tamburo teso. Se provi a soffiarci sopra lentamente (come il vento o i cambi di pressione atmosferica), l'aria passa attraverso il piccolo foro capillare sul retro, mantenendo la pelle ferma e impedendole di rompersi. Se invece colpisci la pelle con vibrazioni rapidissime (le onde sonore), l'aria non fa in tempo a passare dal forellino: la pelle vibra, cambia la distanza rispetto al piatto metallico sottostante e genera un segnale elettrico. Se il tamburo è grande, basta un soffio leggerissimo per farlo vibrare (alta sensibilità), ma le onde sonore molto piccole e ravvicinate (alte frequenze) si scontreranno contro la sua superficie alterando la misura. #### 2. Verifica delle competenze ##### Domande di teoria - [ ] Descrivere il comportamento del capillare di compensazione come filtro fluidodinamico e spiegare perché è fondamentale per la sopravvivenza della membrana. - [ ] Quali sono le differenze operative e di taratura tra un microfono per campo libero e uno per campo diffuso? - [ ] Spiegare l'effetto dello smorzamento introdotto dai fori sul piatto interno rispetto alla risposta dinamica del secondo ordine del microfono. ##### Esercizi - [ ] Un microfono capacitivo ha una sensibilità nominale di $50\text{ mV/Pa}$. Calcolare la tensione efficace in uscita ($e_0$) quando è sottoposto a un livello di pressione sonora di $94\text{ dB}$ (assumere $p_0 = 20\ \mu\text{Pa}$). - [ ] Determinare la frequenza limite oltre la quale un microfono con diametro di $12.7\text{ mm}$ (circa $1/2$ pollice) inizia a comportarsi come una parete riflettente, sapendo che tale fenomeno si manifesta quando la lunghezza d'onda è inferiore al diametro del microfono (assumere la velocità del suono $c = 340\text{ m/s}$). ### Collegamenti --- *Per risposte, ulteriori esercizi e approfondimenti consultare le risorse di riferimento.* > [!info]- Risorse > ![[!Misure meccaniche e termiche#Risorse#Bibliografia]] > ![[!Misure meccaniche e termiche#Risorse#Approfondimenti]]