diseÑo de un amplificador como auxiliar auditivo …

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LOPEZ MATEOS” ZACATENCO

“DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR COMO AUXILIAR AUDITIVO DE

TRANDUCCIÓN ÓSEA”

T E S I S

PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN:

JORGE ALFREDO FERNANDEZ QUINTERO DAVID TREJO GUERRERO

ASESORES:

M. EN C. MARCIAL MARGARITO SÁNCHEZ SÁNCHEZ M. EN A. ELIZABETH ARÉVALO GONZÁLEZ

CIUDAD DE MÉXICO AGOSTO 2019

Autorización de uso de obra

Instituto Politécnico Nacional

P r e s e n t e

Bajo protesta de decir verdad los que suscriben C. Jorge Alfredo Fernandez Quintero y C. David Trejo Guerrero,

manifestamos ser autores y titulares de los derechos morales y patrimoniales de la obra titulada “DISEÑO DE UN

AMPLIFICADOR COMO AUXILIAR AUDITIVO DE TRANDUCCIÓN ÓSEA”, en adelante “La Tesis” y de la cual se

adjunta copia, un impreso y un cd por lo que por medio del presente y con fundamento en el artículo 27 fracción

II, inciso b) de la Ley Federal del Derecho de Autor, otorgamos al Instituto Politécnico Nacional, en adelante EL

IPN, autorización no exclusiva para comunicar y exhibir públicamente total o parcialmente en medio digitales o

en cualquier otro medio; para apoyar futuros trabajos relacionados con el tema de “La Tesis” por un periodo de

1 año contando a partir de la fecha de la presente autorización, dicho periodo se renovará automáticamente en

caso no dar aviso expreso a EL IPN de su terminación.

En virtud de lo anterior, EL IPN deberá reconocer en todo momento nuestra calidad de autores de “La Tesis”.

Adicionalmente, y en nuestra calidad de autores y titulares de los derechos morales y patrimoniales de “La Tesis”,

manifestamos que la misma es original y que la presente autorización no contraviene ninguna otorgada por los

suscritos respecto de “La Tesis”, por lo que deslindamos de toda responsabilidad a EL IPN en caso de que el

contenido de “La Tesis” o la autorización concedida afecte o viole derechos autorales, industriales, secretos

industriales, convenios o contratos de confidencialidad o en general cualquier derecho de propiedad intelectual

de terceros y asumimos las consecuencias legales y económicas de cualquier demanda o reclamación que puedan

derivarse del caso.

Ciudad de México., a 24 de agosto de 2019.

Atentamente

C. Jorge Alfredo Fernandez Quintero

C. David Trejo Guerrero

AGRADECIMIENTOS

A Nuestros Padres:

¡Gracias! Por su invaluable cariño, cuidados y enseñanza que han hecho de nosotros

hombres de provecho, que a pesar de numerosas adversidades siempre han sabido

salir adelante. Por aquellos momentos que son parte ejemplar en nuestras vidas.

Al profesor Sánchez Jiménez Francisco:

Quien nos apoyó en la elaboración de este trabajo en la parte acústica y algunas

ideas respecto a lo teórico siendo el profesor adjunto de la materia. Gracias por los

conocimientos y la paciencia que nos demostró.

A Nuestros Profesores:

Agradecemos ampliamente la inspiración que día a día logran

proporcionarnos, que todas esas enseñanzas y consejos, nos sirvan en nuestra vida

profesional y social, que a pesar de las tareas que alguna vez nos hicieron desvelar, lo

hicieron con el objetivo de mejorar y poner en alto esta amada institución y que la

frase “La técnica al servicio de la patria” no solo quede en palabras.

¡Gracias!

i

ÍNDICE

Objetivo iii

Justificación iv

Introducción v

Capítulo 1 Marco teórico ......................................................................................................... 1

1.1 Anatomía y fisiología del oído .......................................................................................2

1.2 Pérdida auditiva ...............................................................................................................3

1.2.1 Pérdida auditiva vs pérdida visual ...................................................................................................... 4 1.2.2 Tipos de pérdidas auditivas ................................................................................................................ 5

1.3 Audiometría ......................................................................................................................7

1.3.1 Conducción aérea ............................................................................................................................... 8 1.3.2 Conducción ósea ................................................................................................................................. 8

1.4 Transductor óseo ............................................................................................................9

1.5 Micrófonos ........................................................................................................................9

1.5.1 Tipos de micrófonos ......................................................................................................................... 10 a) Según su elemento transductor ......................................................................................................... 10

b) Según su captación ........................................................................................................................... 10

1.6 Auxiliares auditivos ....................................................................................................... 12

1.7 Ecualizadores ................................................................................................................. 15

Capítulo 2 Diseño del dispositivo .......................................................................................... 17

2.1 Diagrama a bloques....................................................................................................... 18

2.1.1 Micrófono ......................................................................................................................................... 18 2.1.2 Preamplificador ................................................................................................................................ 18 2.1.3 Ecualizador ....................................................................................................................................... 19 2.1.4 Amplificador ..................................................................................................................................... 19 2.1.5 Transductor óseo............................................................................................................................... 19

2.2 Cálculos .......................................................................................................................... 19

2.2.1 Preamplificador ................................................................................................................................ 19 2.2.2 Ecualizador ....................................................................................................................................... 23 2.2.3 Amplificador ..................................................................................................................................... 25

2.3 Construcción del dispositivo ....................................................................................... 26

2.3.1 Armado de circuitos en protoboard .................................................................................................. 26 2.3.2 Diseño de circuitos impresos ............................................................................................................ 26 2.3.3 Realización de circuitos impresos .................................................................................................... 27 2.3.4 Producto final ................................................................................................................................... 28

ii

Capítulo 3 Mediciones y pruebas .......................................................................................... 29

3.1 Patrón polar de micrófono............................................................................................ 30

3.2 Ganancia en voltaje de entrada-salida ........................................................................ 35

3.3 Simulación de circuitos ................................................................................................ 42

3.3.1 Preamplificador ................................................................................................................................ 42 3.3.2 Ecualizador ....................................................................................................................................... 43 3.3.3 Amplificador ..................................................................................................................................... 47

3.4 Prueba e implementación ............................................................................................. 48

3.4.1 Audiometría sin dispositivo .............................................................................................................. 48 3.4.2 Audiometría con dispositivo ............................................................................................................. 50

Costos vi

Observaciones viii

Conclusiones ix

Marco legal x

Referencias xiii

Anexos xiv

iii

OBJETIVO

Diseñar un ecualizador personalizable para un transductor óseo, en el rango

de frecuencia de la voz humana, mediante un dispositivo auxiliar auditivo por

transducción ósea.

OBJETIVOS PARTICULARES.

a. Diseñar un preamplificador para la etapa de adquisición de audio (voz).

b. Diseñar un ecualizador por bandas de octavas, ajustable con base a

resultados de audiometrías.

c. Diseñar un amplificador para los transductores óseos

iv

JUSTIFICACIÓN

La pérdida auditiva es un problema de gran relevancia para la sociedad, ya que

no solo afecta a quien lo padece, además a quienes los rodean. Dimensionando, se

sabe que hay 4, 527,784 personas con discapacidades en México, el 12.1% es

causa de la pérdida auditiva según el INEGI en un estudio que se llevó a cabo en

2010, por lo que se diseñará un dispositivo electrónico que será capaz de ecualizar

la señal de audio, y que pueda beneficiar a la gente con esta discapacidad.

Es importante saber que hay diferentes pérdidas auditivas, como lo son la pérdida

conductiva, neurosensorial, mixta y retro coclear. Este trabajo enfatizará en las

personas que padecen de una pérdida auditiva parcial, con base en expedientes

clínicos de audiometría.

El caso del transductor óseo, un dispositivo que al vibrar provoca ondas que viajan

por el cráneo, hasta llegar a las células ciliadas, que se encargan de censar de forma

natural las ondas de sonido. Este dispositivo será de ayuda para quienes tienen

déficit en el oído externo, medio e interno siempre y cuando funcionen las células

ciliadas.

v

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo habla acerca del diseño de un dispositivo auxiliar

auditivo, utilizando conducción ósea como medio de propagación del sonido,

resulta fundamental la definición de conducción ósea, para empezar podemos

definir la conducción ósea cómo la propagación del sonido por medio del material

poroso de los huesos, siendo estos la vía para llegar al oído interno y provocar la

sensación auditiva, evitando el camino convencional del sonido por medio de la

conducción aérea, que recorre del oído externo, al medio y por último al interno

pasando por los huesecillos (yunque, martillo y estribo).

Los huesecillos sufren deterioro y descalcificación debido a factores cómo la edad,

la prolongada exposición a sonidos mayores a los 80 decibeles, el uso de algunos

medicamentos, que en sus efectos secundarios dañan dicho sistema e incluso

pudiera haber un deterioro del sistema de manera congénita, por ello la conducción

ósea tiene ventajas sobre la conducción aérea ya que no necesariamente requiere

del movimiento de dichos huesecillos para tener la sensación auditiva.

En relación con las pérdidas auditivas que una persona presenta, se requiere de

una prueba de audiometría para saber el nivel de deterioro de su sistema auditivo

(sordera), conocer en qué frecuencias se presenta mayor pérdida auditiva.

El auxiliar auditivo requerirá de dicho estudio para poder adecuarse a cada caso

(personalizable), pudiendo corregir la audición, amplificando las frecuencias que

menos se escuchan y manteniendo estables las frecuencias que si se perciben, de

esta forma poder asemejar mucho la audición del usuario con la audición de una

persona sana.

Capítulo 1

Marco teórico

CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO 2

1.1 Anatomía y fisiología del oído

El oído humano es una maquinaría que permite captar las vibraciones del

aire las cuales llamamos sonido, esta parte del cuerpo es muy compleja, por lo que

la mayoría de los autores manejan una clasificación, la cual está constituida de 3

partes oído externo, medio e interno. Ver imagen 1.1. A continuación se mostrará

la definición de cada parte y su respectivo funcionamiento.

Imagen 1.1 Anatomía del Oído humano.

Oído externo: Consta de la aurícula y del meato acústico externo. La aurícula o

pabellón auricular es lo que la mayoría conoce como oreja, esta estructura permite

la captura de las ondas sonoras imaginemos que es como un guante de beisbol con

una pelota, donde el guante es la oreja y la pelota el sonido. Mientras el meato es

una cámara la cual contiene glándulas ceruminosas que segregan cerumen y este

sirve como protección contra insectos.


Oído medio: Constituida de la cavidad timpánica, la cual se encuentra rodeada de

mucosa y llena de aire dentro del hueso temporal u Osículos auditivos (Martillo,

Yunque y Estribo). Los Osículos son los que trasmiten la vibración del tambor del

oído a los líquidos internos.

Oído interno: Es un laberinto de cámaras óseas denominado laberinto óseo, que

se encuentra en lo profundo del hueso temporal detrás de la cuenca de ojo. Las tres

subdivisiones del laberinto óseo son la cóclea en espiral, del tamaño de un

chícharo, el vestíbulo y los canales semicirculares. Todas las subdivisiones

consisten principalmente en dar sentido de equilibrio y traducir de una forma

mecánica las ondas sonoras en pequeños pulsos eléctricos para los nervios

vestibulococleares, las cuales son percibidas por las células ciliadas. (Elaine N.

Marieb, 2008)

1.2 Pérdida auditiva

La pérdida auditiva puede deberse a problemas del oído externo y medio o

a daños en las células y fibras del oído interno. También puede ser una

combinación de los dos. Se sabe que la pérdida auditiva se debe a diferentes

factores como pueden ser, la exposición a un sonido mayor a los 80 dB, por alguna

infección en los oídos, nariz o garganta, el uso de fármacos que en sus efectos

secundarios causen sordera temporal o en su caso extremo la sordera permanente,

sordera congénita, sordera por edad avanzada o por algún golpe en los oídos.


1.2.1 Pérdida auditiva vs pérdida visual

Al igual que ocurre con la vista, la edad afecta al funcionamiento del oído. El

deterioro de la visión hace que, gradualmente, resulte más difícil leer la letra

pequeña. Sin embargo, la pérdida auditiva funciona de otra manera.

Puede que sea más difícil oír determinadas sílabas y sonidos. Por ejemplo, las

consonantes fricativas, como la "f" y la "s", u oclusivas como la "t" quedan

fácilmente ahogadas por vocales como la "a", la "o" o la "u". A consecuencia de

esto, las personas con pérdida auditiva pueden quejarse de que oyen que los demás

hablan, pero no entienden lo que dicen. Ver Imagen 1.2. (Oticon, 2018)

a) b) c)

Imagen 1.2 Muestra como es la pérdida auditiva en comparación de la pérdida visual. a)

Tabla optométrica de Snellen b) Pérdida de visión c) Pérdida de audición


1.2.2 Tipos de pérdidas auditivas

Hay distintas clasificaciones de pérdidas auditivas, pero a fines de esta

investigación solo se empleará la pérdida conductiva, neurosensorial, mixta y retro

coclear. La cual permitirá ver la pérdida del oído a partir de sus zonas afectadas.

Ver imagen 1.3.

Imagen 1.3 Se observan las distintas pérdidas auditivas con respecto a la zona afectada.

a) Neurosensorial b) Conductiva c) Mixta y d) Retro coclear

a) Pérdida Auditiva Conductiva

Todo problema en el oído externo o medio que impida que el sonido se transmita

adecuadamente se conoce como pérdida auditiva conductiva o de transmisión. Las

pérdidas auditivas conductivas son generalmente de grado leve o moderado,

oscilando entre los 25 y los 65 decibeles.


En algunos casos, la pérdida auditiva conductiva puede ser temporal.

Dependiendo de la causa específica del problema, se puede solucionar con un

tratamiento de medicamentos o cirugía. La pérdida auditiva conductiva se puede

corregir también con un audífono o un implante de oído medio.

b) Pérdida auditiva neurosensorial

La pérdida auditiva neurosensorial es el resultado del deterioro o ausencia de

células sensoriales (células ciliadas) en la cóclea y suele ser permanente. Conocida

también como “sordera del nervio”, la pérdida auditiva neurosensorial puede ser

leve, moderada, severa o profunda. (Hear it, 2018)

La pérdida auditiva neurosensorial de leve a severa se puede corregir

habitualmente con un audífono o un implante de oído medio. En muchos casos,

los implantes cocleares son una solución para la pérdida auditiva severa o

profunda.

Algunas personas sufren una pérdida auditiva neurosensorial sólo en las altas

frecuencias, lo que se conoce también como sordera parcial. En estos casos, sólo

están deterioradas las células ciliadas ubicadas en la base de la cóclea. En la parte

interna de la cóclea, en el ápex, las células ciliadas responsables de procesar los

sonidos de tonos graves permanecen intactas.

c) Pérdida auditiva mixta

Una pérdida auditiva mixta es la combinación de una pérdida auditiva

neurosensorial y conductiva. Se produce como consecuencia de problemas tanto

en el oído interno como medio. Entre las opciones de tratamiento se encuentran el

tratamiento con medicamentos, la cirugía, los audífonos o el implante de oído

medio.


d) Pérdida auditiva retro coclear

Un problema que tenga como consecuencia la ausencia o el deterioro del nervio

auditivo puede ocasionar una pérdida auditiva retro coclear. La pérdida auditiva

retro coclear suele ser profunda y permanente.

Los audífonos y los implantes cocleares no son efectivos, ya que el nervio no

puede transmitir la información sonora necesaria al cerebro. (Med-el, 2018)

1.3 Audiometría

La audiometría es un examen que se realiza para determinar el grado de

audición de un paciente, para comprobar si existe alguna pérdida auditiva y poder

cuantificarla.

Las ondas sonoras viajan por el conducto auditivo, desde el oído externo, haciendo

vibrar los huesecillos en el oído medio y desembocando después en el oído

interno, en ese momento se produce la audición (conducción aérea). Sin embargo,

el sonido también puede llegar al cerebro a través de los huesos que se encuentran

detrás del oído. Se conoce como conducción ósea. (Otorrino, 2018)

En una audiometría se analizan factores como la tonalidad del sonido y se

identifica además el umbral auditivo del individuo. Esta prueba se suele realizar

de dos formas diferentes: por vía área gracias al uso de auriculares o por vía ósea,

con un diapasón que se coloca tras la oreja. Ver imagen 1.4


Figura 1.4 Audiometría con diapasones para a) conducción ósea y b) Conducción aérea

1.3.1 Conducción aérea

El procedimiento para realizar este examen por vía aérea es el siguiente. Se

taponea un oído y se comprueba si se escuchan todos los sonidos por el otro.

Consiste en poner audífonos en los oídos y evaluar la capacidad auditiva probando

varios sonidos a diferentes intensidades, primero en un oído y luego en otro para

examinarlos por separado. (Audifón, 2018)

1.3.2 Conducción ósea

Para evaluar la audición por vía ósea se utiliza un objeto que vibre, por ejemplo,

un diapasón, que es golpeado suavemente y se coloca cerca de cada una de las

orejas para evaluar la capacidad auditiva por conducción aérea (los diapasones

tienen una frecuencia de resonancia por cada octava de banda). Posteriormente,

vuelve a golpearse y se pone en el hueso mastoideo, que está situado detrás de

cada oído, para comprobar qué tal funciona la conducción ósea. (Audifón, 2018)

a)

b)


1.4 Transductor óseo

Un transductor es un dispositivo que tiene un tipo de energía, que a su

entrada es capaz de transformar esa energía en otra diferente en su salida, existen

distintos tipos de transductores, específicamente un transductor óseo, su principal

función es muy similar a la que tiene un altavoz, es decir, posee una membrana a

la salida que al recibir una señal eléctrica se mueve, pero en este caso por ser un

transductor especial, vibra de una forma que su conducción se propaga a través de

los huesos del cráneo, cumpliendo con el objetivo de transportar el sonido sin la

necesidad de utilizar la conducción aérea o utilizar un implante coclear. Ver

imagen 1.5.

Imagen 1.5 Transductor óseo

1.5 Micrófonos

El micrófono es el encargado de transformar la energía acústica en eléctrica,

las diferentes formas de transformar esta energía acústica a energía eléctrica dan

lugar a los diferentes tipos de micrófono y a su clasificación según su construcción

y la forma en captar el sonido. (Música, 2018)


1.5.1 Tipos de micrófonos

Sin duda en la actualidad hay una gran variedad de micrófonos, sin embargo,

existen 2 características principales, permitirán seleccionar el micrófono. Estas

son por su construcción y por su captación.

a) Según su elemento transductor

Existen principalmente 2 tipos de micrófonos con base a su construcción. En la

siguiente tabla (Ver tabla 1) se puede observar los tipos, y principales

características y aplicaciones.

Tabla 1.- Muestra las diferencias de micrófonos según su elemento transductor

DINÁMICOS O DE BOBINA MÓVIL DE CONDENSADOR

Es bueno para bajas frecuencias, pero

malo en las altas

Respuesta plana para todo el rango

de frecuencias

Baja sensibilidad Alta sensibilidad

Muy robustos. Son insensibles a la humedad y más

frágiles.

No necesariamente necesitan

alimentación. Necesitan alimentación

b) Según su captación

Todos los micrófonos independientemente de su construcción pueden tener

formas de captación iguales.

La directividad: Es una de las principales características de los micrófonos y

define el tipo de captación de estos.

Tenemos que tener en cuenta, que la propagación del sonido es diferente según la

frecuencia que se está propagando. Por ello la captación de sonido será muy


diferente. A rasgos generales, siempre serán más direccionales las altas

frecuencias que las bajas. Así, cuando se define el diagrama de captación de un

micrófono, está se dará para distintas bandas de frecuencias, con más precisión

para agudos y más omnidireccional para graves.

El tipo de captación de cada micrófono se mostrará en un diagrama polar, que nos

indica la dirección 0º como la dirección en la que está dirigido el micrófono. La

máxima captación en los ejes será de 0 dB, y nos encontraremos indicados

distintos ángulos respecto al eje 0º y en cada uno vendrá reflejado el nivel de

atenuación que sufre el sonido que proviene de ese ángulo. Esto dará como

resultado un dibujo, una curva, que nos define el tipo de directividad del

micrófono.

Según el tipo de diagrama polar, encontraremos tres grandes grupos de captación,

los más usados, omnidireccionales, unidireccionales y cardioides.

Micrófonos omnidireccionales

Son los que captan el sonido en todas direcciones. No influye la posición del micro

en la captación, son muy usados en teatros, platos de TV, también se usa mucho

en estudios para grabación. Por contra, tienden a realimentarse, por eso no se usan

mucho en conciertos.

Micrófonos unidireccionales

Solo captan en una dirección. Los más conocidos son los micrófonos de cañón,

muy usados en cine para captar el sonido desde una cierta distancia y así no

interferir en la imagen. También es muy utilizado para captar sonidos ambientes

(sonido de tráfico, animales, etc.), usados en TV y cine.


Micrófonos cardioides

El diagrama polar es una curva con forma de corazón, por eso su nombre. Es la

directividad más utilizada porque no sufre una atenuación muy fuerte hasta los 90º

y esto permite una cierta libertad de movimiento en la fuente. Un buen micrófono

tampoco debería repercutir en variaciones de timbre, pues la repuesta en

frecuencia se mantiene para todo el rango. Otra ventaja, es que en su parte trasera

tiene su atenuación máxima, perfecto para ser usado como micrófono de mano,

así evita captar las señales de la mano sobre el micrófono y evita la realimentación.

(Música, 2018)

1.6 Auxiliares auditivos

Los auxiliares auditivos son dispositivos médicos que compensan la pérdida

de audición mediante la amplificación procesada de los sonidos. Están

compuestos por un micrófono, un circuito que procesa y amplifica el sonido,

además de un receptor. Los auxiliares auditivos funcionan con la alimentación

eléctrica de una batería. La conducción del sonido amplificado se realiza

principalmente por vía aérea, pudiendo ser ósea en casos específicos. La señal

procesada digitalmente se emitirá y viajará a través del conducto auditivo externo

llegando hasta la membrana timpánica, estimulando así el oído medio e interno

con la intensidad específica que el paciente requiera.

Estos son algunos auxiliares auditivos disponibles en el mercado:

Auxiliares dentro del oído (ITE). Este tipo de auxiliares están hechos de una

cubierta plástica que se acomoda a la parte interna del oído. Estos se utilizan

generalmente para pérdidas auditivas desde leves hasta severas. Este auxiliar

puede ser utilizado en conjunto con otros dispositivos auxiliares, como el cable


utilizado para mejorar la recepción durante una llamada telefónica. Sin embargo,

el tamaño reducido de este hace difícil el hacer ajustes. Otra desventaja de este

auxiliar es que el funcionamiento de este puede ser afectado por la cera del oído.

Debido a que este auxiliar es tan pequeño no se recomienda su uso con niños. Ver

Imagen 1.6. a.

Auxiliares detrás de la oreja (BTE por sus siglas en inglés). Estos auxiliares, como

el nombre lo implican, se utilizan detrás de la oreja. Este tipo de auxiliar está

conectado a un molde el cual se coloca dentro del oído. El auxiliar se utiliza con

pérdidas desde leves hasta severa.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Imagen 1.6 Tipos de auxiliares auditivos a) ITE b) BTE c) En el canal d) De cuerpo e)

CROS y f) BAHA


Sin embargo, un BTE inadecuadamente ajustado puede causar realimentación o

“feedback”, un silbido bastante molesto, en el oído. Este tipo de auxiliar es el que

generalmente se utiliza con niños. Imagen 1.6. b.

Auxiliares en el canal. Este tipo de auxiliares se coloca dentro del canal auditivo,

ajustándose al tamaño y la forma del canal del individuo. Generalmente se

recomienda su uso cuando existe una pérdida auditiva entre leve y moderada.

Debido a su tamaño reducido, a veces puede ser difícil de remover y hacerle

ajustes. La cera o algún tipo de drenaje en el oído pueden dañar este tipo de

auxiliares, siendo esta una de las razones por las cuales no se recomiendan para

los niños. Imagen 1.6. c.

Auxiliares de cuerpo. Estos auxiliares, generalmente se utilizan en caso de

pérdidas auditivas profundas y de tecnología análoga, están conectados al oído por

un cable y pueden ser llevados en un bolsillo o amarrados a un cinto. Imagen 1.6.

d.

Auxiliares de Dirección de Señal Contralateral (CROS por sus siglas en inglés).

Estos auxiliares están específicamente diseñados para pérdidas auditivas

unilaterales. Generalmente su uso no es apropiado para niños pequeños. Este

sistema utiliza un micrófono, el cual es colocado en el oído afectado, para recibir

la señal. Luego esta señal es transmitida al oído “sano” a través de una frecuencia

radial. De esta manera, el usuario escucha los sonidos en ambos lados de su

cabeza. Imagen 1.6. e.

Audífono de conducción ósea (BAHA por sus siglas en inglés). Este auxiliar es

un dispositivo implantado en el hueso mastoideo por el cual el sonido es

transmitido a través del hueso. Este es utilizado con individuos que padecen de

pérdidas auditivas mixtas o conductivas. Un accesorio hecho de titanio es


implantado en el hueso detrás del oído. Este accesorio eventualmente se funde al

hueso. Luego del proceso de sanación de la cirugía, alrededor de tres meses, se le

coloca al paciente el procesador de sonidos, el cual es insertado en la piel. Este

procesador tiene un control de volumen y un micrófono multidireccional. De esta

manera el sonido es transmitido al oído interno a través del hueso, en lugar de

utilizar el oído medio. Este tipo de auxiliares solo están disponibles para personas

mayores de 18 años. Imagen 1.6. f. (Beginnings, 2018)

1.7 Ecualizadores

Un ecualizador es un dispositivo que modifica la amplitud de ganancia del

contenido en frecuencias de la señal que procesa, lo que se traduce en diferentes

amplitudes para cada frecuencia. Con esto se puede variar de forma independiente

la intensidad de los tonos básicos.

Un ecualizador gráfico es un dispositivo que procesa señales de audio y nos

permite dividir esta señal en diferentes bandas de frecuencia, pudiendo alterar la

ganancia de cada banda de forma independiente. Su nombre viene dado por la

disposición de los potenciómetros deslizables (usualmente), colocados de forma

que permite visualizar la compensación realizada. Normalmente es utilizado en

audio profesional, para adaptar el sistema de altavoces respecto a la respuesta en

frecuencia deseada en cada aplicación. Imagen 1.7.


Imagen 1.7 Ecualizador gráfico

FRECUENCIA

RES

PU

ESTA

Capítulo 2

Diseño del dispositivo

CAPÍTULO 2 DISEÑO DEL DISPOSITIVO 18

2.1 Diagrama a bloques

El siguiente diagrama a bloques describe las partes fundamentales del

diseño y funcionamiento de este proyecto. Ver imagen 2.1.

Imagen 2.1 Diagrama a bloques del circuito

Los bloques de color rojo (voz y oído interno) representan la parte mecánica del

proyecto (acústica), los bloques de color verde (Micrófono y Transductor óseo)

representan la parte electromecánica (electroacústica), los bloques de color azul

(preamplificador, ecualizador y amplificador) son la parte electrónica de dicho

circuito, en donde se procesa la señal de audio.

2.1.1 Micrófono

Se coloca un micrófono de condensador variable tipo electret, con una respuesta

en frecuencia de los 50 a los 15KHz, además de ser insensible al polvo y al

calor.

2.1.2 Preamplificador

En este bloque se recibe la señal procedente del micrófono, la cual es

preamplificada para su procesamiento en la siguiente etapa de ecualización.

Voz

2.1.1

Micrófono


2.1.3

Ecualizador

2.1.4

Amplificador

2.1.5

Transductor

Óseo

Oído

interno


2.1.3 Ecualizador

La señal obtenida en la etapa anterior se procesa en el ecualizador, previamente

se hace un estudio de audiometría que servirá de apoyo para conocer las bandas

de frecuencia a procesar.

La señal recibida de la etapa preamplificadora se procesa, aumentando su

amplitud.

2.1.4 Amplificador

En esta etapa se amplifica la señal saliente del ecualizador que irá a los

transductores óseos.

2.1.5 Transductor óseo

La señal es transformada en energía mecánica, mediante la vibración de los

transductores sobre el cráneo induciendo la audición.

2.2 Cálculos

A continuación, se explica paso a paso los cálculos realizados en cada etapa del

diagrama a bloques (Ver imagen 2.1). Es importante mencionar que, en las

etapas electroacústicas se representa al micrófono como una fuente de voltaje y

al transductor óseo como una resistencia de carga.


Para esta etapa se ocupa un amplificador operacional (AO) inversor de fuente

única, conectado a la salida de un micrófono en serie a un resistor de 10K Ω,

para limitar la corriente que fluye a través del micrófono (el máximo debe ser

de 0.5m A), para este caso se implementa un divisor de voltaje, que permite

desplazar el voltaje de positivo a cualquier nivel, mediante dos resistencias.

Como se muestra en la siguiente imagen 2.2


Imagen 2.2 Amplificador Operacional inversor de fuente única

A continuación, se muestra la obtención de las ecuaciones 1 y 2 que se utilizarán

para esta configuración del AO. (C. J. Savant. 1991)

Para la obtención del voltaje en RD2 bastará con un divisor de voltaje denotado

por la siguiente fórmula:

𝑉𝑅𝐷2 =𝑅𝐷1

𝑅𝐷1 + 𝑅𝐷2∗ 𝑉𝑐𝑐 (1)

Donde:

𝑅𝐷1 𝑦 𝑅𝐷2 𝑠𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑖𝑣𝑖𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 (Ω)

Vcc es el volatje de la pila o fuente (V)

𝑉𝑅𝐷2 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑉)

*El valor de las resistencias del divisor de voltaje tienen que ser 2 veces el

valor de R2 para balancear el sistema

La ganancia está denotada por la ecuación 2:

𝑉𝐿 = −𝑅2

𝑅1∗ 𝑉𝑀 (2)


Donde:

VL es el voltaje de la carga o de salida (V)

VM es el voltaje del micrófono o de entrada (V)

𝑅1 y 𝑅2 son los resistores del circuito (Ω)

*El signo negativo de la ecuación 2 sólo indica la inversión de la señal y VM

para el caso del amplificador 2.2.3 será Veq.

La ecuación para hallar a C1 y C2 son 3 y 4:

𝐶1 ≥50

𝜋𝑓𝑅1 (3)

Y

𝐶2 ≥50

𝜋𝑓𝑅𝐿 (4)

Donde:

C son los capacitores denotados con su respectivo subindice (F)

f es la frecuencia de trabajo (Hz)

RL resistencia de carga (Ω)

Se caracterizó al micrófono para saber el máximo voltaje de salida, siendo de

5mVpp. Es decir, VM = 5mVpp. Se despeja R1 y se propone R2=10KΩ de la

ecuación 2, además se busca una ganancia de 100 veces el voltaje de entrada,

por lo tanto, VL=0.5V:

𝑅1 = −10𝐾Ω

500𝑚𝑉∗ 5𝑚𝑉

𝑅1 = −100 Ω

Ya que se tiene R1 se sabe que:

𝑅𝐷1 𝑦 𝑅𝐷2 = 20𝐾Ω


Con lo anterior se garantiza la partición de la mitad de pila que necesita el AO.

Para su correcto uso, cabe mencionar que el amplificador que se utilizará será

el LM358, con alimentación de 3 a 32V. (Ver Anexo 1).

A continuación, se obtendrá los valores de los capacitores de acoplo, mediante

las ecuaciones 3 y 4, donde la frecuencia superior es de 15KHz, debido a que

es la frecuencia más alta que se maneja.

𝐶1 ≥50

𝜋(15𝐾𝐻𝑧)100Ω= 10.61𝜇𝐹

Y

𝐶2 ≥50

𝜋(125𝐻𝑧) ∗ 10𝐾Ω= 12.73𝜇𝐹

Por lo tanto, el circuito a emplear es el siguiente. (Ver imagen 2.3).

Imagen 2.3 Circuito de etapa preamplificadora


2.2.2 Ecualizador

Tomando la información que el fabricante proporciona, se utilizan las fórmulas

que contiene para el cálculo de la frecuencia y el factor de calidad. (Ver anexo

No. 2).

𝑓0 =1

2𝜋√𝐶1𝐶2𝑅1𝑅2

(5)

Donde:

f0 es la frecuencia de resonancia (Hz)

𝑄 = √𝐶1𝑅2 𝐶2𝑅1⁄ (6)

Donde:

Q es el factor de calidad (Adimencional)

C capacitancia (F)

R resistencia (Ω)

*C y R llevan un subíndice el cuál se ve empleado en la hoja de

especificaciones.

Se despeja C2 de la Ecuación (6)

𝐶2 =𝐶1𝑅2

𝑄2𝑅1 (7)

Se sustituye (7) en (5)

𝑓0 =𝑄

2𝜋𝑅2𝐶1 (8)

Se despeja C1 de (8)

𝐶1 =𝑄

2𝜋𝑅2𝑓0 (9)


La hoja de datos recomienda (Ver Anexo 2)

𝑄 = 2.2 [𝐴𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙]

𝑅1 = 560Ω

𝑅2 = 47𝐾Ω

Con los datos anteriores y con las ecuaciones (7) y (9) se calcula el valor de los

capacitores para las diferentes frecuencias.

Para la frecuencia de 125Hz, se sustituye en la ecuación (9)

𝐶1 =2.2

2𝜋(47𝐾Ω)(125𝐻𝑧)= 59.59𝜂𝐹

Se ajusta a un valor comercial quedando 56𝜂𝐹

Se sustituye el valor de C1 en la ecuación (7)

𝐶2 =(56𝜂𝐹)(47𝐾Ω)

2.22(560Ω)= 971.074𝜂𝐹

Se ajusta a un valor comercial quedando 1𝜇𝐹. De este modo se realiza con las

demás frecuencias, quedando de la siguiente forma (Ver tabla 2).

Tabla 2.- Cálculo de capacitores (ajustados a valor comercial)

Frecuencia (Hz) 𝐶1 (ɳF) 𝐶2 (µF)

125 56 1

250 22 0.82

500 10 0.33

1K 8.2 0.30

2K 3.3 0.12

4K 1.8 0.068

8K 1 0.033


2.2.3 Amplificador

Para esta etapa se utiliza el mismo amplificador operacional que en la etapa

preamplificadora, tomando cómo entrada la señal que el ecualizador tiene a su

salida.

Se utilizarán las mismas fórmulas del preamplificador para el cálculo de los

componentes a utilizar.

El ecualizador entrega a su salida 50mVpp. Es decir, Veq = 50mVpp. Se despeja

R1 y se propone R2=10KΩ de la ecuación 2, además se busca una ganancia de

100 veces el voltaje de entrada, por lo tanto, VL=5V:

𝑅1 = −10𝐾Ω

5𝑉∗ 50𝑚𝑉

𝑅1 = −100Ω

Ya que se tiene R1 se sabe que:

𝑅𝐷1 𝑦 𝑅𝐷2 = 20𝐾Ω

A continuación, se obtendrá los valores de los capacitores de acoplo, mediante

las ecuaciones 3 y 4, donde f = 15KHz debido a que es la frecuencia más alta

que se maneja.

𝐶1 ≥50

𝜋(15𝐾𝐻𝑧)100Ω≅ 10𝜇𝐹

Y

𝐶2 ≥50

𝜋(15𝐾𝐻𝑧) ∗ 10𝐾Ω≅ 100𝜂𝐹


2.3 Construcción del dispositivo

En este subcapítulo se dará a conocer cómo se creó el dispositivo desde

software hasta el hardware.

2.3.1 Armado de circuitos en protoboard

Se hacen pruebas de los circuitos con los valores de los componentes que se

calcularon en la sección anterior (Ver imagen 2.2 y 2.3) a fin de verificar la

funcionalidad, como se muestra en la siguiente imagen. (Ver imagen 2.4).

Imagen 2.4 Armado de circuitos

2.3.2 Diseño de circuitos impresos

Se realiza el diseño mediante Eagle que es un software especializado para el

diseño de Printed Circuit Board (PCB) con las medidas necesarias de los

componentes físicos. Es importante aclarar que en el dispositivo se emplearán


2 circuitos impresos (PCB): Preamplificador (Ver imagen 2.5) y Ecualizador

(Ver imagen 2.6).

Imagen 2.5 Diagrama del preamplificador

Imagen 2.6 Diagrama del ecualizador

2.3.3 Realización de circuitos impresos

El proceso que se realiza para hacer un PCB se basa principalmente en los

siguientes pasos:

1.- Imprimir el circuito diseñado en la sección anterior mediante una impresora

láser monocromático en papel cauche ultrabrillante.

2.- Realizar la transferencia del papel cauche a una placa de fibra de vidrio,

aplicando calor.

3.- Someter la placa a un tratamiento con cloruro férrico para eliminar el cobre

sin tinta, posteriormente enjuagar y pulir.


4.-Estañar la placa (Ver imagen 2.7 a) y soldar los componentes (Ver imagen

2.7 b)

a) b)

Imagen 2.7 Últimos procesos de fabricación de PCB a) Estañado b) Soldado de

componentes

2.3.4 Producto final

Se adjuntan fotografías de los circuitos terminados, primero observamos al

preamplificador y amplificador (Ver imagen 2.8a y 2.8b), posteriormente al

ecualizador (Ver imagen 2.8c y 2.8d).

a) b)

c) d)

Imagen 2.8 Producto terminado a) frente de preamplificador b) reverso de

preamplificador c) frente de ecualizador d) reverso de ecualizador

Capítulo 3

Mediciones y pruebas

CAPITÚLO 3 MEDICIONES Y PRUEBAS 30

3.1 Patrón polar de micrófono

El patrón polar de un micrófono es su sensibilidad al sonido en relación con

la dirección o ángulo del que procede el sonido, o dicho de otra forma la calidad

con la que el micrófono "escucha" el sonido procedente de distintas direcciones.

(R. J. Juan, 2018)

Es necesario realizar el patrón polar del micrófono que se utilizó para el proyecto,

de esta forma se podrá establecer el correcto uso del dispositivo.

Desarrollo:

1.- Las mediciones se realizaron en la cámara anecoica, con el fin de no detectar

frecuencias de rebote (reverberación) y que el sonido captado sea lo más fiel,

además de medir con un sonómetro en ponderación A el ruido de fondo (40dB).

Como la presión sonora que ejerce la voz humana en promedio es de 60dB, no

hay ningún problema con respecto al ruido de fondo ya que no es rebasado. Por lo

tanto, se ajustará el altavoz para que genere dicha respuesta con la certeza de las

mediciones obtenidas. (GA, 2003)

2.- Una vez realizada las condiciones de la cámara, se colocó el micrófono en

medio de la cámara a una altura de 1.5m, conectado a la salida al canal 1 del

osciloscopio y un altavoz se conecta en serie un generador de audio y en paralelo

con del canal 2 del osciloscopio, a la misma altura del micrófono. (Ver imagen

3.1).


Imagen 3.1 Colocación de Equipos para realizar el patrón polar del micrófono

3.- Se ajustará el altavoz a una frecuencia constante (250Hz, 1KHz y 3KHz) con

una presión sonora de 60dB captada por el sonómetro, cambiando la posición del

altavoz cada 30° hasta darle la vuelta por completo y apuntar las distancias de cada

una. (Ver tabla 3).

Tabla 3.- resultados de mediciones en distancia

ÁNGULOS DISTANCIA (cm) con

250Hz 1KHz 3KHz

0° 41.2 45.5 35.0

30° 40.6 45 34.5

60° 38.8 40.8 29.8

90° 36.7 37.5 23.2

120° 32.7 37 20.0

150° 31.3 35.2 18.9

180° 30.2 36.8 17.4

210° 31.0 36.2 18.3

240° 32.7 35.0 19.8

270° 36.2 37.5 22.9

300° 38.4 40.1 29.3

330° 40.2 44 33.7

4.- A continuación, se verá el patrón de captación en cada una de las frecuencias.

Estas graficas nos ayudan a ver desde una perspectiva aérea a que distancia y

dirección detecta el micrófono 60dB, con el fin de caracterizar el dispositivo y

aprovechar su uso correcto. (Ver imagen 3.2, 3.3 y 3.4).


Imagen 3.2 Patrón polar de captación a 250 Hz

Imagen 3.3 Patrón polar de captación a 1K Hz


Imagen 3.4 Patrón polar de captación a 3K Hz

5.- El osciloscopio se utilizó para observar la señal de salida del dispositivo para

verificar la presencia de señal del micrófono y evitar errores sistemáticos. La única

relación que hay entre el osciloscopio y el patrón de captación es la forma de onda

y su frecuencia. (Ver imagen 3.5a y b).

a)

b)


c)

Imagen 3.5 Captación de señal por parte del micrófono a a)3K Hz b)1K Hz y c)250 Hz

En las siguientes imágenes se muestran algunas de las mediciones que se

realizaron durante la prueba. (Ver imagen 3.6a y b)

a) b)

Imagen 3.6 Fotografías de pruebas realizadas en cámara anecoica a) Ajuste a 60dB c)

Medición de distancias


3.2 Ganancia en voltaje de entrada-salida

Es importante la relación de voltaje de salida respecto a la entrada

(Ganancia) en dispositivos electrónicos, debido a que dará una visión de la

eficiencia (observe imagen 3.7)

Imagen 3.7 Determinación de la ganancia en voltaje respecto a la entrada

Para calcular la ganancia en circuitos amplificadores con carga (transductor óseo)

se utilizará la siguiente ecuación:

𝐺𝑣 =𝑉𝑠𝑎𝑙

𝑉𝑒𝑛𝑡 (1)

En su mayoría de las ocasiones hay una gran distancia entre el valor de entrada

(mV) y el de salida (V), por eso se obtiene a partir de logaritmos, obteniendo una

ganancia en decibeles, como se muestra a continuación (Boylestad, 2009):

𝐺𝑑𝐵𝑉 = 20 ∗ 𝐿𝑜𝑔 (𝑉𝑠𝑎𝑙

𝑉𝑒𝑛𝑡) (2)

Se mide que en promedio es de 𝑉𝑒𝑛𝑡 = 36𝑚 𝑉 y el 𝑉𝑠𝑎𝑙 con los potenciómetros

todos al máximo y después todos al mínimo, como se muestra en la siguiente tabla

(Ver tabla 4):


Tabla 4.- Resultados de medición en voltaje de la salida

Bandas (Hz) 125 250 500 1K 2K 4K 8K

𝑽𝒔𝒂𝒍 𝒎á𝒙 (V)

6.71 6.71 6.55 6.71 6.55 5.03 4.23

𝑽𝒔𝒂𝒍 𝒎í𝒏 (V)

3.6 4.03 4.04 4.07 3.7 2.2 1.2

Con ayuda de los datos de la tabla (4) y las ecuaciones (1 y 2) se calculará

𝐺𝑣 𝑦 𝐺𝑑𝐵𝑉

Para 125 Hz con voltaje mínimo.

Utilizando la ecuación (1)

𝐺𝑣 =3.6𝑉

36𝑚𝑉= 100

Utilizando la ecuación (2)

𝐺𝑑𝐵𝑉 = 20 ∗ 𝐿𝑜𝑔 (3.6𝑉

36𝑚𝑉) = 40𝑑𝐵𝑉

Una vez terminado el cálculo con voltaje mínimo, se calcula para un voltaje

máximo a la misma frecuencia.

𝐺𝑣 =6.71𝑉

36𝑚𝑉= 186.38

𝐺𝑑𝐵𝑉 = 20 ∗ 𝐿𝑜𝑔 (6.71𝑉

36𝑚𝑉) = 45.50𝑑𝐵𝑉


Así como se hizo para 125Hz, se realizó para las demás bandas de frecuencia del

Ecualizador, obteniendo la siguiente tabla (Ver tabla 5).

Tabla 5.- Ganancia máxima y mínima en dB V

Bandas (Hz) 125 250 500 1K 2K 4K 8K

𝑮𝒅𝑩𝑽𝒎𝒂𝒙 45.5 44.5 45 45.2 44.3 43.9 42.4

𝑮𝒅𝑩𝑽𝒎𝒊𝒏 40 40.1 40.8 40.8 39.3 35 31.5

Con la tabla anterior se realiza una gráfica (Ver imagen 3.8)

Imagen 3.8 Ganancia con los potenciómetros a los extremos

La imagen anterior demuestra la ganancia existente, de esta forma se obtienen los

límites de ecualización para el dispositivo. Posteriormente se realizan mediciones

con una banda al máximo y las demás al mínimo. (Ver imágenes 3.9 a 3.17)


Imagen 3.9 Ganancia con banda de 125 Hz al máximo




Imagen 3.12 Ganancia con banda de 1K Hz al máximo



Imagen 3.16 Ganancia con bandas alternadas impares


Imagen 3.17 Ganancia con bandas alternadas pares

Las anteriores graficas muestran el comportamiento de cada banda y como altera

las bandas laterales.

3.3 Simulación de circuitos

Para tener una referencia de todo lo que se hizo en el apartado 3.1 y 3.2 se

harán las simulaciones con el software Multisim de cada etapa del dispositivo.


En las siguientes imágenes se observa la simulación del preamplificador.

Imagen 3.18 Circuito a simular


Se observa que el preamplificador tiene una ganancia de 100. (Ver imagen 3.19).

Imagen 3.19 Simulación a 1K Hz

3.3.2 Ecualizador

Es importante mencionar que esta simulación no corresponde a lo que se hizo en

el hardware porque este circuito haría que el diseño fuese robusto y el circuito

integrado utilizado, no se encuentra en las librerías de Multisim (Software de

simulación de circuitos eléctricos y electrónicos) o algún otro software. Sin

embargo, ayudará para esta situación debido a que cuenta con las mismas

especificaciones que el circuito que se llevó acabo.

El circuito que se empleó para la simulación está conformado por 7 filtros pasa

banda Sallen Key de 1er orden tipo Butterworth y a sus salidas unidas por un AO

con configuración de un sumador. (Ver imagen 3.20).


Imagen 3.20 Simulación del ecualizador de 7 Bandas


A continuación, se observará las mediciones obtenidas por el graficador de Bode.

Las primeras mediciones se emplean con todos los potenciómetros al máximo.

(Ver imagen 3.21 y tabla 7). Posteriormente se verá con todos los potenciómetros

al mínimo (Ver imagen 3.22 y tabla 8).

Imagen 3.21 Gráfica de Bode con los potenciómetros al máximo nivel

Tabla 7.- Ganancias con todos los potenciómetros al máximo en 7 bandas

Bandas (Hz) 125 250 500 1K 2K 4K 8K

Ganancia (dB V)

43.62 44.42 44.47 44.38 44.26 43.89 42.7

Imagen 3.22 Gráfica de Bode con los potenciómetros al mínimo nivel


Tabla 8.- Ganancias con todos los potenciómetros al mínimo en 7 bandas

Bandas (Hz) 125 250 500 1K 2K 4K 8K

Ganancia (dB V)

38.94 39.75 39.8 39.7 39.58 39.22 38.03

Después se midieron las ganancias alternando los potenciómetros al máximo y en

seguida el mínimo empezando con el máximo (impar). (Ver imagen 3.23 y tabla

9).

Imagen 3.23 Ganancia con bandas alternadas impares

Tabla 9.- Ganancias con las bandas alternadas de forma impar

Bandas (Hz) 125 250 500 1K 2K 4K 8K

Ganancia (dB V)

38.94 39.75 39.8 39.7 39.58 39.22 38.03

Por último, se midieron las ganancias como en el punto anterior pero ahora

empezando con el mínimo (par). (Ver imagen 3.24 y tabla 10).


Imagen 3.24 Ganancia con bandas alternadas en pares

Tabla 10.- Ganancias con las bandas alternadas de forma par

Bandas (Hz) 125 250 500 1K 2K 4K 8K

Ganancia (dB V)

36.5 38.54 38.53 38.89 38.40 38.28 38.23

3.3.3 Amplificador

Se utilizó el mismo circuito que en el preamplificador con mismas características.

Imagen 3.25 Simulación del amplificador a 1K Hz


3.4 Prueba e implementación

Esta prueba se hace de forma cuantitativa y cualitativa, esto es porque se

hace con el método de audiometría tonal liminar (ATL) ósea sin enmascaramiento,

uno sin el dispositivo auxiliar de transducción óseo y otro con el dispositivo. Cabe

resaltar que, al hacer la audiometría con el dispositivo, también se calibra el

mismo.

3.4.1 Audiometría sin dispositivo

La prueba se realiza en la cámara anecoica, a fin de que no interfiera el ruido de

fondo con los resultados. Posteriormente los transductores óseos se colocan en la

parte del hueso temporal inferior del cráneo (Ver Anexo 5), conectándose al

audiómetro. El paciente se colocó unos tapones auditivos, esto último para simular

una pérdida auditiva, debido a que no se encontró un sujeto disponible para dichas

pruebas. En esta parte el paciente se le da un dispositivo el cual, al presionar el

botón el examinador verá un indicador (led de color rojo), este se presionará

cuando el paciente llegue a escuchar un tono (umbral auditivo). (Ver imagen 3.26).

Imagen 3.26 Examen de ATL ósea sin enmascaramiento


El examinador tuvo la tarea de hacer un barrido en las frecuencias de 250Hz,

500Hz, 1KHz, 2KHz, 3KHz, 4KHz, 6KHz y 8KHz. En cada uno se subió la

intensidad de 5 en 5dB en un tiempo de 3 segundos, hasta que el paciente indicó

cuando escuchó, el examinador apuntó en el audiograma a cuantos decibeles se

detuvo y en qué frecuencia. Para el sujeto 1 se obtuvo el siguiente audiograma

(Ver imagen 3.27):

Imagen 3.27 Audiometría aérea en sujeto de prueba

Teniendo lo anterior se comparó cada frecuencia con los grados de hipoacusia

(disminución de la capacidad auditiva) que tuvo el paciente. Grados de hipoacusia

según umbral medio:

• Hipoacusia leve de 20-40 dB

• Hipoacusia moderada de 41-70 dB

• Hipoacusia severa de 71-95 dB

• Hipoacusia profunda mayor a 95 dB (Asociación Española de Audiología,

2017)

-100

102030405060708090

100110120

250 500 1000 2000 3000 4000 6000 8000

Am

plit

ud (

dB

)

Frecuencias (Hz)

AUDIOMETRÍA ÓSEA DE SUJETO 1

Temporal


3.4.2 Audiometría con dispositivo

Para este examen se utilizaron audífonos aéreos conectados al audiómetro y se

colocó directamente al micrófono del dispositivo que a su salida tienen los

transductores óseos los cuales portara el paciente. El examinador deberá basarse

con la audiometría anterior para ubicar las frecuencias en las que el audio sea

deficiente, se ajustará el audiómetro a la cantidad de decibeles necesaria.

Entonces el examinador fue rotando el potenciómetro de la frecuencia en la que

se trabajó con un neutro (herramienta que ayuda calibrar componentes

electrónicos evitando errores por estática), hasta que el paciente indicó el umbral.

Por último, se repitió la audiometría como se hizo en subcapítulo anterior (3.4.1)

pero con el dispositivo, se obtuvo el siguiente audiograma (Ver imagen 3.28).

Imagen 3.28 Audiometría aérea en sujeto de prueba con dispositivo auxiliar de

transducción ósea

-100

102030405060708090

100110120

250 500 1000 2000 3000 4000 6000 8000

Am

plit

ud (

dB

)

Frecuencias (Hz)


Temporal

vi

COSTOS

EQUIPO Y HERRAMIENTAS

MATERIAL COSTOS UNIDADES TOTAL

Disco de corte para Dremel $25 1 $25.00

Paquete de brocas $80 1 $80.00

Lija No. 2000 $15 1 $15.00

Alcohol isopropílico $85 1 $85.00

Exacto $120 1 $120.00

Dremel 3000 $1700 1 $1,700.00

Cautín Weller WES51 $2000 1 $2,000.00

Fuente de alimentación $1500 1 $1,500.00

Soldadura Harden 60/40 Pb/Sn 2% Flux

$200 1 $200.00

Pasta Siller $25 1 $25.00

Generador de funciones $5000 1 $5,000.00

Osciloscopio $15000 1 $15,000.00

Multímetro $750 1 $750.00

Impresora $4500 1 $4,500.00

Sonómetro $2500 1 $2,500.00

Tapones Trupper $8 2 $16.00

TOTAL $33,516.00

COMPONENTES ELECTRÓNICOS


Lm358p $9 2 $18.00

M5229p $25 1 $25.00

Resistores $0.25 13 $3.25

Capacitores $2 21 $42.00

Sobre Base $6 3 $18.00

Potenciómetros $6 7 $42.00

Micrófono $10 1 $10.00

Transductores Óseos $900 1 $900.00

TOTAL $1,058.25

vii

DISEÑO


Fibra de vidrio (FR4) $100 1 $100.00

Papel Couche $2 5 $10.00

Plumón permanente $30 1 $30.00

Cable No.18 $5 6 $30.00

Molex paso 100 $6 8 $48.00

Jack hembra mono estéreo $5 2 $10.00

Jack Macho mono estéreo $7 1 $7.00

Porta pila tipo D $10 1 $10.00

Pila tipo D $60 1 $60.00

Gabinete $70 1 $70.00

TOTAL $375.00

PROYECTO

Equipo y herramientas $33,516.00

Diseño $375.00

Sueldo de Ingenieros $170,000.00

Componentes Electrónicos $1,058.25

TOTAL $204,949.25

PRODUCTO*

Diseño $375.00

Componentes Electrónicos $1,058.25

TOTAL $1,433.25

*Nota el costo por producto, se incrementan costos de empaquetado, pruebas de

calidad, de transportación y sueldo de trabajadores entre otros.

viii

OBSERVACIONES

Inicialmente se tenía pensado realizar el ecualizador con componentes discretos,

mediante filtros Sallen Key de 1er orden en cascada, pero hacer eso aumentaría el

tamaño y el costo del proyecto, conociendo lo anterior se toma la decisión de

realizarlo con un circuito integrado.

También se observa que el preamplificador, entre más cercano sea su valor al

calculado de los capacitores de acoplo, el micrófono capta a mayor distancia, sin

embargo, al hacerse más sensible desafortunadamente se vuelve más propenso a

captar ruido, por lo que se tuvo que incrementar la capacitancia de estos, hasta

dejar de escuchar dicho ruido. Con lo mencionado, se decidió que el usuario no

porte el micrófono y que la comunicación sea hablando directamente al

micrófono.

Si bien es un prototipo este tiene algunas mejoras, como lo son:

• Disminución de tamaño mediante tecnología de montaje SMD

• Utilizar baterías de Li-ion la cual es más delgada y recargable.

• Utilizar tecnología Bluetooth para hacer los audífonos inalámbricos del

dispositivo.

• Mejorar sensibilidad del micrófono(s) para que capte a largas distancias.

• Utilizar tecnología Bluetooth para la entrada y tener la opción de un

dispositivo multimedia.

ix

CONCLUSIONES

Teóricamente el micrófono utilizado posee una respuesta plana para todo el rango

de frecuencias a utilizar, además de una alta sensibilidad, en la práctica se obtuvo

una respuesta eficaz en las frecuencias de 125 a 4KHz, en la banda de 8KHz su

respuesta no fue la esperada, la etapa de preamplificación y amplificación poseen

una ganancia de 100 en la teoría, de manera práctica se poseen dos ganancias, la

primera de 134 para las frecuencias comprendidas entre los 125 Hz y los 4KHz,

la segunda de 84 para la banda de 8KHz, con ello se concluye que la banda de

8KHz se tiene una deficiencia en el ecualizador, de manera teórica la respuesta es

uniforme.

El auxiliar auditivo cumple el objetivo de ser personalizable en el rango de

frecuencias de la voz humana mediante la ecualización de las bandas de frecuencia

(ver tabla 5 e imagen 3.8) para compensar las pérdidas sufridas, en la imagen se

observa el rango de amplificación que se tiene, la personalización es posible con

apoyo de un estudio de audiometría óseo del paciente (ver imagen 3.27).

x

MARCO LEGAL

ROHS (2011/65/EU)

La directiva entró en vigor el 1 de julio de 2006. Restringe el uso de las siguientes

seis sustancias:

• Mercurio

• Cadmio

• Cromo VI (También conocido como cromo hexavalente)

• PBB

• PBDE1

Las baterías no están incluidas dentro del alcance de RoHS, por lo tanto, las

baterías de Ni Cd están permitidas a pesar del cadmio. Esto es debido a que las

baterías se rigen por su propia directiva, 91/157/CEE, relativa a las pilas y

acumuladores que contengan determinadas materias peligrosas.

La directiva se aplica a equipos como los definidos por la directiva WEEE. Estos

son:

• Electrodomésticos grandes

• Electrodomésticos pequeños

• Equipos de comunicaciones e IT

• Aparatos eléctricos de consumo

• Aparatos de alumbrado, incluidas las bombillas de filamentos

• Herramientas eléctricas y electrónicas

• Juguetes, equipos deportivos y de tiempo libre

• Máquinas expendedoras2

1 Aweinstein (marzo 30, 2006). Información de RoHS. Diciembre 2, 2017, de Wikipedia Sitio web: https://es.wikipedia.org/wiki/RoHS 2 Dirección General del Medio Ambiente. (2006). La Directiva 2002/95/EC sobre Rest ricciones a la Utilización de Determinadas Sustancias Peligros as en los Aparatos Eléctricos y Electrónicos (RuSP). junio 2006, de Comisión

xi

NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-001-SCFI-1993

Aparatos electrónicos- aparatos electrónicos de uso doméstico alimentados por

diferentes fuentes de energía eléctrica - requisitos de seguridad y métodos de

prueba para la aprobación de tipo.

4.4 Parte viva. - Es cualquier parte conductora de un aparato, la cual al establecer

contacto con el cuerpo humano puede provocar choques o descargas eléctricas.

4.13 Aparato portátil. - Aparato diseñado específicamente, para ser transportado

fácilmente a mano y cuyo peso es igual o inferior a 15 kg.

4.22 Circuito impreso. - Placa de material base que incluye todas las perforaciones

destinadas a la colocación de componentes y que contiene por lo menos una pista

conductora.

4.35 Transductor de entrada. - Aparato o dispositivo que se utiliza para convertir

la energía de una señal no eléctrica, ejemplos: fonocaptores, micrófonos, cabezas

reproductoras magnéticas y similares.

4.36 Transductor de salida. - Aparato utilizado para convertir la energía de una

señal eléctrica en cualquier otra forma de energía o información; ejemplos:

altavoces, audífonos, cinescopios y similares.

4.37 Amplificador de audio. - Aparato amplificador de audio independiente es la

sección amplificadora de audio de un aparato, para la cual se aplica la norma.

Europea Sitio web: https://web.archive.org/web/20130601184624/http://www.afme.es/PDF/FAQ_RAEE_Esp_AFME.pdf

xii

TODAS LAS NORMAS DEL MERCADO

13.1 Pilas, baterías y sus compartimientos.

Las tapaderas de compartimientos o receptáculos de pilas o baterías sujetadas por

tornillos deben equiparse con tornillos del tipo cautivo que permitan el retiro de

la tapa sin soltarse ni perderse.

Los compartimientos con las pilas y baterías colocadas deben diseñarse de forma

tal que no existan riesgos de acumulación de gases inflamables en el interior del

aparato.

Los aparatos que incluyan en el interior de su gabinete pilas o baterías con

electrólito líquido deben diseñarse y fabricarse de forma tal que los aislamientos

no puedan afectarse por una eventual fuga o derrame de las baterías.3

IEC 60645-1:2001

Esta parte de IEC 60645 especifica los requisitos generales para audiómetros y los

requisitos particulares para audiómetros de tonos puros diseñados para su uso en

la determinación de los niveles de umbral de audición. Acopladores acústicos y

métodos de audiometría.

ISO 8253-1:1989

Acústica - Métodos de prueba audiométricos - Parte 1: audiometría básica de tonos

de aire puro y umbrales de conducción ósea.

3 Luis Guillermo Ibarra. (1993). NORMA Oficial Mexicana NOM-001-SCFI-1993, aparatos electrónicos - aparatos electrónicos de uso doméstico alimentados por diferentes fuentes de energía eléctrica - requisitos de seguridad y métodos de prueba para la aprobación de tipo. Octubre 13, 1993, de Diario Oficial de la Federación Sitio web: http://dof.gob.mx/nota_detalle.php?codigo=4792400&fecha=13/10/1993

xiii

REFERENCIAS

Bibliografías Elaine N. Marieb. 2008. Capítulo 8: Sentidos especiales. En Anatomía y fisiología

humana. España (pp. 280-308). Pearson.

C. J. Savant. 1991. Diseño Electrónico circuitos y sistemas. México (Pp. 265-271). S.A.

Alhambra Mexicana.

Boylestad, R. L. 2009. Determinación de la ganancia en corriente. En Electronica:

Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. México (pág. 912). Pearson.

Asociación Española de Audiología. 2017. Guía de Práctica Clínica. Audiometría Tonal

por vía aérea y ósea con y sin enmascaramiento. España (pp. 74-87) Asociación

Española de Audiología.

Páginas web

INEGI. 2013. Censo de Población y Vivienda 2010. (13/04/2018 18:34 hrs.)

http://www.beta.inegi.org.mx/temas/discapacidad/default.html

Audifón. 2018. Audifón. (28/04/2018 11:04 hrs.)

https://www.audifon.es/glosario-audifon-audiometria

Otorrino. 2018. Otorrino. (28/04/2018 12:28 hrs.)

http://www.otorrinoweb.com/3186.html

Hear-it. 2016. Los medicamentos causan pérdida de audición. (29/04/2018 15:18hrs.)

https://www.hear-it.org/es/los-medicamentos-causan-perdida-de-audicion

Med-el. 2018. Tipos de Pérdida Auditiva. (28/04/2018 16:52hrs.)

https://www.medel.com/esl/hearing-loss/

Beginnings. 2018. Auxiliares Auditivos, de Trustwave. (06/05/2018 01:52 hrs.)

https://ncbegin.org/es/auxiliares-auditivos/

Oticon. 2018. ¿Qué es la pérdida auditiva? 2018, de Oticon. (08/05/2018 02:15 hrs.)

https://www.oticon.es/hearing/what-is-hearing/what-is-hearing-loss

Música. 2018. Aprende música. (20/05/2018 09:26 hrs.)

http://aprendeapincharmusica.com/sonido_manuales/tipos-de-microfonos/

R. J. Juan. 2018. Micrófonos: Patrones polares / Direccionalidad. 2018, de Shure

Legendary Performance. (17/09/2018 00:35 hrs.)

http://www.shure.es/asistencia_descargas/contenidoeducativo/microfonos/microphone_polar_

patterns

GA. 2003. La voz humana. 2003, de Cursos de Acústica GA. (18/09/2018 00:29 hrs.)

http://www.ehu.eus/acustica/espanol/musica/vohues/vohues.html

Digikey. (2018). Calculador de vida útil, de Digikey (04/11/18 11:45 hrs.)

https://www.digikey.com.mx/es/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-

battery-life

http://www.beta.inegi.org.mx/temas/discapacidad/default.html

https://www.audifon.es/glosario-audifon-audiometria

http://www.otorrinoweb.com/3186.html

https://www.hear-it.org/es/los-medicamentos-causan-perdida-de-audicion

https://ncbegin.org/es/auxiliares-auditivos/

https://www.oticon.es/hearing/what-is-hearing/what-is-hearing-loss

http://aprendeapincharmusica.com/sonido_manuales/tipos-de-microfonos/

http://www.shure.es/asistencia_descargas/contenidoeducativo/microfonos/microphone_polar_patterns

http://www.shure.es/asistencia_descargas/contenidoeducativo/microfonos/microphone_polar_patterns

http://www.ehu.eus/acustica/espanol/musica/vohues/vohues.html

https://www.digikey.com.mx/es/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-battery-life

https://www.digikey.com.mx/es/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-battery-life

xiv

Anexo 1

xv

Anexo 2

xix

Anexo 3

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

250 500 1000 2000 3000 4000 6000 8000

Am

plit

ud (

dB

)

Frecuencia (Hz)

AUDIOMETRÍA ÁEREA DE SUJETO 1

Izquierda Derecho

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

250 500 1000 2000 3000 4000 6000 8000

Am

plit

ud (

dB

)

Frecuencias (Hz)


Temporal

xx

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

250 500 1000 2000 3000 4000 6000 8000

Am

plit

ud (

dB

)

Frecuencia (Hz)

AUDIOMETRÍA ÁREA DE SUJETO 2

Izquierda Derecho

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

250 500 1000 2000 3000 4000 6000 8000

Am

plit

ud (

dB

)

Frecuencia (Hz)


Temporal

xxi

Anexo 4

Vida de la pila

En general, la vida útil de una batería se calcula en base a la corriente nominal en

miliamperios por hora y se abrevia mAh. El amperio es una unidad eléctrica que

se utiliza para medir el flujo de corriente hacia la carga. La vida útil o la capacidad

de una batería se puede calcular a partir de la corriente nominal de entrada de la

batería y la corriente de carga del circuito. La mayor vida útil de una batería será

cuando la corriente de carga sea menor y viceversa. El cálculo para conocer la

capacidad de la batería se puede derivar matemáticamente de la siguiente fórmula:

(Digikey, 2018)

𝑉𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎(ℎ) =𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 (𝑚𝐴ℎ)

𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (𝑚𝐴)× 0.7

Se utilizará la anterior fórmula para calcular la vida útil de la batería empleada en

el dispositivo sabiendo lo anterior:

Capacidad de la batería (pila cuadrada): 250 mAh

Corriente que demanda el dispositivo: 19mA

El factor de 0.7 permite tolerancias a factores externos que pueden afectar la vida

útil de la batería.

𝑉𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎(ℎ) =250𝑚𝐴ℎ

19𝑚𝐴× 0.7

𝑉𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎(ℎ) = 9.21ℎ

xxii

Anexo 5

diseÑo de un amplificador como auxiliar auditivo …

Documents