microfone Óptico: optoeletrÔnica aplicada no …
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MICROFONE ÓPTICO: OPTOELETRÔNICA APLICADA
NO SENSORIAMENTO ACÚSTICO UTILIZANDO FIBRA
ÓPTICA PLÁSTICA
Geovane Oliveira Pereira
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Eletrônica e de Computação da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos necessários à
obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Marcelo Martins Werneck
Rio de Janeiro
Outubro de 2016
iv
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola Politécnica – Departamento de Eletrônica e de Computação
Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária
Rio de Janeiro – RJ CEP 21949-900
Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que
poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar
qualquer forma de arquivamento.
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre
bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja
ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem
finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es).
v
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho aos brasileiros, em especial aos professores, que lutam para
a construção de um país melhor, como forma de retribuição pelos anos de estudo em
instituições de ensino públicas.
vi
AGRADECIMENTO
Agradeço imensamente aos meus familiares, em especial a minha mãe e aos
meus irmãos, que sempre me deram suporte durante toda a minha vida e que sempre
entenderam que o futuro é construído com dedicação e foco.
Aos meus amigos, que sempre trabalharam ao meu lado e que, assim como eu, se
esforçaram para a conclusão desta etapa tão importante da vida. Saibam que dou a vocês
todo o valor que merecem.
Aos docentes da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que participaram da
minha formação acadêmica, ao meu orientador, e aos outros docentes que já me
passaram algum ensinamento ao longo da minha jornada de conhecimento, deixo meus
sinceros agradecimentos e o reconhecimento por toda dedicação.
vii
RESUMO
O uso de microfones convencionais no sensoriamento acústico pode, em muitos
casos, ser prejudicado pela presença de elevado nível de interferência eletromagnética,
que pode inserir ruído no sinal, e pode ainda ser indesejado na presença de atmosferas
explosivas, onde o uso de equipamentos que funcionam com energia elétrica podem
gerar ignição de misturas inflamáveis. Neste cenário, o uso de microfones ópticos tem
ganhado expressão. Este trabalho se propõe a explicar a necessidade dessa nova
tecnologia e as técnicas de sensoriamento acústico por meio óptico, e a mostrar os
resultados experimentais da construção de um protótipo de microfone óptico, adotando
o uso de fibra óptica plástica.
Palavras-Chave: microfone óptico, fibra óptica plástica, sensoriamento acústico.
viii
ABSTRACT
The use of conventional microphones in acoustic sensing can be, in many
situations, harmed by the presence of high electromagnetic interference level, which
could generate disturbances in the signal, and still can be unsuitable in the presence of
explosive atmospheres, where the use of electrical equipments could ignite flammable
mixtures. In this scenario, the use o optical microphones has obtained expression. This
study aims to explain the necessity of this new technology and the acoustic sensing
techniques by optical means, and to present the experimental results from the
construction of an optical microphone prototype adopting the use of plastic optical fiber.
Key-words: optical microphone, plastic optical fiber, acoustic sensing.
ix
SIGLAS
EMI – Electromagnetic Interference / Interferência Eletromagnética
IEC – International Electrotechnical Commission
ISO – International Organization for Standardization
LED – Light Emitting Diode / Diodo Emissor de Luz
POF – Plastic Optical Fiber / Fibra Óptica Plástica
SNR – Signal to Noise Ration / Relação Sinal-Ruído
UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro
WCAG – Web Content Accessibility Guidelines
x
Sumário Pág.
1 Introdução 1
1.1 - Tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 - Delimitação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 - Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 - Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.5 - Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.6 - Descrição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Microfones 5
2.1 - Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 - Microfone Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 - Microfone Dinâmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 O Microfone Óptico 8
3.1 - Contexto da Aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2 - Princípio Físico de Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.3 - Vantagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4 Fibras Ópticas Plásticas 12
4.1 - Conceitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
xi
4.2 - Fibras Ópticas Plásticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3 - Uso em Microfones Ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5 Experimento Prático
18
5.1 - Apresentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.2 - Estudo de Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.2.1 - Escolha do Tipo de Técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.2.2 - Reflexão e Luminosidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.2.3 - Perdas na Reflexão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.2.4 - Circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.3 - Montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.3.1 - Teste do Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.3.2 - Teste com Diafragma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.3.3 - Teste com Fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6 Conclusão
37
7 Bibliografia
38
A Sennheiser MO 2000 Set
39
B TCRT5000 Datasheet
42
xii
Lista de Figuras Pág.
1 – Microfone Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 – Microfone Dinâmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 – Usuários de smartphones no mundo (em milhões) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 – Esquemático do Microfone Óptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
5 – Reflexão para ângulos maiores que θc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
6 – Propagação da luz em uma fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
7 – Abertura numérica de uma fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
8 – Detalhe de corte e cortador de POF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
9 – Esquemas de Montagem do Microfone Óptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
10 – Intensidade de luz sobre a fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
11 – Intensidade de luz com diafragma mais afastado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
12 – Cone de abertura de saída da luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
13 – Experimento de determinação do cone de abertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
14 – Grandezas do cone de abertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
15 – Sensor Reflexivo Óptico TCRT5000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
16 – Esquemático do circuito experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
17 – Primeira montagem para teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
18 –Espectro do teste de sensibilidade do sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
19 – Diafragma reflexivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
20 – Reflexão em superfície plana e rugosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
21 – Montagem com diafragma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
22 – Comparação dos espectros de frequência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
23 – Comparação temporal dos áudios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
24 – Resposta em frequência para frequências audíveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
25 – Conectorização da POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
xiii
26 – Montagem com POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
27 – Comparação temporal de áudio com POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
28 – Comparação dos espectros de frequência do teste com POF . . . . . . . . . . . . . 36
xiv
Lista de Tabelas Pág.
1 – Abertura de saída da luz na fibra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 – Energia luminosa aproveitada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1
Capítulo 1
Introdução
1.1 – Tema
O uso de equipamentos para amplificar o som, a fim de alcançar distâncias
maiores, é uma demanda antiga surgida principalmente com a necessidade de atender
ao, cada vez maior, público de concertos e teatros. O avanço da tecnologia possibilitou
o desenvolvimento de algumas técnicas que vieram da necessidade de se poder gravar o
som com cada vez mais qualidade. Atualmente os dispositivos chamados de microfones
estão presentes em diversas aplicações, seja em rádio, televisão, cinema, comunicação,
na indústria e em vários outros setores.
Das inúmeras técnicas desenvolvidas, uma das mais recentes é o uso da luz
como meio de modulação das ondas sonoras. Este trabalho tem por objetivo explicar os
conceitos físicos por trás desta técnica, abordando suas aplicações, vantagens e
desvantagens. Com este propósito, será desenvolvido e montado um protótipo de
microfone óptico para avaliação da técnica.
1.2 – Delimitação
As tecnologias em microfonia estão bem amadurecidas no que diz respeito à
gravação e à amplificação do som mantendo uma boa qualidade sonora. Apesar disso,
algumas barreiras dificultam, ou impendem quase totalmente, o uso das técnicas
convencionais, principalmente quando há ruído eletromagnético envolvido.
Será o foco desse trabalho apresentar o microfone óptico de uma perspectiva
técnica, mostrando seu princípio de funcionamento e aplicação usando fibras ópticas
plásticas. O intuito é estudar o uso dessa tecnologia como forma de superar essas
dificuldades encontradas pelas tecnologias consideradas tradicionais no mercado.
2
1.3 – Justificativa
Como será apresentado no Capítulo 2, os dois tipos de microfone que são
comercialmente mais conhecidos e que ocupam uma parcela considerável dos
dispositivos em uso hoje em dia são baseados em princípios eletromagnéticos. Este fato,
que será melhor explicado no próximo capítulo, os torna suscetíveis a ruídos oriundos
de interferência eletromagnética e rádio frequência.
Por esse motivo, se torna justificável o desenvolvimento de um tipo de
tecnologia que possa ser imune a esses efeitos. Longe de ser um substituto definitivo
para os microfones convencionais, o microfone óptico, uma tecnologia recente e que
tem seu princípio baseado em fenômeno óptico, é adequado para uso em ambiente com
alta interferência eletromagnética.
Aliado ao uso de fibras ópticas plásticas, essa solução se torna economicamente
viável, com boa qualidade de comunicação, garantindo segurança e confiabilidade.
1.4 – Objetivos
O objetivo deste trabalho é apresentar essa nova tecnologia, que é o uso da
optoeletrônica, para sensoriamento acústico e mostrar os benefícios do emprego dessa
técnica.
Será apresentado ainda o desenvolvimento do projeto de um protótipo de
microfone óptico usando luz na região do espectro infravermelho como meio modulador
do som. Pretende-se mostrar os resultados que corroborem com a escolha da microfone
óptico como instrumento de sensoriamento de som.
1.5 – Metodologia
Para atender ao objetivo do trabalho, a metodologia de trabalho foi dividida em
duas partes: primeiramente apresentar de forma teórica o que há atualmente de
tecnologia em termos de microfonia, os problemas a serem resolvidos e essa nova
tecnologia, que surge como uma solução. Para tal, o trabalho será pautado em pesquisas
3
de artigos acadêmicos, científicos e de catálogos de fabricantes de tecnologias similares
no mercado; a segunda parte do trabalho será composta pelo relatório do
desenvolvimento prático do protótipo, desenvolvido como forma de demonstrar o
princípio de funcionamento da tecnologia descrita na primeira metade do trabalho.
Para esta última etapa, que tem um apelo mais prático, será realizado todo o
projeto conceitual do protótipo, aquisição de materiais e, posteriormente, a montagem e
teste do equipamento.
Desta etapa prática serão analisados os dados obtidos, de forma a compor uma
conclusão sobre o emprego dessa tecnologia.
1.6 – Descrição
O Capítulo 2 deste trabalho apresentará uma breve visão geral do uso dos
microfones no cotidiano, trazendo um pouco da evolução e do uso deste equipamento
ao longo da história. O foco maior deste capítulo será apresentar as duas tecnologias
mais empregadas atualmente no mercado, e o princípio de funcionamento físico de
cada uma delas. Paralelamente à apresentação dessas tecnologias, serão incorporadas ao
desenvolvimento do assunto, as principais características e desvantagens das duas
configurações.
O Capítulo 3 apresentará o microfone óptico propriamente dito. Neste capítulo
será dada uma breve introdução de como a tecnologia óptica foi desenvolvida a partir
do seu contexto de aplicação. Após essa breve introdução, será descrita a principal
técnica construtiva conhecida atualmente em microfones ópticos, apontando sempre
como é seu funcionamento físico com ilustrações sempre que necessário. Juntamente
com o desenvolvimento do capítulo, assim como no Capítulo 2, serão elucidadas as
vantagens do microfone óptico e suas limitações.
O Capítulo 4 se destinará ao esclarecimento sobre fibras ópticas plásticas e o uso
dos microfones ópticos com esse tipo de tecnologia. Serão descritas quais as vantagens
que o uso em conjunto do princípio de funcionamento dos microfones ópticos com as
fibras pode trazer, principalmente, em plantas industriais.
O Capítulo 5 será elaborado de forma a relatar todo o processo de
desenvolvimento, montagem, testes e aquisição de dados do protótipo experimental do
microfone óptico. Será um capítulo destinado a dar uma base para os fundamentos e
4
ideias apresentadas nos capítulos anteriores como uma forma de preparar uma
conclusão sobre a tecnologia sugerida.
5
Capítulo 2
Microfones
2.1 – Histórico
As primeiras ferramentas criadas pelo homem para amplificar o som foram
inventadas por volta do século V a.C. [1]. Neste período se fazia necessário um
dispositivo que pudesse amplificar a voz dos atores nos anfiteatros da Grécia Antiga.
Esta sempre foi a demanda que impulsionou toda a evolução nas técnicas de
amplificação acústica na história. Seja para grandes concertos, para peças teatrais, para
discursos políticos e afins, a necessidade de se alcançar uma massa cada vez maior fez
com que o dispositivo, que viria a ser chamado de microfone, fosse uma tecnologia com
grande potencial de mudança nas relações sociais.
A primeira vez que o termo "microfone" foi usado data do ano de 1878 [2]. O
termo foi dado por David Hughes ao dispositivo que compunha parte do telefone de
carbono, cuja invenção é atribuída também a Hughes. O microfone de carbono
inventado por Hughes não representa atualmente uma grande parcela dos dispositivos
em uso, sendo apenas usado em poucas aplicações, principalmente nas quais se deseja
trabalhar com tensões muito pequenas.
Ocupando quase a totalidade das aplicações no mercado de hoje estão os dois
tipos de microfone que esse capítulo irá tratar. O primeiro é o microfone condensador,
inventado em 1917 [3] nos laboratórios Bell por E.C. Wente. O segundo é o microfone
dinâmico, inventado pela Western Electric, também membro da Bell System, alguns
anos depois.
2.2 – O Microfone Condensador
O microfone tipo condensador recebe esse nome por causa do seu princípio de
funcionamento, que é baseado no funcionamento de um condensador ou capacitor,
como é mais comumente conhecido no Brasil.
6
Figura 1 - Microfone Condensador.
Fonte: Adaptado de Otto Kroymann [3].
Este dispositivo é composto de duas placas metálicas paralelas. Estas placas são
polarizadas com cargas opostas, gerando um campo elétrico entre elas. Similarmente a
um capacitor, a capacitância será função, além da área das duas placas, da distância em
que uma se encontra em relação à outra.
No arranjo construtivo desse tipo de microfone, a placa denominada como
"Placa Traseira" na figura 1 é uma placa metálica rígida e firmemente presa no corpo do
microfone. A segunda placa, aqui denominada de "Diafragma", é uma placa metálica
flexível, geralmente uma fina membrana metálica ou um filme polimérico com
deposição de algum metal.
Quando em funcionamento, as ondas sonoras são responsáveis por fazer este
diafragma vibrar. Durante este processo de vibração, a distância entre as duas placas
varia de acordo com as oscilações do diafragma causadas pelas diferenças de pressão ao
longo da onda sonora, fazendo com que a capacitância entre as duas placas se altere. Da
mesma forma que se altera a capacitância, altera-se também a tensão existente entre as
duas placas. Esta variação de tensão será o equivalente elétrico das ondas sonoras, que
assim podem ser captadas, lidas e armazenadas para algum tratamento de sinal, seja
amplificação, filtragem ou gravação.
2.3 – O Microfone Dinâmico
O microfone dinâmico também é conhecido como microfone de bobina. Este
dispositivo tem um princípio de funcionamento muito semelhante ao dos alto falantes,
mas funcionando da maneira reversa.
7
Figura 2 - Microfone Dinâmico.
Fonte: Adaptado de Otto Kroymann [3].
O microfone dinâmico tem em sua estrutura construtiva três elementos
principais: o diafragma, o ímã e a bobina.
O ímã faz parte do corpo do microfone e é responsável por gerar um campo
magnético, enquanto que a bobina é um pequeno enrolamento de fios metálicos
acoplado ao diafragma. Assim como no microfone condensador, o diafragma é uma
membrana extremamente fina e leve. No entanto, para a aplicação com microfone
dinâmico, o material do qual a membrana é fabricada não precisa ser condutor.
Quando há incidência de ondas sonoras no diafragma, as diferenças de pressão
causam a sua vibração, que consequentemente faz vibrar a bobina à ela acoplada. A
bobina, por sua vez, vibra ao redor do ímã. Ao se mover sobre o campo magnético
gerado pelo ímã, o fenômeno de indução magnética induz uma corrente nas espiras da
bobina. Esta corrente irá gerar uma tensão nas extremidades do enrolamento, que será o
equivalente elétrico da onda sonora incidente no diafragma.
A maior desvantagem dessa configuração em relação ao microfone condensador
é que o diafragma deve fazer vibrar, além de sua própria massa, a massa da bobina.
Nesta situação, a massa combinada do diafragma com a bobina a ele acoplada faz com
que a inércia do conjunto seja mais alta do que no microfone condensador, o que
prejudica a resposta em frequência do microfone dinâmico, principalmente quando se
trata de ondas sonoras de alta frequência. No entanto, é essa mesma característica
construtiva que gera uma vantagem para o microfone dinâmico. Isso ocorre porque a
maior resistência à vibração aumenta a vida útil do aparelho, já que em microfones
condensadores o diafragma parece suportar menos o estresse causado pelo movimento
de vibração.
8
Capítulo 3
O Microfone Óptico
3.1 – Contexto da aplicação
O capítulo anterior tratou de explicar o conceito por trás das duas tecnologias
mais utilizadas em termos de gravação e sensoriamento acústico no mercado. Como foi
mostrado, essas duas técnicas se baseiam em fenômenos eletromagnéticos. É justamente
nesse ponto que cada vez mais se faz necessário um novo tipo de abordagem.
No campo de gravação e reprodução de áudio para grandes audiências, é de se
destacar a utilização de microfones em shows musicais, em teatros, em estádios e
eventos festivos com grande número de público. A evolução das tecnologias de
comunicação móveis tem aumentado consideravelmente a quantidade de celulares,
tablets e outras dispositivos que o público carrega para esses eventos. Tal fato tem
evidenciado cada vez mais um problema que até alguns anos atrás não era uma
preocupação eminente: a interferência eletromagnética (EMI) nos dispositivos
eletrônicos.
O gráfico da figura 3 mostra a quantidade de usuário de smartphones desde 2014
projetando até 2019, apresentando o crescimento com que a população vem utilizando
esse tipo de dispositivo.
Figura 3 - Usuários de smartphones no mundo (em milhões).
Fonte: Statista [4].
9
O aumento do uso de aparelhos que emitem ondas eletromagnéticas tem
contribuído generosamente para o que tem se chamado de poluição eletromagnética. A
poluição eletromagnética é o nível excessivo de sinais e perturbações eletromagnéticas
no ar, que acaba por introduzir ruído em circuitos elétricos. Este problema decorre não
somente dos usuários de telefonia móvel, mas é decorrente das atividades humanas de
uma forma geral à medida que a tecnologia fica cada vez mais presente em nossas
vidas, seja em transmissões televisivas, estações de rádio amadoras ou em distribuidoras
multimídia em geral.
Neste cenário, uma tecnologia capaz de trazer imunidade, ou mesmo uma
suscetibilidade menor a toda essa perturbação externa, poderia ganhar um espaço cada
vez maior no mercado. É nesta tecnologia que este trabalho está pautado, que já existe e
se chama microfone óptico.
3.2 – Princípio Físico de Funcionamento
O microfone óptico tem por objetivo primário o mesmo que seus predecessores -
dinâmico e condensador - captar ondas sonoras e traduzi-las em um sinal manipulável.
Dessa forma, sua utilização se estende a diversas aplicações, que vão desde o
monitoramento de nível sonoro até gravação de áudio em estúdio, se comportando como
um microfone comum, mas com suas especificidades em relação às tecnologias já
desenvolvidas até então. Para entender essas especificidades, esta sessão irá abordar o
princípio físico de funcionamento do microfone óptico, dando base à escolha desse
dispositivo onde os outros mencionados podem ter sua performance prejudicada, como
exemplificado no capítulo anterior, em ambientes com nível elevado de EMI.
De forma simplificada, o microfone pode ser entendido como um sensor de
pressão, pois capta as variações de pressão criadas pelas ondas sonoras sobre seu
diafragma. Os microfones ópticos funcionam exatamente dessa forma, mas ao invés de
modularem a variação de pressão em uma tensão de amplitude variável, modulam esta
variação em um sinal luminoso de intensidade variável, que também é uma modulação
em amplitude.
O esquema da figura 4 representa o funcionamento de um microfone óptico em
sua forma básica. Nesta implementação há três elementos primários, o emissor de luz, o
receptor de luz e o diafragma.
10
O diafragma é uma fina membrana feita de material reflexivo. Em projetos mais
elaborados, pode ser uma membrana com deposição de prata ou ouro. O emissor de luz
pode ser tanto um LED (Light Emitting Diode) quanto um laser e sua função será emitir
luz no diafragma. O receptor é um fotodiodo, fototransistor ou qualquer outro elemento
que possa traduzir o sinal luminoso em um sinal elétrico, que posteriormente poderá ser
interpretado por computador ou alguma outra unidade eletrônica de processamento de
áudio.
Figura 4 - Esquemático do Microfone Óptico.
Fonte: Adaptado de ProSoundWeb [5].
O emissor de luz é responsável por enviar um feixe de luz contínuo na direção
do diafragma, iluminando-o. O diafragma, por ser reflexivo, reflete parte da luz que
sobre ele incide, direcionando-a para o receptor por meio de arranjo geométrico
adequado, como esquematizado na figura 4. A intensidade de luz que será percebida
pelo receptor será tão mais forte quanto mais próximo o diafragma se encontrar dele, ou
no caso de usar fibra óptica como meio de transporte da luz, quanto mais próximo o
diafragma se encontrar da extremidade da fibra. Dessa forma, tem-se um sistema em
que a intensidade de luz recuperada da reflexão é função da posição do diafragma.
Como o diafragma é fino, ele irá vibrar com a onda sonora fazendo com que sua posição
varie de acordo com as frentes de diferença de pressão causadas pelo som. Por sua vez,
a intensidade de luz recebida da reflexão também irá variar, e essa variação será o
11
equivalente luminoso da onda sonora. Tem-se dessa forma, o sinal sonoro modulado em
amplitude através da luz.
3.3 – Vantagens
Usando o princípio de funcionamento descrito na Seção 3.2, o microfone óptico
pode transportar os dados captados por meio de luz através de uma fibra óptica, o que
exclui a necessidade de eletricidade nesse no percurso do sensor até a unidade de
processamento do sinal. A luz viajando por dentro de uma fibra é completamente imune
à EMI, sem contar o fato de que possui menor atenuação de sinal e pode alcançar
maiores distâncias, como será explicado no próximo capítulo.
Esta característica de funcionamento faz dessa nova tecnologia uma ótima
escolha para ambientes onde a introdução de ruído eletromagnético de aparelhos nas
vizinhanças é cada vez maior, como já discutido anteriormente.
Outro fato importante de ser apontado é que, por conta de utilização de luz ao
invés de eletricidade como meio de transportar a informação sonora, este tipo de
microfone é ideal inclusive para áreas onde haja presença de gases explosivos. Esta
situação ocorre geralmente nas indústrias de alimentos, química, petroquímica, óleo e
gás. Nestes ambientes de trabalho é necessário a utilização de equipamentos à prova de
explosão ou que tenham um nível de proteção denominada intrinsecamente segura.
Estes equipamentos devem funcionar utilizando uma quantidade de energia tão baixa
que não seja capaz de gerar uma centelha que possa dar ignição a uma mistura
explosiva. Como o microfone óptico tem seu funcionamento baseado na luz, esta
tecnologia é, por natureza construtiva, intrinsecamente segura.
12
Capítulo 4
Fibras Ópticas Plásticas
4.1 – Conceitos
É importante destacar o uso das fibras ópticas em comunhão com uso dos
microfones ópticos como forma de potencializar suas vantagens. Este capítulo irá
abordar o que são as fibras ópticas, especificamente as fibras ópticas plásticas, também
chamadas de POF's (Plastic Optical Fibers), e os benefícios de sua utilização em
microfones.
A fibras ópticas são finas fibras feitas de sílica (dióxido de silício) ou polímeros
transparentes. Seu princípio de funcionamento está diretamente relacionado à Lei de
Snell [6] e tem como objetivo conduzir a luz. As fibras ópticas são produzidas de modo
a ter um núcleo (core) e uma casca (cladding) feitos de material transparente e com
índices de refração diferentes, sendo necessário o núcleo ter um índice de refração
maior do que o índice de refração casca.
Lei de Snell
Na equação (I), θi e θr são os ângulos de incidência e refração, respectivamente, e
n1 e n2 são os índices de refração dos meios.
Note que, pela Lei de Snell, quando a luz se propaga de um meio com
determinado índice de refração para outro meio com índice de refração menor, existe
um ângulo de incidência para o qual o seno do ângulo de refração tende a ser maior que
um.
13
Figura 5 - Reflexão para ângulos maiores que θc.
Fonte: Wikipedia [7].
Nesta situação, como ilustrado na figura 5, a refração deixa de ocorrer e temos o
ângulo chamado de ângulo crítico de incidência, θc. Para qualquer ângulo de incidência
maior que θc, a luz que deveria ser refratada passará a ser refletida.
Este princípio é fundamental para o funcionamento das fibras ópticas. Como o
núcleo da fibra tem índice de refração maior que o da casca, a luz que entrar na fibra
fazendo um ângulo maior que o ângulo crítico entre esses dois meios será refletida e
ficará presa dentro do núcleo se propagando ao longo dela, como mostra a figura 6.
Figura 6 - Propagação da luz em uma fibra.
Fonte: Adaptado de Wikipedia [8].
O ângulo crítico define ainda, para a fibra, o que se chama de cone de aceitação,
ou abertura numérica. É denominado cone de aceitação o cone imaginário definido pelo
conjunto de ângulos com os quais a luz deve entrar na fibra óptica para que haja
reflexão entre núcleo e casca e a luz possa se propagar. Em outra palavras, é o angulo
máximo que a luz pode chegar em relação ao eixo longitudinal da fibra para que ela seja
propagada.
14
Figura 7 - Abertura numérica de uma fibra.
Fonte: Adaptado de Wikipedia [8].
Na figura 7 podemos ver o cone de aceitação definido pelo ângulo θmax. O feixe
de luz que penetrar a extremidade da fibra com ângulo menor que θmax será propagado.
O ângulo máximo do cone de aceitação é definido por:
Abertura Numérica
Note que este ângulo será definido em função dos índices de refração do núcleo
e da casca da fibra, respectivamente n1 e n2.
4.2 – Fibras Ópticas Plásticas
As fibras ópticas plásticas (POF) são produzidas a partir de polímeros, tanto em
seu núcleo quanto em sua casca. O uso de POF's se intensificou nos últimos anos por
conta de sua grande flexibilidade e baixo custo em relação as fibras ópticas feitas de
sílica. O baixo custo dessa tecnologia se dá pela maior facilidade e menor custo de
fabricação; e pela facilidade do manuseio da POF em sua instalação e manutenção.
Enquanto que a fibra convencional de sílica necessita de grande aparato de manuseio,
sendo algumas ferramentas extremamente caras e necessitando de mão de obra
especializada, a POF se caracteriza por ser robusta, ter manuseio simples e ferramental
com preço muito mais acessível.
15
O diâmetro maior com que se fabrica a POF, de até 1mm, possibilita uma
necessidade menor de precisão de alinhamento, o que é algo crítico em fibras ópticas de
vidro onde o diâmetro de seu núcleo é de pouco mícrons.
Esse tipo de fibra não necessita de máquinas específicas para realização de
cortes. Os cortes em fibras são essenciais para manter uma boa passagem de luz. Um
corte mal feito, com rebarba, deixa a extremidade da fibra opaca, ocasionando perdas.
Em fibras ópticas plásticas, os cortes podem ser feitos com navalhas na ausência de
cortador adequado.
A figura 8 mostra, à esquerda, o detalhe de uma fibra óptica antes do corte, com
extremidade completamente irregular; e após o corte, com extremidade plana e ideal
para uso. À direita, pode-se observar um cortador simples, do tipo guilhotina.
Figura 8 - Detalhe de corte e cortador de POF.
Fonte: Industrial Fiber Optics[9].
A conectorização também é feita com elementos de menor custo e seu tempo de
realização é consideravelmente menor. A robustez da fibra faz com que ela possua
maior flexibilidade e seu raio de curvatura seja menor, possibilitando curvas mais
acentuadas no cabo.
Como desvantagem, esse tipo de fibra possui um nível de atenuação muito maior
que as fibras de sílica. Essa característica faz com que não sejam adequadas para
transmissão de dados em grandes distâncias, ficando restritas a distâncias de
aproximadamente 100 metros. As POF's também possuem uma largura de banda
consideravelmente menor e não podem receber emendas por fusão.
4.3 – Uso em Microfones Ópticos
16
A questão da grande atenuação não é um problema crítico se as distâncias
envolvidas na operação com a fibra forem relativamente pequenas. Por esse motivo, as
fibras ópticas plásticas têm um custo benefício muito grande.
Em microfones ópticos, como foi dito no capítulo 3, o uso da fibras ópticas é
essencial para o princípio de cancelamento do efeito causado pela interferência
eletromagnética no sinal transmitido. O uso das fibras possibilita que a unidade de
processamento eletrônico do sinal captado pelo microfone esteja longe do elemento
sensor em si. Todo o transporte de sinal no caminho é feito por meio óptico e imune à
EMI.
Outra característica ainda não mencionada desta técnica construtiva é em relação
a versatilidade desta configuração para ambientes perigosos.
Considere a necessidade de gravar áudio em um local onde há a possibilidade de
haver no ar substâncias inflamáveis ou abrasivas. Neste tipo de situação, microfones
convencionais têm dois tipo de limitação, o material de fabricação e o uso de energia
elétrica.
Os microfones convencionais têm em sua fabricação o uso de metais. Nem
sempre é possível uma construção de equipamento com metais mais nobres, com
resistência a ambientes abrasivos, seja por impossibilidade construtiva ou por aumento
excessivo do preço final do equipamento.
O uso de energia elétrica é sempre um fator de risco em ambientes onde haja
risco de ignição de misturas combustíveis presentes no ar. Esse tipo de ambiente é
denominado de área classificada. A classificação de área é internacionalmente
normatizada e tem definição sobre os graus de classificação com relação a ocorrência da
atmosfera explosiva e os elementos combustíveis envolvidos. Segundo cartilha da
empresa brasileira WEG S.A [10]:
Uma atmosfera explosiva é quando existe
em contato com o oxigênio uma proporção tal de gás, vapor, poeira ou
fibras, onde uma faísca proveniente de um circuito elétrico ou o
aquecimento de um equipamento pode ser fonte de ignição e provocar
uma explosão. (WEG, 2016, p 6)
17
Uma das definições feitas por norma para equipamentos que funcionam em
áreas classificadas é quanto ao grau de proteção, que pode ser por encapsulamento, à
prova de explosão, segurança intrínseca ou outros.
O equipamento com proteção por segurança intrínseca é, por definição, incapaz
de gerar energia elétrica ou térmica suficiente para gerar ignição da atmosfera ao seu
redor. Os microfones ópticos, por terem seu funcionamento baseados na luz sendo
transportada e uma fibra, são por natureza construtiva intrinsecamente seguros. Por esse
motivo, são recomendáveis para áreas classificadas.
18
Capítulo 5
Experimento Prático
5.1 – Apresentação
Com a finalidade de demonstrar o princípio de funcionamento e embasar todo o
trabalho, será apresentado neste capítulo o protótipo projetado para experimentação. Foi
desenvolvido o projeto e montagem de um microfone óptico com o mesmo princípio de
funcionamento descrito na Seção 3.2 deste trabalho.
O projeto apresentado e descrito anteriormente, foi elaborado com base em
projeto similar desenvolvido pela empresa alemã Sennheiser, que tem como destaque o
dispositivo MO 2000 SET [Apêndice A]. Este microfone trabalha com um cabo de
dupla fibra óptica, uma para conduzir a luz até o diafragma e outro para conduzir a luz
refletida do diafragma até a unidade processadora. Esta configuração permite que toda a
eletrônica possa estar distante do microfone propriamente dito, o que o torna possível
uma construção usando somente materiais não metálicos.
5.2 – Estudo de Projeto
5.2.1 – Escolha do Tipo de Técnica
Definido qual seria o princípio físico com o qual o experimento deveria
funcionar, iniciou-se a fase de projeto. Nesta fase, foram definidas as decisões base do
projeto e qual a metodologia seria aplicada no desenvolvimento.
Dentre as possibilidades de construção, foram estudadas as formas de se
transformar o sinal sonoro em um sinal luminoso para se obter uma escolha ótima para
o projeto. A figura 9 mostra o detalhe de três possíveis configurações estudadas, todas
com princípios ligeiramente parecidos, baseando-se na variação de intensidade
luminosa relacionada ao movimento de vibração de um diafragma.
19
Figura 9 - Esquemas de Montagem do Microfone Óptico.
No esquema (a) temos uma transmissão direta entre a fibra emissora e a fibra
receptora. Nesta configuração, o diafragma é construído de material translúcido o
suficiente para deixar que parte da luz emitida na primeira fibra seja captada pela
segunda. O diafragma é tal que sua geometria ocasiona refração da luz que o atravessa.
O vibrar, o diafragma causa refração da luz, a intensidade de luz que consegue
atravessar será função da posição do diafragma em relação aos raios luminosos
incidentes, desta forma, pode-se modular o som na luz captada do outro lado.
No esquema (b) há também uma transmissão direta da luz conduzida pela fibra
emissora para a fibra receptora. Nesta configuração, o princípio básico é variar a
quantidade de luz que chega na segunda fibra por meio de um obstáculo. Este obstáculo
é posicionado no meio das duas fibras e rigidamente acoplado ao diafragma. Quando o
diafragma vibrar com o som, o obstáculo irá obstruir mais ou menos a quantidade de luz
que é emitida, fazendo com que a intensidade de luz recebida na segunda fibra seja
20
equivalente ao movimento de vibração do diafragma. Nesta configuração, também
teremos a modulação do som na intensidade de luz.
Para esse projeto, optou-se utilizar o esquema mostrado no item (c) da figura 9,
que já foi explicado no Capítulo 3. Nesta configuração, a luz que é recebida pela
segunda fibra é proveniente da reflexão no próprio diafragma, e sua intensidade será
proporcional à distancia da fibra ao diafragma. Ao vibrar, tem-se a modulação do som.
5.2.2 – Reflexão e Intensidade Luminosa
A técnica construtiva empregada neste projeto tem como parte integrante de seu
funcionamento a reflexão da luz. Para entender como esse fenômeno é aplicado, este
item irá analisar como a reflexão transforma a onda sonora em um sinal luminoso de
intensidade variável.
A luz proveniente da fibra óptica emissora sofre um certo espalhamento ao sair,
gerando um cone de iluminação no diafragma. Veja o detalhe na figura 10.
Figura 10 - Intensidade de luz sobre a fibra.
Assumindo que toda a luz é refletida, a intensidade de luz que será captada pela
fibra receptora é somente a intensidade proveniente da luz que sobre a sua superfície
incidir, ou seja, a luz que incidir sobre a superfície compreendida pela extremidade do
núcleo da fibra.
21
Figura 11 - Intensidade de luz com diafragma mais afastado.
Note, na figura 11, o que ocorre quando afastamos o diafragma do conjunto de
fibras. Nesta situação, o cone de luz refletido pelo diafragma fica muito mais aberto do
que quando o diafragma encontra-se mais próximo das fibras. Como não houve
mudança na intensidade total de luz emitida ou refletida, a intensidade de luz dentro do
cone continua a mesma, mas espalhada em uma área maior. Isso faz com que a luz
captada dentro da área que compreende a superfície da fibra seja menor em relação a
situação anterior.
Este é o fenômeno que faz com que quando o diafragma vibre - ou seja, varie sua
posição em relação ao conjunto de fibras - a intensidade de luz que retorna pela fibra
receptora seja menor.
5.2.3 – Perdas na reflexão
Como a luz que é captada pela fibra receptora é apenas a luz que incide sobre a
superfície da extremidade da fibra, é natural pensar que haverá uma grande perda já que
a maior parte do sinal luminoso não será captado.
Aqui será demonstrado o percentual da luz refletida que será efetivamente captado
pela fibra receptora. Ou seja, quantidade de luz que será útil em relação ao que foi
emitido pelo dispositivo emissor.
22
Considere que, para efeitos de simplificação, o cone de luz emitido pela fibra
emissora seja o um cone perfeito. Nesta situação, teremos a configuração da figura 12.
Figura 12 - Cone de abertura de saída da luz.
Para este estudo, é necessário que se conheça o ângulo de abertura com o qual a luz
sai da fibra, indicado na figura 12 pelos raios na cor amarela. Neste sentido, foi feito um
experimento simples que consiste em iluminar a fibra com um LED e obervar o raio R
da circunferência de luz que é gerada em um anteparo na outra extremidade da fibra,
para variadas distâncias d entre a fibra e o anteparo, como ilustrado na figura 13.
Figura 13 - Experimento de determinação do cone de abertura.
Com este experimento, foram tomados e calculados os dados que completam a
tabela 1.
Item Distância d (cm) Raio r (cm) Ângulo (°)
1 1,5 1,0 67,4
2 1,3 0,8 66,4
3 1,1 0,6 57,2
4 0,9 0,5 58,0
5 0,7 0,4 59,4
Tabela 1 - Abertura de saída da luz na fibra.
23
Para os dados obtidos, a média do ângulo encontrado é de 61,3°. Para facilitar a
aproximação dos cálculos, será admitido que o ângulo do cone de luz que sai da
extremidade da fibra é de 60°. Ou seja, em relação ao eixo longitudinal da fibra, a luz
sai no máximo com um ângulo de 30°.
De posse desse resultado, é possível prever qual a área iluminada no diafragma
dada uma distância conhecida entre o diafragma e a fibra.
O esquema da figura 14 ilustra as grandezas que devem ser obervadas durante este
estudo.
Figura 14 - Grandezas do cone de abertura.
R - raio da circunferência iluminada pela fibra
d - distância entre a fibra e o diafragma
θ - ângulo máximo de saída da luz (30°)
Observe que a luz refletida no diafragma, ao chegar ao plano onde se encontra a
extremidade da fibra, deverá gerar uma circunferência de raio 2R. Isso ocorre pelo fato
de a luz ser refletida no diafragma com mesmo ângulo de incidência em relação a sua
reta normal.
Pela equação de Pitágoras, podemos descrever a grandeza R em relação à distância
d e o ângulo θ da seguinte forma:
Como foi verificado para esse experimento que θ=30°, então:
24
Com esses dados, é possível calcular a área da circunferência no plano das
extremidades da fibra, ou seja, a área da circunferência de raio 2R. Esta área será
descrita pela equação:
Substituindo o valor de R encontrado na equação (IV) anterior, temos:
Seja E a energia luminosa que é emita pela fibra emissora. Admita ainda que não há
perdas por refração e ou reflexão difusa no diafragma, ou seja, toda a luz emitida pela
fibra é perfeitamente refletida e chega ao plano da circunferência de raio 2R. Suponha
que toda a energia luminosa estará uniformemente distribuída nesta circunferência, de
modo que podemos expressar a densidade de energia luminosa como sendo:
Substituindo (1) em (2), temos:
Como a densidade , neste caso, é homogênea, podemos usar este resultado para
saber qual a quantidade de energia luminosa irá incidir sobre a extremidade da fibra
receptora. Para isso, precisamos saber a área desta extremidade.
Como a fibra óptica tem 1mm de diâmetro interno, seu raio r é de 0,5mm e a área
da extremidade A' será dada por:
A quantidade de energia E' poderá ser obtida pelo equivalente da equação (7) como
segue:
Dado que a densidade ρ no plano que contém a extremidade da fibra é constante
dentro da circunferência de raio 2R, pode-se igualar as equações (7) e (10).
25
Desenvolvendo a equação, temos:
Como E e r são constantes, a energia luminosa captada será função apenas da
distância d entre a fibra e o diafragma.
Com este resultado, é possível obter uma estimativa de quanta energia luminosa
poderá ser aproveitada em função da distância d.
A tabela 2 a seguir mostra a porcentagem de energia luminosa aproveitada após a
reflexão no diafragma.
Item Distância d entre fibra e diafragma (cm)
Energia captada pela fibra receptora
1 1,0 0,19%
2 0,9 0,23%
3 0,8 0,29%
4 0,7 0,38%
5 0,6 0,52%
6 0,5 0,75%
7 0,4 1,17%
8 0,3 2,08%
9 0,2 4,69%
10 0,1 18,75%
Tabela 2 - Energia luminosa aproveitada.
O resultado apresentado na tabela 2 mostra a grande perda de energia luminosa
inerente a esse tipo de configuração de microfone óptico. Note que apenas para uma
distância a partir de 4mm entre o diafragma e a fibra teremos um aproveitamento maior
que 1% da luz total emitida.
5.2.4 – Circuito
Neste projeto, optou-se por utilizar como fonte luminosa um LED infravermelho e
um fototransistor como elemento receptor. Segue na figura 15 a ilustração do
26
dispositivo que contém esses dois componentes, e pode ser consultada também no
Apêndice A.
Figura 15 - Sensor Reflexivo Óptico TCRT5000.
Fonte: Adaptado de Vishey Telefunken [Apêndice B].
Este dispositivo é um módulo com invólucro plástico que contém um LED emissor
de infravermelho e um fototransistor receptor de infravermelho. Este módulo é
geralmente usado para detecção de movimento ou posição. Para este projeto, será o
suficiente, já que deverá ser monitorada a posição do diafragma.
O circuito a ser montado para este experimento é relativamente simples, bastando
alimentar os dois componentes principais como segue esquematizado no diagrama da
figura 16.
Figura 16 - Esquemático do circuito experimental
Este circuito é responsável pelo envio do sinal luminoso através do LED e pela
recepção pelo fototransistor. O fototransistor é um transistor do tipo bipolar que conduz
eletricidade quando sua base é iluminada.
27
5.3 – Montagem
5.3.1 – Teste do sensor
Na montagem inicial do circuito, feita em protoboard, foi desconsiderado o uso de
fibra óptica. A intenção era testar apenas o funcionamento do LED e do fototransistor e
a capacidade que os dois teriam de detectar as pequenas vibrações do diafragma.
O circuito da figura 15 foi montado de acordo com a configuração ilustrada adiante
na figura 17. Nesta montagem ainda não havia um diafragma, ao invés disso, desejava-
se detectar o movimento de um alto falante com se este próprio agisse como o
diafragma do microfone.
Figura 17 - Primeira montagem para teste
Fonte: Autor
Neste sentido, foi acoplado ao alto falante um anteparo de papel, que seria
responsável por refletir a luz infravermelho. O movimento horizontal causado no
anteparo pelo alto falante faria a área de reflexão variar, ora refletindo mais luz, ora
refletindo menos luz, o que então faria variar a luz refletida ao receptor.
Trata-se de um teste puramente qualitativo, para averiguar a real capacidade do
sensor TCRT5000 de captar pequenas vibrações. Ou seja, era necessário saber se o
dispositivo escolhido poderia ser usado no microfone óptico, visto que o movimento do
diafragma é muito pequeno, necessitando de um sensor com boa sensibilidade.
Neste teste experimental foi possível gravar o áudio de uma música sendo
reproduzida pelo alto falante, mas em seu resultado, mostrado na figura 18, é possível
notar uma grande presença de ruído no arquivo gravado (gráfico de cima) e muita
atenuação nas frequências que deveriam compor parte do sinal.
Isto se traduziu em supressão total dos sons vocais e instrumentos mais agudos.
28
No áudio em questão,
ficaram audíveis apenas os sons
de baixo e bateria, ou seja, as
frequências mais baixas do sinal
original, que como podemos
notar pela análise do espectro
do sinal, são as frequências que
ficaram com maior ganho.
Com base nos resultados,
nota-se que á possível que o
circuito tenha sensibilidade
suficiente para captar a vibração
do diafragma, basta que este
diafragma tenha uma resposta
em frequência mais bem
distribuída.
Figura 18 - Espectro do teste de sensibilidade do sensor.
5.3.2 – Teste com diafragma
A ideia principal desse teste é mostrar que pode-se captar a vibração do diafragma
diretamente. A primeira questão que se deve encarar é que tipo de diafragma será
utilizado para que se tenha uma boa resposta.
Como o elemento utilizado para detectar a vibração do diafragma é a luz que por
ele é refletida, é intuitivo se pensar que o diafragma deva ser o mais reflexivo possível
para que o sinal luminoso captado tenha intensidade suficiente para ser interpretado
pelo fototransistor.
Tendo esta necessidade em mente, optou-se por utilizar uma folha plástica prateada,
pois seria ao mesmo tempo reflexiva o bastante para fins de leitura e leve o suficiente
para vibrar com o som.
A figura 19 mostra o detalhe de montagem do diafragma escolhido para estes
testes.
29
Figura 19 - Diafragma reflexivo.
Uma estrutura simples de plástico responsável por manter a fina lâmina plástica
esticada. Dessa forma, maximiza-se tanto o potencial vibratório do diafragma quanto
sua reflexividade. Caso o diafragma não se encontrasse tensionado o suficiente, sua
superfície apresentaria ondulações que atrapalhariam a reflexão, espalhando os raios de
luz em direções não desejadas, fenômeno óptico que se chama de reflexão difusa.
Figura 20 - Reflexão em superfície plana e rugosa.
Fonte: Google.
A montagem do circuito segue a mesma do diagrama apresentado na figura 17, mas
ao invés do alto falante, o próprio diafragma plástico foi posicionado na direção do LED
infravermelho como, segue esquematizado na figura 21.
Note que nesta montagem, ao contrário da montagem de teste de sensibilidade do
sensor, que se baseava na variação da área de reflexão, o princípio envolvido é a
variação da distância entre o diafragma e o sensor.
30
Figura 21 - Montagem com diafragma.
Nesta configuração foi realizado teste com o mesmo trecho de áudio que a
montagem anterior sendo notada uma grande diferença em qualidade de som capturado.
Na figura 22 há novamente a comparação dos espectros de frequência do áudio original
(embaixo) e do novo áudio gravado (em cima) usando o microfone montado.
Figura 22 - Comparação dos espectros de frequência.
31
Com este teste podemos perceber ainda presença de ruído de alta frequência. Por
outro lado, notamos que algumas frequências que na montagem anterior tinham sofrido
grande atenuação agora são perceptíveis. O resultado prático foi um som mais nítido e
que agora não suprime nem voz e nem instrumentos com timbre mais agudo.
Os testes a seguir foram realizados com mudança no material do diafragma, cuja
membrana foi substituída por um plástico ainda mais fino. A figura 23 representa o
espectro de frequência para o resultado obtido da gravação de um sinal senoidal de
7kHz de frequência. Para fins de comparação, o áudio foi gravado tanto com o uso do
microfone óptico como de um microfone dinâmico convencional.
Figura 23 - Distorção harmônica.
O microfone convencional apresentou um ganho maior na componente principal do
sinal. Por outro lado, o microfone óptico obteve um pico em 7kHz muito mais estreito,
o que indica presença de um sinal mais puro, à exceção dos perturbações.
32
Neste experimento foi usado um alto falante para reprodução do sinal de 7kHz a ser
gravado. Por conta disso, não há certeza em se afirmar que toda a distorção presente no
sinal gravado provém unicamente do microfone. O próprio alto falante pode introduzir
distorção ao reproduzir o sinal, pois os alto falantes não-ideais não tem uma resposta
constante em toda a banda de frequências audíveis. Outra fonte de perturbação a ser
levada em consideração é o próprio ruído do ambiente, pois o experimento não foi
realizado em ambiente acusticamente isolado.
O teste a seguir foi realizado também com sinal senoidal. No entanto, o sinal
utilizado é uma varredura desde 1Hz até 20kHz de frequência, o que engloba toda a
banda de frequências audíveis para o ser humano. A figura 24 mostra a resposta em
frequência para este teste.
Figura 24 - Resposta em frequência para frequências audíveis.
33
Neste resultado podemos perceber que a resposta do microfone óptico é muito mais
constante para frequências mais baixas do que a resposta do microfone convencional.
É importante ressaltar que os gráficos estão normalizados. Na prática, o microfone
convencional obteve um ganho um pouco maior que o microfone óptico.
O software utilizado para gravação e análise do áudio - Audacity - contém uma
ferramenta de determinação da relação sinal-ruído (SNR) com base em critério de
aceitação para ambiente web normalizado pela ISO/IEC 40500:2012. Segue
informações sobre o resultado encontrado pela ferramenta:
Os dados analisados deram resultado positivo para os critérios da Seção 1.4.7 do
WCAG 2.0, que representa a norma ISO mencionada anteriormente, apresentando uma
SNR de 31,2 dB. Este item trata da relação entre o sinal e o ruído usando o seguinte
critério [11]:
Os sons de fundo são, no mínimo, 20 decibéis mais baixos
que o conteúdo da voz em primeiro plano, com a exceção de sons
ocasionais que duram apenas um ou dois segundos.
Nota: De acordo com a definição de "decibel", o som de
fundo que cumprir este requisito será, aproximadamente, quatro vezes
mais baixo do que o conteúdo de voz em primeiro plano. (WCAg2.0,
2014, item 1.4.7)
5.3.3 – Teste com fibra óptica
A ideia deste teste é conduzir a luz no LED até o diafragma por meio de uma POF e
então conduzir a luz refletida do diafragma até o fototranssitor por meio de outra POF.
Para este teste, serão utilizadas duas fibras ópticas plásticas de aproximadamente
30 cm de comprimento e 1 mm de diâmetro cada. As fibras serão conectadas ao LED e
Primeiro plano Tempo de início = 0 hora(s), 0 minuto(s), 0,00 segundos. Tempo de fim = 0 hora(s), 0 minuto(s), 5,05 segundos.
Potência média (RMS) = -10,4 dB. Plano de fundo Tempo de início = 0 hora(s), 0 minuto(s), 8,59 segundos. Tempo de fim = 0 hora(s), 0 minuto(s), 9,62 segundos. Potência média (RMS) = -41,7 dB. Resultados Diferença = 31,2 potência média (RMS) dB. Critério de sucesso 1.4.7 do WCAG 2.0: passou
34
ao fototransistor por meio de conector de alumínio específico como mostra o esquema
da figura 25.
Figura 25 - Conectorização da POF.
A outra extremidade de ambas as fibras (emissora e receptora) será posicionada
diante do diafragma.
Esta configuração estará introduzindo perdas no sinal luminoso em alguns pontos,
principalmente nas extremidades da fibra. Por se tratar de um pedaço muito pequeno de
fibra, as perdas internas devido à refração entre casca e núcleo serão desconsideradas,
pois admite-se que o sinal terá uma atenuação insignificante dentro da POF.
É importante levar em consideração que uma menor quantidade de luz será captada
após a reflexão no diafragma. Isso é esperado porque será conduzida ao receptor apenas
a luz que penetrar a pequena área de superfície na extremidade da fibra.
A montagem deste sistema para testes seguiu o circuito esquematizado na figura 26.
Figura 26 - Montagem com POF.
←Fibra
←Conector
←LED
35
Com esta montagem, obteve-se um sinal com um nível de ruído muito elevado.
Segue informações sobre a relação sinal-ruído em decibel obtida segundo o critério
WCAG2.0:
Com uma SNR de 7,1dB o áudio não só fica fora dos critérios da Seção 1.4.7 como
o áudio fica extremamente distorcido. Este fato ocorre por conta da baixa intensidade
luminosa do LED utilizado e pela perda de luz associada a essa configuração, que
acabam por fazer com que o sinal luminoso captado após a reflexão no diafragma tenha
uma intensidade muito pequena.
Possíveis soluções para este problema envolveriam melhorias de projeto para
aumentar a intensidade luminosa captada e diminuir o ruído. Neste sentido, poderia ser
usado como emissor, ao invés de um LED, um laser para obter maior intensidade
luminosa. Outra forma de aumentar a amplitude do sinal captado seria a utilização de
amplificadores ópticos. Para diminuir perdas, poderia ser usada uma superfície ainda
mais plana e refletora como diafragma, pois diminuiria a dispersão luminosa por conta
da reflexão difusa.
Figura 27 - Comparação temporal de áudio com POF.
Para esse mesmo teste foi feita a análise espectral do áudio captado. Segue o
resultado desta análise na figura 28.
Primeiro plano Tempo de início = 0 hora(s), 0 minuto(s), 0,94 segundos. Tempo de fim = 0 hora(s), 0 minuto(s), 5,22 segundos. Potência média (RMS) = -21,9 dB. Plano de fundo Tempo de início = 0 hora(s), 0 minuto(s), 0,08 segundos. Tempo de fim = 0 hora(s), 0 minuto(s), 0,92 segundos. Potência média (RMS) = -29,0 dB. Resultados Diferença = 7,1 potência média (RMS) dB. Critério de sucesso 1.4.7 do WCAG 2.0: falhou
36
Figura 28 - Comparação dos espectros de frequência do teste com POF.
Neste teste pode-se notar uma grande atenuação em quase toda a faixa audível. A
partir de 1,4kHz perde-se completamente o sinal. Durante o experimento foi possível
notar que, assim como previsto, a intensidade de luz que retorna pela fibra receptora é
muito pequena e não é possível recuperar o sinal, que acaba ficando da mesma ordem
de grandeza do ruído inerente à montagem deste protótipo.
É necessário reafirmar que foi usado como fonte luminosa um LED infravermelho
de 5mm. A intensidade luminosa poderia ser aumentada com o uso de LED de alto
brilho ou outro dispositivo com maior potência.
37
Conclusão
A necessidade de tecnologias imunes à EMI é cada vez maior conforme a
tecnologia no ramo das comunicações aumenta e cresce a suscetibilidade dos diversos
equipamentos a esse tipo de perturbação.
Os microfones ópticos são uma solução para essa demanda no que diz respeito a
gravação e sensoriamento sonoro. Muito longe de ser um substituto definitivo para as
tecnologias mais empregadas atualmente, e que funcionam muito bem, o microfone
óptico surge ainda com atuação limitada, mas com aplicações específicas onde somente
ele é recomendável. Como exemplo, pode ser citada comunicação entre médico e
paciente dentro de um aparelho de ressonância magnética.
Esta tecnologia já está no mercado, tendo alguns representantes importantes de
tecnologias diversas em áudio. São dispositivos que têm potencial e têm aplicações
reais, que deverão ter o seu desenvolvimento cada vez mais aprimorado nos próximos
anos.
O experimento prático demonstrou que é possível obter um microfone que funcione
satisfatoriamente, com um princípio de funcionamento relativamente simples,
interessante para ambientes nocivos a outras tecnologias e que pode ser construído com
custo extremamente baixo.
Os resultados para montagem do protótipo com e sem o uso de fibras ópticas foram
diferentes. Sem a fibra, para a configuração de protótipo escolhida, os resultados foram
melhores e o microfone apresentou uma resposta em frequência muito boa e bem
distribuída. Com o uso da fibra a resposta apresentou perdas consideráveis em grande
parte das frequências audíveis, o que é indesejável para um microfone.
Como recomendações para trabalho futuro, conclui-se que é importante uma
abordagem diferente em relação à construção quando o microfone for usado em
conjunto com as fibras ópticas. Isto ocorre por que se passa a trabalhar com sinais de
amplitude muito pequena, sendo necessária a utilização de fonte luminosa com maior
intensidade e elementos mais robustos do ponto de vista de perdas.
38
Bibliografia
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https://www.w3.org/Translations/WCAG20-pt-br/, 2014, (Acesso em 02 Outubro
2016).
Apêndice A
MO 2000 Set and IAS MO 2000 Set
Optical Microphone Systems
MO 2000 Set IAS MO 2000 Set
The Optical Microphone system, designed for special applications such as acoustic monitoring in industrial settings, medical procedures, and technological measurement, is available in two variants:
MO 2000 Set – Includes the optical microphone with the MO 2000 H optical cable, the MO 2000 CU central unit, power supply and carry case.
IAS MO 2000 Set – In addition to the above components, this system also includes the MZWW 2000 Set weather
protection accessory kit, making it ideal for use in potentially explosive atmospheres and outdoor applications. The Sennheiser MO 2000 microphone head, which has an external diameter of 0.5 inches, is made of a plastic material that is suitable for use in areas with aggressive substances (such as gases, salts, humidity) and radiation. All components of the microphone head, including the optical waveguides, are free of metal; no electric current flows.
KEY FEATURES
Rugged design for use in areas of aggressive substances (gases, salts, and humidity) and radiation Metal-free microphone components prevents interference with other equipment High signal-to-noise ratio
Extensive frequency response
Reliable operation for acoustic measuring and communication
TECHNICAL DATA Polar pattern Omni-directional
Sensitivity 15 mV/Pa
S/N related to 1 Pa sound pressure >50 dB(A)
Max. sound pressure level 134 dB
Infinitely variable in the range
Amplification +/-15 dB, switchable in steps 0 dB,
+ 20 dB, + 40 dB
Optical fiber multimode 200/230 μm
Operating temperature range MO 2000 H: -10 °C to +70 °C
MO 2000 CU: 0 °C to +40 °C
Plug-in power supply with country
Power supply adapters 100-240 V AC to
12 V DC, 5.4 W
Current consumption 120 mA
Output impedance Approx. 330 Ω asymmetrical /
660 Ω symmetrical
AF output level 15 mV/Pa (potentiometer in mid
position, switch set to 0 dB)
Frequency response 20 Hz to 40 kHz (±6 dB)
MO 2000 Set and IAS MO 2000 Set
Optical Microphone Systems
HOW IT WORKS An optical principle is the only microphone principle in which the microphone head and electronics can be located far away from each other. The optical microphone relies on light from an LED, which is directed onto a reflective diaphragm via a fiber-optic cable (optical transmitter waveguide). The membrane then reflects part of the light into an optical receiver waveguide. If the diaphragm is moved by sound signals, the reflected light beam is displaced, allowing more or less light into the receiver waveguide. At the end of the receiver waveguide, a photodiode converts the light intensity variations into electric signals.
Applications: Industrial applications - Possible applications for the optical microphone include the acoustic monitoring of power utility plants (including hydroelectric, wind, and nuclear plants), as well as oil and natural gas production facilities. In this example, the microphone would “hear” slow leaks, which, due to their small size, cause neither a pressure loss nor an alarm message in other monitoring systems. Medical applications - The microphone is ideal for use in magnetoencephalography (MEG) and magnetic resonance imaging (MRI). For example, it maintains communication with the patient during MRI scans or achieves active noise cancellation within the MRI machine. The optical microphone does not disturb the imaging process and is itself not influenced by the strong fields inside MRI equipment. Measuring applications - The microphone is ideal for use in EMI/EMC laboratories, as it does not influence the electric field. In this case, for example, it functions like an ear on a cellular phone.
Sennheiser Electronic Corporation 1 Enterprise Dr • Old Lyme, CT 06371 (860) 434-9190
Apêndice B
Reflective Optical Sensor with Transistor Output
Description The TCRT5000(L) has a compact construction where
the emitting-light source and the detector are arranged
in the same direction to sense the presence of an ob-
ject by using the reflective IR beam from the object. The operating wavelength is 950 mm. The detector consists of a phototransistor.
Applications
Position sensor for shaft encoder
Detection of reflective material such as paper, IBM cards, magnetic tapes etc. Limit switch for mechanical motions in VCR
94 9442
General purpose – wherever the space is limited
15116
Features
C A
Snap-in construction for PCB mounting
Package height: 7 mm
Plastic polycarbonate housing construction E C
which prevents crosstalk
L = long leads
Current Transfer Ratio (CTR) of typical 10% Top view
Order Instruction Ordering Code Sensing Distance Remarks
TCRT5000 12 mm Leads (3.5 mm)
TCRT5000(L) 12 mm Long leads (15 mm)
Absolute Maximum Ratings Input (Emitter)
Parameter Test Conditions Symbol Value Unit
Reverse voltage VR 5 V
Forward current IF 60 mA
Forward surge current tp 10 A IFSM 3 A
Power dissipation Tamb 25 C P
V 100 mW
Junction temperature Tj 100 C
Output (Detector)
Parameter Test Conditions Symbol Value Unit
Collector emitter voltage V
CEO 70 V Emitter collector voltage
VECO 5 V
Collector current IC 100 mA
Power dissipation Tamb 55 C PV 100 mW Junction temperature
Tj 100 C
Sensor
Parameter Test Conditions Symbol Value Unit
Total power dissipation Tamb 25 C P
tot 200 mW
Operation temperature range T
amb –25 to +85 C
Storage temperature range T
stg –25 to +100 C
Soldering temperature 2 mm from case, t 10 s T
sd 260 C
Electrical Characteristics (Tamb = 25C) Input (Emitter)
Parameter Test Conditions Symbol Min. Typ. Max. Unit
Forward voltage IF = 60 mA V
F 1.25 1.5 V
Junction capacitance VR = 0 V, f = 1 MHz Cj 50 pF
Output (Detector)
Parameter Test Conditions Symbol Min. Typ. Max. Unit
Collector emitter voltage IC = 1 mA V
CEO 70 V
Emitter collector voltage IE = 100 A V
ECO 7 V
Collector dark current VCE = 20 V, IF = 0, E = 0 ICEO 10 200 nA
Sensor
Parameter Test Conditions Symbol Min. Typ. Max. Unit
Collector current V = 5 V, I F = 10 mA, I 1,2) 0.5 1 2.1 mA
CE C
D = 12 mm
Collector emitter IF = 10 mA, IC = 0.1 mA, VCEsat 1,2)
0.4 V
saturation voltage D = 12 mm
1) See test circuit
2) Test surface: Mirror (Mfr. Spindler a. Hoyer, Part No 340005)
94 9226 96 12314
IF IC
VCC
Flat Mirror d = working distance
= 22.5 mm
Rem. 2 D = Distance
A
12 0.2
7.0 0.2
= package height
Figure 1. Test circuit Figure 2. Test circuit
Typical Characteristics (Tamb = 25 C, unless otherwise specified)
( m
W ) 300
Coupled device
Dis
sipati
on
200
Phototransistor
Po
wer
100
IR-diode
– T
ota
l
0 t o t
0 25 50 75 100 P
95 11071 Tamb – Ambient Temperature ( C )
) 10.000 VCE=5V
( mA
1.000
Cu
rren
t
– C
oll
ecto
r
0.100
C
0.010 I
0.001
0.1 1.0 10.0 100.0
96 11763 IF – Forward Current ( mA )
Figure 3. Total Power Dissipation vs. Figure 6. Collector Current vs. Forward Current
Ambient Temperature 1000.0 10.00
IF =50mA
)
Forw
ard
Curr
ent
( m
A ) 100.0 20mA
1.00 10mA
10.0 5mA
0.10 2mA
1.0
– C o l l e c t o r C u r r e n t ( m A
1mA
–
C
I
F
I 0.1 0.01
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.1 1.0 10.0 100.0
96 11862 VF – Forward Voltage ( V ) 96 11764 VCE – Collector Emitter Voltage ( V )
Figure 4. Forward Current vs. Forward Voltage Figure 7. Collector Emitter Saturation Voltage vs.
Collector Current
Ra
tio 1.2
VCE=5V
1.1 IF=20mA
Tra
nsf
er
1.0
Cu
rren
t 0.9
–
Rel
ati
ve
0.8
r el
0.7
CT
R
0.6
–30–20–10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
96 11762 Tamb – Ambient Temperature ( C )
Figure 5. Rel. Current Transfer Ratio vs. Ambient Temp.
100.0
) VCE=5V
Ra
tio
(
%
10.0
Tra
nsf
er
CT
R –
C
urr
ent
1.0
0.1
0.1 1.0 10.0 100.0
96 11765 IF – Forward Current ( mA )
Figure 8. Current Transfer Ratio vs. Forward Current
1.2
C
urr
ent VCE=10V
1.0 IC=20mA
Coll
ecto
r
0.8
0.6
– R
ela
tive
0.4
Cr
el
0.2 I
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16
96 11766 d – Working Distance ( mm )
Figure 9. Relative Collector vs. Distance
Top view 96 12371
Figure 10. Footprint
Dimensions of TCRT5000 in mm
96 12073
Dimensions of TCRT5000L in mm
95 11267
Ozone Depleting Substances Policy Statement
It is the policy of Vishay Semiconductor GmbH to 1. Meet all present and future national and international statutory requirements.
2. Regularly and continuously improve the performance of our products, processes, distribution and operating
systems with respect to their impact on the health and safety of our employees and the public, as well as their impact on the environment.
It is particular concern to control or eliminate releases of those substances into the atmosphere which are known as ozone depleting substances ( ODSs ). The Montreal Protocol ( 1987 ) and its London Amendments ( 1990 ) intend to severely restrict the use of ODSs and forbid their use within the next ten years. Various national and international initiatives are pressing for an earlier ban on these substances. Vishay Semiconductor GmbH has been able to use its policy of continuous improvements to eliminate the use of ODSs listed in the following documents. 1. Annex A, B and list of transitional substances of the Montreal Protocol and the London Amendments respectively 2 . Class I and II ozone depleting substances in the Clean Air Act Amendments of 1990 by the Environmental
Protection Agency ( EPA ) in the USA 3. Council Decision 88/540/EEC and 91/690/EEC Annex A, B and C ( transitional substances ) respectively. Vishay Semiconductor GmbH can certify that our semiconductors are not manufactured with ozone depleting substances and do not contain such substances.
We reserve the right to make changes to improve technical design and may do so without further notice. Parameters can vary in different applications. All operating parameters must be validated for each customer application by the customer. Should the buyer use Vishay Telefunken products for any unintended or unauthorized application, the buyer shall
indemnify Vishay Telefunken against all claims, costs, damages, and expenses, arising out of, directly or indirectly, any claim of personal damage, injury or death associated with such unintended or unauthorized use.
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Telephone: 49 ( 0 ) 7131 67 2831, Fax number: 49 ( 0 ) 7131 67 2423