La posibilidad de transmitir los sonidos a distancia utilizando electricidad o campos electromagnéticos, o la capacidad de grabar y reproducir sonidos, también utilizando medios eléctricos, hace necesario la conversión de las ondas de presión sonoras en señales eléctricas, mediante el uso de micrófonos, y las señales eléctricas en sonidos empleando altavoces o auriculares. Estos dispositivos que permiten transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada en otra diferente de salida se denominan de forma genérica como transductores. Tanto los micrófonos como los altavoces han sido y son elementos imprescindibles tanto en las telecomunicaciones, como en la industria y los medios de información y entretenimiento.
Micrófonos
Los micrófonos son dispositivos que permiten captar las ondas sonoras y convertirlas en señales eléctricas, permitiendo su transmisión, grabación, procesado y almacenamiento y son utilizados en una amplia variedad de aplicaciones. Como en otros muchos desarrollos tecnológicos, no existe un inventor único del micrófono, atribuyéndose su creación a diferentes investigadores.
Por un lado, la palabra micrófono se atribuye a Sir Charles Wheatstone, quien, aproximadamente en 1827, utilizó la palabra «micrófono» —una combinación de las palabras griegas «micro» (pequeño) y «phono» (sonido)— para describir un dispositivo acústico que amplificaba sonidos débiles, pero sin modificar el tipo de energética de estos sonidos.
Teniendo en cuenta que tanto el micrófono, como el altavoz, son elementos esenciales en una conversación telefónica, se puede considerar como inventores del micrófono a los diferentes personajes que contribuyeron en la aparición del teléfono. Así, podemos incluir en primer lugar a Antonio Meucci, que ya en la década de 1850 consiguió la transmisión de voz mediante bocinas de cartón acopladas a unos contactos metálicos, unidas a través de un conductor de alambre y unas baterías eléctricas. A este dispositivo lo llamó “Teletrófono”. También puede considerarse como inventor del micrófono a Johann Philipp Reis, con su “teléfono musical” desarrollado en 1861, que utilizaba una tira metálica apoyada sobre una membrana con una punta, también metálica, de forma que al vibrar hacía contacto de forma intermitente, produciendo una corriente eléctrica proporcional a la intensidad del sonido.
Los dos personajes siguientes serían Alexander Graham Bell y Elisha Gray. El primero, aunque en su patente del teléfono incluía un transmisor y un receptor electromagnéticos, consistentes en una armadura móvil asociada a un electroimán; en la demostración del teléfono que realizó el 10 de marzo de 1876 utilizó un transmisor líquido muy parecido al aviso de patente que Gray presentó sólo dos horas después de que lo hiciera Bell. Este transmisor, empleaba un diafragma unido a una varilla metálica móvil sumergida en una solución ácida, por medio de la cual se establecía contacto con una segunda varilla fija conductora que cerraba el circuito a través de una batería eléctrica.
Estos primeros desarrollos utilizados en los teléfonos no ofrecían una buena calidad del sonido, lo que llevó a buscar otras alternativas. Entre ellas destaca el micrófono de carbón, que utiliza granos de carbono empaquetados en un espacio cerrado situado entre dos electrodos, uno de los cuales estaba unido a un delgado diafragma de hierro. Ante la presión acústica ejercida por el sonido, los gránulos se comprimen y expanden, produciendo una variación proporcional de la resistencia eléctrica del dispositivo y por lo tanto de la corriente al estar conectado a una batería.
Este tipo de micrófono fue desarrollado independientemente por David Edward Hughes en Inglaterra, Emile Berliner y Thomas A. Edison en los Estados Unidos. En 1877, Emile Berliner presentó una patente para el micrófono de carbón, que fue adquirida por la “Bell Telephone Company” por 50.000 dólares para su uso en los teléfonos que fabricaba. Edison también había presentado en ese mismo año una patente para un micrófono de carbón. Por otro lado, Hughes había desarrollado un modelo de micrófono y demostrado su funcionamiento frente a varios testigos algunos años antes, y aunque no llegó a patentarlo, la mayoría de los historiadores le atribuyen su descubrimiento.
Western Electric. 1924
Standard Eléctrica. Ca. 1950
Museo de Telecomunicaciones
Estos micrófonos permitieron una mejora en la calidad y eficiencia en la captura del sonido, siendo ampliamente utilizados en telefonía. Sin embargo, estos primeros modelos producían bastante ruido y una respuesta en frecuencia limitada, por lo que no eran utilizables para la grabación de música.
Posteriormente se mejoraría su calidad mediante un sistema de doble botón diseñado para evitar que los gránulos de carbón tocaran el diafragma, lo que permitió su utilización en la grabación de discos eléctricos y en la radiodifusión en la década de 1920. Quizás el más conocido sea un diseño octogonal que se ve en las fotografías de las primeras emisoras: el micrófono de carbono de “corriente transversal” Marconi-Reisz
Marconi-Reisz. ca. 1920
Con el fin de mejorar determinadas características, especialmente en lo referente a la inestibilidad de los granos de carbono, se desarrollaron otros tipos de micrófono, como los de trasductor piezoeléctrico o cristal, originalmente de cristales de cuarzo y posteriomente utilizando cerámicas especializadas, o los micrófonos de condensador, con una mejora importante en la calidad de la toma de sonido. El primer micrófono de condensador fue desarrollado por Edward C. Wente en 1916 en los laboratorios Bell, y requería de amplificación utilizando la válvula triodo inventada en 1906 por Lee de Forest. Consisten en un diafragma delgado colocado cerca de una placa metálica con carga eléctrica. A medida que las ondas sonoras inciden en el diafragma, la distancia entre este y la placa trasera varía, lo que produce variaciones en la señal eléctrica.
Los micrófonos comerciales de condensador empezaron a utilizarse a mediados de la década de 1920 en grabación de música y películas sonoras (el micrófono Western Electric 394 W, fue utilizado para producir la primera generación de películas sonoras). Georg Neumann fundó su empresa de micrófonos en Berlín en 1928 y comenzó la producción del famoso micrófono de condensador de botella CMV3 (“Neumann Bottle”), utilizado en la radio y la industria discográfica alemana y en los discursos de los líderes nazis y los Juegos Olímpicos de Berlín en 1936
Los primeros desarrollos eficientes de micrófonos electromagnéticos (de bobina móvil y de cinta) datan de los años 30 del siglo XX, debido a que hasta esos años no se consiguió imanes permanentes suficientemente potentes. Los micrófonos de bobina móvil, llamados también micrófonos dinámicos, funcionan mediante un diafragma conectado a una bobina de alambre que se mueve dentro de un campo magnético, generando una señal eléctrica. Este tipo de micrófono, que fue desarrollado por Edward C. Wente y Albert L. Thuras en los Laboratorios Bell a finales de la década de 1920 y patentado en 1931, soporta altos niveles de presión sonora y se utiliza comúnmente en presentaciones en vivo y grabaciones de estudio.
El primer micrófono de cinta comercial apareció alrededor de 1930 basado en los desarrollos efectuados en la década de 1920. Los micrófonos de cinta utilizan una fina lámina metálica (normalmente de aluminio) suspendida entre dos imanes. Cuando las ondas sonoras inciden en la cinta, esta vibra, generando una señal eléctrica. Estos micrófonos fueron adoptados por las emisoras de radiodifusión, fundamentalmente por la RCA en Estados Unidos y la BBC en Inglaterra, y para la grabación de música y la industria cinematográfica.
Los micrófonos de carbón y de condensador tenían un comportamiento omnidireccional, mientras que los micrófonos de cinta introdujeron el funcionamiento direccional, en forma de ocho o de cardiode, mediante diferencias de presión en diferentes partes de la cinta. Posteriormente se desarrollaron micrófonos de cañón “shotgun”, con un patrón de captación altamente direccional. La primera patente de este tipo de micrófono en 1941 es de Harry F. Olson de la RCA. Se utilizan comúnmente en producciones cinematográficas y grabaciones en exteriores.
Desde finales de los años 60 del siglo XX, el micrófono de condensador, se ha mejorado mediante cápsulas polarizadas que incorporan un material cargado permanentemente, dado lugar a los denominados: micrófonos de condensador electret. Posteriormente, y con la cada vez mayor utilización de la electrónica y la digitalización se han ido desarrollando diferentes micrófonos: miniatura, de solapa, inalámbricos, cuya primera patente es de 1957 (Raymond A. Litke), a la vez que se han conseguido mejorar la calidad de la captación del sonido.
Altavoces
Los altavoces y auriculares son dispositivos que convierten señales eléctricas en ondas sonoras audibles. Los altavoces son utilizados para producir sonido hacia un espacio abierto, de forma que pueda ser escuchado por varias personas a la vez, mientras que los auriculares (generalmente dos independientes, uno para cada oído) son diseñados para usarse de forma individual pegados a la oreja o introducidos en el canal auditivo.
Los elementos principales de un altavoz característico incluyen: un diafragma cónico, una bobina móvil, un imán y una estructura de sujeción. Cuando una señal eléctrica de audiofrecuencia se aplica a la bobina móvil, se crea un campo magnético que al interactuar con el imán hace que vibre el diafragma, generando así ondas sonoras. Se utilizan comúnmente en los teléfonos, sistemas de reproducción de audio, radios, televisores, salas de cine, computadoras, dispositivos móviles y otros dispositivos electrónicos para producir sonido, así como en audífonos y sistemas de ayuda a la audición.
La invención del altavoz se atribuye a Alexander Graham Bell. Ese primer altavoz electromagnético, consistente en un diafragma metálico acoplado a un electroimán al que se aplicaba una corriente eléctrica de una batería, era en la práctica un auricular y constituía el elemento receptor en su desarrollo del teléfono en 1876. Sin embargo, en 1874, Ernst W. Siemens fue el primero en describir el transductor “dinámico” o de bobina móvil, compuesto por una bobina circular de alambre en un campo magnético y soportada de forma que pudiera moverse axialmente, aunque no utilizaba ese dispositivo para un sistema sonoro, y es en 1877, cuando patenta su invento como radiador de sonido, donde el diafragma podía adoptar la forma de un cono, que se ensanchaba exponencialmente como una trompeta.
También en esos años se inventa el fonógrafo y poco después el gramófono, ambos exclusivamente aparatos acústicos, que usaban una bocina como la descrita anteriormente para “amplificar” la señal que se obtenía del cilindro o del disco mediante una aguja y un diafragma. Estrictamente hablando, la bocina no amplificaba el sonido, sino que concentraba en una dirección las ondas sonoras producidas por el elemento de resonancia. Con el fin de obtener una mayor salida de sonido de los auriculares, se hizo evidente acoplar los auriculares a las bocinas del gramófono. Este fue el comienzo del desarrollo de los altavoces de bocina, que en la década de 1920 fueron utilizados con los primeros receptores de radiodifusión. La calidad de sonido de estos altavoces de bocina dejaba mucho que desear. Las bocinas producían sonidos relativamente fuertes pero no con muy buena calidad. Esto se debió principalmente al sistema de accionamiento con un diafragma de acero en la copa de los auriculares.
El primer altavoz de bobina móvil experimental fue desarrollado por Oliver Lodge en 1898 y posteriormente, los daneses Peter L. Jensen y Edwin Pridham lo utilizaron para el diseño de un altavoz práctico y, aunque no pudieron patentarlo, en 1915 fundaron la empresa Magnavox para comercializar sus desarrollos orientados a la utilización en receptores de radio y en sistemas de megafonía. Al igual que los altavoces anteriores, utilizaron bocinas para amplificar el sonido.
Los desarrollos de Edward W. Kellogg y Chester W. Rice a principios de la década de 1920 conducen a la introducción del primer altavoz de bobina móvil de radiador directo en 1925. Este diseño, con un funcionamiento en un amplio rango de frecuencias y una respuesta uniforme, mejora de forma importante la calidad del sonido reproducido y se convierte en la base de los altavoces dinámicos modernos. En 1926, RCA utilizó este diseño, denominado “Radiola Loudspeaker #104” en la línea Radiola de radios alimentadas por corriente alterna. Rice y Kellogg también diseñaron un amplificador de audio que fue fundamental para aumentar la potencia transmitida a los altavoces.
Una de las aplicaciones de los altavoces son los sistemas de megafonía, denominados en inglés “Public Adress”. Estos sistemas empezaron a ser utilizados en la década de 1920 para la sonorización de salas de cine, locales y eventos públicos y posteriormente en conciertos. Para ello se construyeron altavoces de gran tamaño, que junto con los amplificadores electrónicos, permitían suministrar sonido a un grupo numeroso de personas.
En 1931, Alan Dower Blumlein de los laboratorios Bell inventa lo que llamó sonido “binaural”, conocido posteriormente como sonido estereofónico. También en ese año los Bell Labs desarrollaron un altavoz de dos vías, conocido por su “rango dividido” y en 1932, Albert L. Thuras presentó una patente para el principio bass-reflex. Estos sistemas se generalizaron en la década de 1930, con los sistemas de altavoces con múltiples vías, separando la banda de frecuencias de audio en varias subbandas mediante filtros y utilizando altavoces específicos para cada una de ellas: “woofers” para bajas frecuencias, “rango medio” y “tweeters” para las frecuencias agudas.
A partir de los años 40 del siglo XX se introducen nuevas mejoras en los materiales, se sustituyen los electroimanes por imanes permanentes y se mejoran las bocinas para los sistemas de megafonía, mientras que en los años 60 se desarrollan los equipos de alta fidelidad y los sistemas de múltiples altavoces y elevadas potencias sonoras para conciertos en grandes espacios abiertos. Los siguientes desarrollos han venido dados por la amplificación transistorizada y su incorporación en altavoces activos; por las técnicas de procesado digital de audio, que permiten sistemas de sonido envolvente en salas de cine y en el hogar, o cancelación de ruido en auriculares; y por la llegada de altavoces y auriculares inalámbricos.
Con el desarrollo de los dispositivos móviles, primero los reproductores de casete (en los años 80), luego los reproductores de CD portátiles, los reproductores de MP3 y, finalmente, la función de reproductor integrado en el teléfono móvil, el uso de auriculares aumentó drásticamente junto con la popularización de los dispositivos inalámbricos TWS (True Wireless Stereo). Esto ha hecho necesario una cada vez mayor miniaturización y un menor consumo de energía.
Referencias
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- John R. Sank, “Micrófonos”, Journal of the Audio Engineering Society 33, No. 7/8, (julio/agosto de 1985). pp. 514–547
- Angelo Campanella, “Antonio Meucci, El telégrafo parlante y El primer teléfono”, Acoustics Today 3, No.2, (abril de 2007). pp. 37-45
- Olson, Harry F. “Microphones for Recording,” Journal of the Audio Engineering Society, Oct./Nov. 1977, pp. 676-683.
- Jim Webb, Twelve Microphones That Changed History. 2002, https://www.aes.org/aeshc/docs/mtgschedules/113conv2002/webb_12-microphones.pdf
- Rice, Chester W. and Edward W. Kellogg, “Notes on the Development of a New Type of Hornless Loudspeaker,” Transactions of the American Institute of Electrical Engineers 44, 1925, p. 461-475
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- https://mynewmicrophone.com/mic-history-who-invented-each-type-of-microphone-and-when/
- https://the-tech-vortex.com/2023/11/21/the-evolution-of-microphones/
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- https://fohonline.com/articles/tech-feature/the-history-of-p-a-loudspeakers-part-1/